Nauka dla Społeczeństwa

18.04.2024
PL EN
30.06.2023 aktualizacja 11.07.2023

DNA superskręcone - jak słuchawki w kieszeni

Samostykające się kształty pętli DNA przewidywane przez model dla rosnącej gęstości superskręcenia (od góry do dołu). Gdy DNA jest coraz bardziej skręcone, jego kształt staje się coraz bardziej zwarty, źródło: Radost Waszkiewicz) Samostykające się kształty pętli DNA przewidywane przez model dla rosnącej gęstości superskręcenia (od góry do dołu). Gdy DNA jest coraz bardziej skręcone, jego kształt staje się coraz bardziej zwarty, źródło: Radost Waszkiewicz)

Wewnątrz komórek spiralna nić DNA dodatkowo skręca się i całkowicie różni od znanej podwójnej helisy. W bardzo małych skalach zachowanie DNA jest zdeterminowane przez siły sprężystości. Naukowcy pokazują jak badać elastyczne właściwości DNA za pomocą pomiarów hydrodynamicznych. Odkrywanie kształtów minikółek z DNA opisał międzynarodowy zespół badawczy z udziałem Polaków.

Geometrią DNA zajęli się naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, Polskiej Akademii Nauk, Baylor College of Medicine, Rice University, University of Montana i University of Lethbridge. Zaproponowali nowe sposoby badania aktywnego DNA, w tym sposób na badanie mechaniki nadmiernego skrętu i pokonanie problemu jego rozluźnienia. Rozwiązaniem są minikółka z DNA. Polacy rozwijali podejście teoretyczne. Założyli, że DNA można modelować jako jednorodną sprężystą wiązkę, zachowującą się jak miniaturowa gumka - co znalazło potwierdzenie w eksperymentach. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie „Nucleic Acids Research”.

Wewnątrz komórek, gdzie DNA pełni swoje najważniejsze funkcje, jest ono poddawane mechanizmom replikacji i transkrypcji. Skutkuje to przejściowym dodatkowym skręceniem podwójnej spiralnej nici. Takie kształty można zaobserwować również w ludzkiej skali, np. chwytając koniec sznurka (lub słuchawki) i przekręcając go - po kilku obrotach widać, jak się zwija, co w przypadku DNA nazywa się "superskręceniem".

Powstawanie superskręconych struktur (w ludzkiej skali) można zaobserwować chwytając za koniec sznurka (lub np. słuchawek) i skręcając go - po kilku obrotach powstaje charakterystyczny spleciony kształt. fot: Radost Waszkiewicz, źródło: Wydział Fizyki UW
Powstawanie superskręconych struktur (w ludzkiej skali) można zaobserwować chwytając za koniec sznurka (lub np. słuchawek) i skręcając go - po kilku obrotach powstaje charakterystyczny spleciony kształt. fot: Radost Waszkiewicz, źródło: Wydział Fizyki UW

Badanie mechaniki niedostatecznego i nadmiernego skręcania jest szczególnie trudne - większość badań na temat geometrii DNA prowadzona jest na krótkich liniowych fragmentach. Nawet gdyby były one skręcone, swobodne końce spontanicznie rozluźniłyby skręt. "Dla przykładu, skręćmy sznurowadło - jeśli puścimy jeden z końców, sznurowadło po prostu się rozkręci i wyprostuje" - mówi Radost Waszkiewicz, główny współautor pracy i doktorant na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (FUW).

Rozluźnienie skrętu nie występuje, jeśli końce segmentu DNA są połączone - w ten sposób skręt jest "zablokowany" w pętli i nie może "uciec" przez końce. Takie właśnie rozwiązanie - w postaci małych (336 par zasad) minikółek z DNA wymyśliła grupa naukowców z USA kierowana przez prof. Lynn Zecheidrich.

DNA JAK MINIATUROWA GUMKA - POLSKI WKŁAD W BADANIA

Podejście teoretyczne rozwijali Radost Waszkiewicz, prof. Maciej Lisicki i prof. Piotr Szymczak z FUW we współpracy z prof. Marią Ekiel-Jeżewską z Instytutu Podstawowych Problemów Techniki PAN.

"Założyliśmy, że DNA można modelować jako jednorodną sprężystą wiązkę, zachowującą się jak miniaturowa gumka. Dla danej wartości skręcenia określiliśmy kształty, które minimalizują całkowitą energię sprężystą i okazało się, że są to kształty, które widzimy w eksperymentach! Następnie wykorzystaliśmy te kształty do obliczenia ich właściwości hydrodynamicznych, czyli sprawdzenia, jak szybko dyfundują i sedymentują w roztworze" - opisuje Radost Waszkiewicz.

W zrozumieniu dynamiki DNA oraz małych obiektów w roztworach wodnych, z pomocą przychodzi opis mechaniki bardzo lepkich płynów. "Przepływy w mikroskali są zdominowane przez efekty lepkości, a bezwładność jest całkowicie pomijalna. Nasze podejście do modelowania opiera się na matematycznych właściwościach tak zwanych przepływów Stokesa" - mówi prof. Maciej Lisicki, który specjalizuje się w modelowaniu oddziaływań hydrodynamicznych.

SUPERSKRĘCONE MINIKÓŁKA EKSCYTUJĄ BADACZY

Gdy DNA jest coraz bardziej skręcone przed zamknięciem go w minikółko, jego kształt staje się coraz bardziej zwarty. Otrzymane minikółka o precyzyjnie określonych stopniach skręcenia były badane na różne sposoby. Ich kształty były wyznaczone przez grupę prof. Lynn Zechiedrich (dr Jonathan Fogg i dr Daniel Catanese) przy użyciu metod biochemicznych i biofizycznych, w tym techniki mikroskopii elektronowej, pozwalającej uzyskać trójwymiarowe obrazy nanocząstek zbudowanych z DNA.

Samostykające się kształty pętli DNA przewidywane przez model dla rosnącej gęstości superskręcenia (od góry do dołu). Gdy DNA jest coraz bardziej skręcone, jego kształt staje się coraz bardziej zwarty, źródło: Radost Waszkiewicz
Samostykające się kształty pętli DNA przewidywane przez model dla rosnącej gęstości superskręcenia (od góry do dołu). Gdy DNA jest coraz bardziej skręcone, jego kształt staje się coraz bardziej zwarty, źródło: Radost Waszkiewicz

Grupa prof. Borriesa Demelera z University of Montana (USA) i University of Lethbridge (Kanada) wykorzystała analityczne ultrawirówkowanie - precyzyjną metodę opierającą się na „pierwszych zasadach”, co oznacza, że odczyt wyniku jest bezpośredni i nie wymaga kalibracji urządzenia w oparciu o substancje o znanych wartościach odniesienia). Pozwoliło to zmierzyć szybkość sedymentacji cząstek, która z kolei zależy od ich współczynników dyfuzji i sedymentacji. Maduni Ranasinghe, doktorantka z Lethbridge, przeprowadziła pomiary AUC dla różnych gęstości superskręcenia minikółek. Wykazano, że zwiększenie zwartości cząsteczek DNA zwiększa współczynnik dyfuzji.

"Wciąż jesteśmy zdumieni tym, jak bardzo superskręcone DNA różni się od formy, o której dużo wiemy - tak zwanej formy B, czyli podwójnej helisy DNA, którą można zobaczyć w rzeźbie, architekturze i sztuce. Aktywne DNA wygląda zupełnie inaczej i jesteśmy bardzo podekscytowani możliwością dalszego odkrywania sposobów regulacji dostępu do pierwotnego kodu genetycznego" - podsumowuje prof. Lynn Zechiedrich, cytowana w komunikacie FUW.

Nauka w Polsce

kol/ zan/

Przed dodaniem komentarza prosimy o zapoznanie z Regulaminem forum serwisu Nauka w Polsce.

Copyright © Fundacja PAP 2024