Цепочки полимеров в живой клетке, постоянно меняя конфигурацию, прокладывают свой путь через наноразмерные поры в мембранах, чтобы переместиться туда, где они должны выполнить свою работу. Новое теоретическое исследование ученых из Университета Райса (Rice University) дает возможность количественно оценить, сколько времени занимает такое путешествие. Точные данные об этом процессе необходимы ученым, изучающим транспорт ДНК, РНК и белков – все они принадлежат к полимерам – и инженерам, разрабатывающим мембраны для биосенсоров и устройств для доставки лекарственных препаратов.

Проход полимерных цепочек
через наноразмерные поры важен
для многих биологических процессов.
Новые расчеты ученых из Университета
Райса изменили прежние представления
о том, сколько времени занимает этот процесс.
(Рисунок: Аруна Мохан/Университет Райса)

Исследователи во главе с Анатолием Коломейским (Anatoly Kolomeisky), доцентом кафедр химии и химической и биомолекулярной инженерии, разработали теоретический метод расчета времени, необходимого длинноцепочечным полимерам для перемещения через наноразмерный канал в мембране, такой как отделяет ядро клетки от окружающей ее цитоплазмы. Такие внутриклеточные путешествия совершают молекулы РНК, а белки для выполнения своих функций в организме проходят через внешнюю мембрану клетки.

О новом методе сообщается в журнале Journal of Chemical Physics.

Ученые исследовали перемещение длинноцепочечной полимерной молекулы, грубо напоминающей нитку бус, через нанопоры двух геометрических типов: цилиндрический и представляющий собой комплекс из двух цилиндров, напоминающий большую трубку, соединенную с маленькой. Не удивительно, что исследователи обнаружили, что полимер проходит такую искусственную нанопору гораздо быстрее, если входит через широкий конец комплекса.

«Мы исходили из предположения, что размер полимера сопоставим с размером поры, что в целом соответствует реальности», – рассказывает Коломейский о процессе, который можно представить как протаскивание веревки через дверной глазок. «Типичная цепочка ДНК может быть длиной в тысячи нанометров, а пора – всего в несколько нанометров».

То, что полимеры вовсе не «пролетают» через пору, даже если находят входное отверстие, ученым известно уже достаточно давно. Они начинают. Останавливаются. Затем начинают снова. И даже если ведущий конец молекулы вошел в пору, он еще может из нее выйти. Уже находясь в поре, полимеры часто перемещаются то вперед, то назад, при этом постоянно меняя свою конфигурацию.

«Раньше ученые-теоретики полагали, что как только ведущий конец полимера достигает канала, через него сразу проходит вся молекула», – говорит Коломейский. «Мы же считаем, что прежде чем полимер полностью пройдет пору, он несколько раз меняет направление движения».

Ключом к описанию перемещения полимера с точностью до молекулы является измерение электрических токов, проходящих через пору.

«Если ток силен, полимер не может находиться в канале. Если ток падает, полимер находится в поре, блокируя его», – объясняет ученый.

Эксперименты показывают, что типичные молекулы ДНК и РНК проходят через мембрану за несколько миллисекунд в зависимости от силы приводящего их в движение электрического поля. Но даже это, по словам Коломейского, значительно дольше, чем считали ученые.

Анатолий Коломейский.
(Фото: сайт Университета Райса)

Новый метод применим к порам с разной геометрической формой: прямой, конической или состоящей из соединенных цилиндров разных размеров, аналогичной естественному биологическому гемолизиновому каналу, имитацию которого исследователи использовали в своей работе.

Расчеты в равной степени относятся к естественным и искусственным порам, что важно для ученых, разрабатывающих мембраны устройств для доставки лекарственных препаратов, биосенсоров или фильтров для очистки воды, а также для разработчиков новых методов секвенирования ДНК.

Аннотация в статье: Polymer translocation through pores with complex geometries