Американские биофизики научились управлять движением узлов по одиночной молекуле ДНК с помощью растягивающего полимер электрического поля. При правильном подборе параметров растяжения молекулы можно контролируемо перемещать узел по молекуле длиной в несколько микрометров примерно за минуту, пишут ученые в Physical Review Letters.

Практически на всех длинных полимерных молекулах, включая молекулы ДНК, можно встретить узлы. Они появляются на молекуле естественным образом, при этом их количество может зависеть от типа молекулы и наличия в клетке вспомогательных соединений. Например, у млекопитающих за завязывание и развязывание узелков на молекулах ДНК отвечают некоторые ферменты из класса топоизомераз. Поскольку наличие узлов на молекуле ДНК может приводить к ошибкам в процессе репликации или транскрипции, то их можно использовать в качестве одного регуляторов скорости и механизмов анализа. А например, при нанопоровом секвенировании наличие узлов служит одним из факторов, замедляющих процесс прохождения молекулы через пору, что позволяет повысить разрешение метода.

Американские биофизики из Массачусетского технологического института под руководством Патрика Дойла (Patrick S. Doyle) обнаружили, что если молекула ДНК находится в растянутом состоянии, то узел по ней можно контролируемо двигать. Этот эффект ученые заметили, поместив молекулу с завязанным на ней узлом в микрофлюидное устройство, в котором каналы соединялись под прямым углом, образуя Т-образный стык. На этом стыке с помощью электрического поля (линии напряженности которого были направлены вдоль канала) можно зафиксировать и растянуть полимер. Для этого центр молекулы помещается в точку с нулевым полем, расположенную в центре стыка, а ее концы за счет электрофореза тянутся полем в противоположных направлениях, что и вытягивает всю структуру вдоль стенки канала.

Сверху: схема микроканала-ловушки для растяжения ДНК. Черными пунктирными линиями показаны силовые линии электростатического поля, красной линией — молекула ДНК. Снизу: последовательные микрофотографии молекулы с двигающимся вдоль нее узлом. Масштабная линейка — 5 микрометров. Alexander R. Klotz et al./ Physical Review Letters, 2018

За состоянием подкрашенной молекулы длиной около 80 микрометров ученые следили с помощью флуоресцентной оптической микроскопии. На молекуле располагался один простой узел, который можно было отчетливо видеть на микроизображениях. Оказалось, что электрическое поле в микроканале не только растягивает ДНК, но и приводит к движению узла вдоль полимера от центра к краю. При этом, как только узел достигает конца цепочки, он развязывается.

Движение узла на молекуле ДНК от центра к краю. Alex Klotz

Ученые отмечают, что описать подвижность узла только действием электростатического поля невозможно, поэтому для объяснения нелинейной зависимости его координаты от времени авторы работы рассмотрели баланс между броуновским движением и градиентом скорости.

Из-за особенностей закрепления молекулы в такой «растягивающей ловушке» вдоль ее длины меняется скорость жидкости, создавая аналог сдвигового потока с нулевой скоростью посередине молекулы. Поэтому подвижность узла на молекуле характеризуется числом Вайсенберга — отношением между временем релаксации и градиентом силы: если максимальная растягивающая сила достаточно большая по сравнению с силой броуновской диффузии, то узел движется поступательно в известном направлении, а в случае преобладания броуновского движения его движение носит выраженный диффузионный характер.

Оказалось, что при увеличении числа Вайсенберга движение узла замедляется. Оптимальный же диапазон это параметра (когда молекулу можно растянуть, чтобы она не стремилась свернуться в спираль, но узел при этом по ней контролируемо и достаточно быстро двигается) составляет примерно от 0,9 до 1,5. Полученные количественные экспериментальные данные биофизики также подтвердили с помощью компьютерного моделирования узлов нескольких различных топологий.

Авторы работы отмечают, что предложенный ими метод поможет быстро избавляться от тех узлов, которые мешают проведению экспериментов, а также контролируемо перемещать по ДНК те узлы, которые используются в полезных целях.

Если в линейных полимерных молекулах узел довольно легко развязать, просто переместив его на край молекулы, то в случае возникновения узла в замкнутой полимерной цепочке, от него уже не избавиться. Самая сложная из таких искусственно синтезированных завязанных узловых молекул состоит из 192 атомов и включает 8 перекрещиваний. Подобные молекулы с топологической связью делают и из молекул ДНК: например недавно одну из подобных структур превратили в наномотор, который синтезирует РНК и прыгает по поверхности.

Автор: Александр Дубов