Биофизики из американского института JILA сделали важный шаг на пути к решению 15-летней загадки механических свойств ДНК.

Каким образом молекула умудряется внезапно увеличить свои размеры на 70% с приложением силы, равной 65 пН?

Этот феномен был открыт в 1996 году: ДНК начинает растягиваться — и, когда уже кажется, что она вот-вот порвётся, внезапно почти удваивает свою длину.

Рис. 1. График зависимости удлинения ДНК-структуры (по горизонтальной оси) от приложенной внешней силы.

Общепринятое объяснение гласит: избыточное растяжение приводит к выделению настолько большого количества энергии, что ДНК начинает «таять». В результате происходит потеря фосфодиэфирной связи между соседними нуклеотидами в одной из цепей, и цепь разрывается. Этот «разрыв» якобы и выступает причиной скачкообразного увеличения размеров ДНК.

Гипотеза является чисто умозрительной, ибо у учёных просто не было возможности проверить её на практике: не существовало никакого способа закрепить концы ДНК, не зафиксировав при этом всю структуру молекулы.

Исследователи из JILA во главе с Томом Перкинсом первыми придумали, как связать свободный конец ДНК с микропузырьком газа, одновременно прикрепив обе цепочки другого конца к некоей поверхности. Затем к пузырьку с помощью лазеров прикладывалась сила, его положение измерялось. В итоге ДНК могла вращаться, не имея свободных концов.

Результаты эксперимента сравнивались с показателями контрольной молекулы, у которой имелся один свободный конец. Оказалось, что обе ДНК растягивались с одной и той же силой, что противоречило теории. Вероятно, наличие разрыва цепи не обязательно для увеличения размеров молекулы.

Один из учредителей JILA — Национальный институт стандартов и технологий — в настоящее время разрабатывает официальный стандарт силы в масштабе пиконьютонов, который может войти в Международную систему единиц. ДНК уже широко применяется как калибровочный стандарт атомно-силовых микроскопов. Сотрудники JILA считают, что их эксперимент внёс важный вклад и в этот проект.

Результаты исследования опубликованы в статье:

D. Hern Paik† and Thomas T. Perkins Overstretching DNA at 65 pN Does Not Require Peeling from Free Ends or Nicks. – Journal of the American Chemical Society.  – DOI: 10.1021/ja108952, Publication Date (Web): January 5, 2011.