Десятилетиями научное сообщество полагало, что ДНК под воздействием стресса запутывается, образуя узлы и хаотичные формы. Однако недавние исследования, проведенные под руководством Кембриджского университета, представили иную картину: в условиях давления ДНК сворачивается в упорядоченные, пружинообразные структуры, известные как плектонемы. Это открытие пересматривает устоявшиеся представления о механизмах функционирования генетического материала.
Прорыв стал возможен благодаря экспериментам с использованием нанопор — микроскопических отверстий, предназначенных для пропускания одной нити ДНК. Исследователи поместили ДНК в щелочной солевой раствор, применив напряжение и поток жидкости для ее перемещения через нанопору. Эти силы вызвали вращение молекулы, создав достаточный крутящий момент для скручивания. Ранее наблюдавшиеся нерегулярные сигналы тока при прохождении ДНК через нанопоры интерпретировались как образование узлов. Однако более детальный анализ показал, что эти структуры не являются запутанными.
Вместо этого ДНК скручивалась в плектонемы — плотные, упорядоченные спирали, которые многократно обвиваются вокруг себя. Как отмечают исследователи, эти пружинообразные структуры, плектонемы, образуются из-за скручивания, вызванного ионным потоком в нанопоре. Их формирование зависит от способности ДНК передавать кручение вдоль своей длины. Профессор Ульрих Ф. Кайзер, один из авторов исследования, подчеркивает, что теперь ученые могут различать узлы и плектонемы по длительности сигнала в нанопоре: узлы проходят быстро, как кратковременный всплеск, тогда как плектонемы создают более продолжительные сигналы.
Это открывает новые возможности для детального анализа организации ДНК, ее целостности и потенциальных повреждений. Эти выводы имеют значительные последствия для понимания динамики ДНК в стрессовых условиях. В биофизике они углубляют понимание процессов запутывания ДНК внутри клеток, где плектонемы и узлы регулярно возникают под действием ферментов, играя ключевую роль в организации и стабильности генома.
Для биосенсоров и диагностики возможность контролировать или обнаруживать эти скрученные структуры может привести к созданию нового поколения сенсоров, более чувствительных к малейшим изменениям ДНК, что потенциально позволит выявлять повреждения на ранних стадиях заболеваний. С точки зрения нанотехнологий, это исследование подчеркивает потенциал нанопор не только как высокочувствительных сенсоров, но и как инструментов для манипулирования биополимерами новыми способами.
Открытие имеет далеко идущие последствия, влияя на такие области, как молекулярная генетика и биотехнология. Понимание того, как ДНК ведет себя под физическим напряжением, может пролить свет на фундаментальные биологические процессы и открыть новые пути для технологических инноваций.