Химики из США разработали новый метод обнаружения химической модификации однонитевой молекулы ДНК, связав ее с парой углеродных нанотрубок.

Химическая модификация молекул ДНК, в особенности – метилирование цитозиннуклеотидов в составе ДНК, представляет собой один из главных механизмов, с помощью которых клетки активируют и дезактивируют работу определенных генов. За последние несколько лет исследователи пришли к выводу, что результаты такой модификации могут накапливаться от одного поколения клеток следующему, что приводит к наследованию определенных изменений.

Механизм наследственной передачи таких модификаций является объектом исследования эпигенетики – учения о наследуемых изменениях в фенотипе (внешнем виде) или в экспрессии генов, вызываемых другими механизмами, чем изменения последовательности ДНК.

Рис. 1. При химическом изменении ДНК меняется
проводимость системы нуклеиновая кислота/нанотрубки,
эти изменения проводимости отслеживаются с
помощью нового устройства. (Рисунок из Chem. Sci.,
2011, DOI: 10.1039/C1SC00772F).

Основная проблема, связанная с исследованиями в области эпигенетики связана с необходимостью разработки методики, достаточно чувствительной для наблюдения за процессом химической модификации отдельных генов. Для решения этой задачи исследователи из США, работавшие под руководством Жаклин Бартон (Jacqueline Barton) из Калифорнийского технологического института и Колина Наколлса (Colin Nuckolls) из Колумбийского Университета (Нью Йорк) решили исследовать особенности метилирования ДНК.

Разработанная в результате совместной работы двух исследовательских групп методика заключается в том, что первоначально в одностенной углеродной нанотрубке протравливается зазор, после чего в этот зазор помещается однонитевая ДНК, которая прикрепляется к двум концам разорванной нанотрубки; на завершающем этапе полученная система подключалась к источнику электрического тока.

Обычно электрический ток достаточно легко протекает по молекулярному проводу нанотрубка-ДНК, однако ситуация может измениться при воздействии на систему фермента метилтрансферазы. В том случае, если в одноцепочечной нити ДНК присутствуют цитозиннуклеотиды, фермент способствует переносу метильной группы на цитозиновое основание.

Такая модификация приводит к укорочению линейных размеров системы нанотрубка-ДНК и понижению ее электропроводности на 90%.

Измеряя силу тока, протекающего по системе нанотрубка-ДНК, исследователи обнаружили, что они могут определять моменты метилирования нити ДНК в режиме реального времени. Использование различных модельных ДНК, в том числе и с пониженным содержанием цитозиннуклеотида, и с третичной структурой, осложняющей подход метилтрансферазы к нуклеиновой кислоте, позволило определить, что изменения электропроводности происходят только при метилировании цитозина. Ободренные первым успехом, в настоящее время исследователи пытаются модифицировать разработанную методику для изучения модификации других типов.

Крис Шофилд (Chris Schofield) из Оксфорда, изучающий химические механизмы эпигенетики, отмечает, что

методика, разработанная американскими коллегами, очень удобна, и представляет собой весьма многообещающий подход к отслеживанию изменений в ДНК, что, в свою важно для проведения исследований в области эпигенетики.