Ученые из Кембриджского университета в сотрудничестве с международной командой исследователей определили ключевой процесс, который управляет поведением ДНК при ее прохождении через наноразмерные поры. Это открытие имеет фундаментальное значение для многих биологических процессов и быстро развивающихся технологий секвенирования ДНК. В центре исследования оказалась ранее упускаемая из виду структура ДНК под названием «плектонема», что может коренным образом повлиять на будущее геномики и биосенсорики.
Нанопоры – это микроскопические отверстия, позволяющие одиночным нитям ДНК проходить сквозь них, создавая при этом электрические сигналы. Эти сигналы дают ученым возможность детально анализировать генетический материал. Однако до недавнего времени важные особенности этих сигналов интерпретировались неверно. На протяжении десятилетий исследователи полагали, что сложные и нерегулярные электрические паттерны, наблюдаемые во время экспериментов, вызваны образованием узлов в цепи ДНК. Эта идея казалась интуитивно понятной: подобно шнурку, который запутывается при протягивании через узкое отверстие, ДНК, как считалось, ведет себя аналогичным образом. Любой нестандартный сигнал автоматически приписывался узлу.
Новое исследование, опубликованное в журнале «Physical Review X», опровергает это устоявшееся предположение. Оказалось, что вместо образования настоящих узлов ДНК чаще всего скручивается сама вокруг себя, создавая структуры, известные как плектонемы. Внешне они больше напоминают спиральный шнур старого телефона, а не завязанный узел. Это различие принципиально, поскольку скручивания и узлы по-разному влияют на электрические сигналы. «Наши эксперименты показали, что по мере протягивания ДНК через нанопору ионный поток внутри нее закручивает нить, накапливая вращающий момент и сворачивая ее в плектонемы, а не просто в узлы», – объясняет ведущий автор доктор Фэй Чжэн. По его словам, эта «скрытая» скрученная структура оставляет в электрическом сигнале отчетливый и продолжительный след, в отличие от более кратковременной подписи узлов.
Чтобы прийти к такому выводу, команда тестировала ДНК с использованием нанопор из стекла и нитрида кремния в широком диапазоне условий. Ученые заметили, что так называемые «запутанные» события, когда в поре одновременно оказывалось несколько участков ДНК, происходили гораздо чаще, чем могла бы объяснить теория узлов. Частота таких событий возрастала с увеличением напряжения и длины нитей ДНК, что указывало на действие некой дополнительной силы. Виновником оказался электроосмотический поток – движение воды, вызванное электрическим полем внутри нанопоры. Протекая мимо ДНК, вода создает вращающую силу, которая передается вдоль всей молекулы, заставляя ее участки за пределами поры сворачиваться в плектонемы.
В отличие от узлов, которые затягиваются под действием силы и быстро исчезают, плектонемы могут увеличиваться в размере и сохраняться на протяжении всего процесса прохождения через пору. Чтобы окончательно подтвердить свою гипотезу, исследователи создали «надрезанную» ДНК – нити с разрывами в определенных точках. Эти разрывы не позволяли вращению распространяться по молекуле, что привело к резкому сокращению образования плектонем в ходе экспериментов. Этот результат не только подтвердил механизм, но и намекнул на новые способы использования нанопор для обнаружения повреждений ДНК.
«Что действительно важно, так это то, что теперь мы можем различать узлы и плектонемы в сигнале нанопоры по их продолжительности», – говорит соавтор исследования, профессор Ульрих Ф. Кайзер. Узлы проходят быстро, создавая короткий всплеск, тогда как плектонемы задерживаются и генерируют протяженные сигналы. Это открывает путь к более богатому и детальному анализу организации ДНК, целостности генома и, возможно, его повреждений. Выводы выходят за рамки технологий секвенирования: в живых клетках ДНК постоянно скручивается под действием ферментов, и понимание этих процессов улучшит модели поведения генома и может привести к созданию более чувствительных диагностических инструментов.
