Химики из Технологического университета Мюнхена впервые напрямую измерили силы, стягивающие между собой соседние пары оснований в двойной цепи ДНК. Оказалось, что их величина составляет всего несколько пиконьютонов — в триллион раз меньше веса плитки шоколада. Для измерений этого крошечного усилия исследователи использовали технику ДНК-оригами и оптические пинцеты. Результат может найти применение в моделировании молекулярных моторов, создаваемых учеными. Исследование опубликованов журнале Science, кратко о нем сообщает пресс-релиз университета.

ДНК — сложная органическая молекула, в которой можно выделить две основные части: цепочка-остов из сахаров и остатков фосфорной кислоты и азотистые основания, прикрепленные к нему. Как правила она существует в виде двойной спирали, состоящей из двух цепочек ДНК. Эта форма устойчива благодаря взаимодействиям между основаниями в разных цепочках. Широко известно такое взаимодействие между остатками аденина и тимина или гуанина и цитозина (AT и GC) — образование Уотсон—Криковских пар. 

Кроме Уотсон—Криковских взаимодействий, обусловленных водородными связями (электростатическим взаимодействием), известно еще ряд взаимодействий. Одно из них — стекинг. Оно возникает между соседними азотистыми основаниями в одной цепи и связано с их электронными свойствами. Ученые предполагают, что стекинг также дает существенный вклад в стабильность двойной спирали, однако данных для того, чтобы соизмерить его с вкладом водородных связей недостаточно. Новая работа посвящена определению точной величины силы, сопротивляющейся растяжению оснований в одной цепи. 

Стекинг между парами оснований в представлении художника. Christoph Hohmann & Hendrik Dietz/ Nano Initiative Munich/ TUM

Чтобы напрямую измерить эту силу, ученые разработали следующую «установку». К паре шариков диаметром около микрометра химики прикрепили 250-нанометровые балки, созданные методом ДНК-оригами. На концах этих балок располагалось один или несколько небольших фрагментов двухцепочечной ДНК. На конце этих фрагментов находится одна из возможных Уотсон—Криковских пар оснований. Кроме того, балки связаны между собой с помощью длинной полимерной молекулы, позволяющей им свободно перемещаться друг относительно друга.

Слева сверху — схема стекинга, справа — реакция, инициируемая стекингом, снизу — схема устройства для измерения силы стекинга между парами оснований. Fabian Kilchherr et al. / Science, 2016

Для оценки взаимодействия между основаниями исследователи использовали оптические пинцеты — сфокусированные лучи лазеров. Электромагнитное поле излучения заставляло диэлектрические шарики смещаться к точке фокуса и следовать за ней при движении лазеров. Такая техника позволяет манипулировать парой шариков, сближая и отдаляя их. Из поведения шариков и того, как часто балки «склеивались» благодаря стекингу, ученые оценивали силу, необходимую для отрыва одной пары оснований от другой. 

Работа оптического пинцета. Fabian Kilchherr et al. / Science, 2016

Всего химики испытали 16 возможных вариантов расположения пар относительно друг друга. Оказалось, что характерное усилие, необходимое для отрыва одной пары от другой, не превышает двух пиконьютонов. Наиболее сильным оказалось взаимодействие между парами CG-GC. Энергия связей стекинга колебалась от 0,8 до 3,4 килокалорий на моль. Для сравнения, энергия водородных связей внутри пары составляет 12,4 и 25,4 килокалории на моль для пар аденин-тимин и гуанин-цитозин соответственно.

По словам авторов, новые данные помогают лучше узнать о том, как устроена ДНК. Кроме того, команда работавшая над проектом, занимается разработкой молекулярного мотора с помощью методики ДНК-оригами. Часть «деталей» мотора удерживается за счет взаимодействий стекинга. Основная цель исследователей — научиться контролировать вращение мотора с помощью химических или температурных воздействий. 

ДНК-оригами — метод постройки наноразмерных структур на основе формирования Уотсон—Криковских пар. Зная расположение оснований в одной длинной цепи ДНК, можно вводить ее в контакт с другими короткими молекулами ДНК, которые будут «склеивать» ее в нужных положениях. С помощью этой техники можно создавать как плоские, так и объемные объекты, подобные балке из исследования. 

Интересно, что помимо классических Уотсон—Криковских взаимодействий, существует еще один тип спаривания азотистых оснований — хугстиновские. Они отличаются взаимным расположением оснований друг относительно друга. Недавно ученые из Университета Дьюка выяснили, что хугстиновские основания способны плавить двухцепочечную спираль РНК, а ДНК в отличие от нее способна подстраиваться под изменения конформации. Ключевым фактором устойчивости двухцепочечной спирали ДНК стало отсутствие гидроксила в сахарофосфатном остове. 

Автор: Владимир Королёв