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

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

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