Российские исследователи использовали суперкомпьютеры для расчета параметров денатурации — разъединения цепочек двойной спирали — ДНК. Новые результаты помогут лучше понять, как происходят процессы внутри клетки.

Статья опубликована в журнале European Physical Journal B.

Обычно в клетке ДНК находится в виде двойной спирали. Но ее структуру можно разрушить, если нагреть до нужной температуры. При этом процессе водородные связи между ними начинают распадаться и происходит денатурация ДНК. Двойная спираль начинает разделяться на две разные с образованием беспорядочных клубков. Такое состояние называется открытым. Полное или частичное разделение цепей происходит в определенном интервале температур. Он зависит от того, какие нуклеотиды — элементарные составляющие ДНК — содержатся в молекуле, и других условий, а средняя точка в интервале называется температурой плавления.

Денатурация ДНК начинается перед любой реакцией, при которой происходит передача генетической информации, поэтому условия, при которых молекула находится в комплементарном или открытом состоянии, очень важны для понимания этих процессов.

Исследователям из Института математических проблем биологии РАН, поддержанным грантом Российского научного фонда, удалось вычислить параметры процесса плавления ДНК. Авторы новой работы измерили изменение теплоемкости молекулы в зависимости от температуры при медленном нагревании, а затем использовали суперкомпьютеры МГУ («Ломоносов» ) и Института прикладной математики имени М. В. Келдыша РАН, чтобы смоделировать процесс плавления.

В предыдущих теоретических исследованиях этот показатель рассчитывался для цепочки бесконечной длины в равновесных состояниях, при которых температура и другие параметры системы постоянны во времени.

Моделирование российских исследователей показало, что при одной температуре в области плавления молекула ДНК может находиться в трех состояниях — комплементарном, открытом или частично денатурированном.

В природе этот процесс начинается на участках с определенной последовательностью нуклеотидов — промоторах. На них же начинается считывание генетической информации. На этих участках температура плавления оказывается ниже, поэтому весь процесс начинается с них, а не в произвольных местах.

«Исследуя характеристики ДНК, мы можем больше узнать о процессах ее удвоения, восстановления от химических и физических повреждений, деления клеток, а также синтезе белков, –– подчеркнул один из авторов работы, научный сотрудник Лаборатории молекулярной динамики ИМПБ РАН Илья Лихачев. — Метод плавления позволяет проводить начальное грубое секвенирование — расшифровку — фрагментов ДНК. На это мы планируем направить усилия в будущих исследованиях».