Неожиданный вывод об аномальных конформационных состояниях молекул ДНК на поверхности заряженных мономолекулярных пленок и их фундаментальных отличиях от строго периодической конформации двойной спирали в объеме раствора сделан в работе, выполненной совместно учеными из РФ и США, пятеро из которых — выпускники МФТИ.

Полученные результаты открывают перспективы исследований в новой области сильно возмущенных поверхностных конформаций ДНК со сложной и очень богатой физикой и нелинейной механикой в ответ на действие ранее не предполагавшихся огромных в молекулярном масштабе латеральных сил.

Работа опубликована в NanoMicroLetters.

Конформация полимера — это устойчивая конфигурация пространственного расположения атомов его цепи. Из нескольких конформаций молекулы наследственности ДНК наиболее известна так называемая В-форма — правозакрученная двойная спираль с шагом 3,4 нм и диаметром 2 нм, в которой плоскости азотистых оснований (А,Т,Г,Ц) перпендикулярны оси спирали и находятся на расстоянии стэкинга (~0,34 нм). Про ДНК также известно, что она — одна из самых жестких линейно-цепочечных полимеров.

Из-за большой изгибной жесткости механические свойства молекул ДНК для слабых и умеренных изгибных моментов хорошо интерпретируются в рамках простой механической модели червеобразной цепи (WLC модель). Эта модель рассматривает короткий сегмент ДНК как однородный изгибный стержень, подчиняющийся закону Гука, то есть с линейной зависимостью между приложенным внешним изгибным моментом и вызываемым им изгибом.

Справедливость WLC модели была подтверждена для огромного массива экспериментальных данных, полученных в объеме раствора in vivo и in vitro, и для них она давно стала канонической. С другой стороны, за последние два десятилетия получила развитие нелинейная механика ДНК, соответствующая области очень больших внешних сил. С этой целью используются микроманипуляции с единичными молекулами ДНК с помощью лазерных пинцетов (твизеров), за изобретение которых и их применение для изучения механических свойств биомолекул Артуру Эшкину была вручена Нобелевская премия в 2018 году.

Большая изгибная жесткость молекул ДНК обеспечивает большой латеральный размер двумерных конформаций при адсорбции на поверхность, который необходим для проведения микроскопических наблюдений с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ). В методе АСМ поверхность образца сканируется острыми зондами с радиусом кривизны на конце ~10 нм, а минимальный размер визуализируемых деталей (пространственное разрешение) составляет нескольких нанометров.

Для наблюдения с помощью АСМ ДНК адсорбируется из раствора на атомарно-гладкие поверхности слюды или графита, покрытые пленками толщиной ~1 нм, образуемыми положительно заряженными веществами-модификаторами (ДНК имеет отрицательный заряд в растворе). До сих пор по умолчанию считалось, что адсорбция на такие поверхности приводит лишь к некоторой компрессии двойной спирали ДНК вертикально направленными силами притяжения, а конформация B-формы сохраняется интактной.