ДНК оживя под микроскопа: за първи път хората видяха как тя осцилира, огъва се и се поправя в реално време

Благодарение на графена биологията вече не е черна кутия.

Когато хората говорят за ДНК, обикновено си представят спретната двойна спирала, гладко усукана в перфектна форма. На схемите тя изглежда безупречна, сякаш е подредена просто и симетрично. Но във вътрешността на клетката молекулите се държат по различен начин – те се огъват, разклащат, усукват, а специални протеини непрекъснато поправят и пренареждат техните участъци. Всички тези движения се случват в мащаби, по-малки от милиардна част от метъра, и продължават милионна част от секундата, така че е изключително трудно да ги видим директно. За да видят как всъщност живее ДНК, изследователите се нуждаят от камера, която може да заснема атомите в движение.

С тази задача се зае екип от Университета на Илинойс в Урбана-Шампейн. Екипът, ръководен от физика Алексей Аксиментиев и колегата му Куш Кошик, е разработил начин за наблюдение на ДНК молекулата с разделителна способност до един ангстрьом – по-малко от една десета от нанометъра – и дори за контрол на поведението ѝ върху повърхност. Работата съчетава изчислителна биофизика, наноматериали и оптични техники, което позволява молекулярните процеси да бъдат изучавани в реално време.

Отправна точка е работата на лабораторията на Тинефелд в ЛМУ (Мюнхен). Там учените показаха, че двуверижната ДНК върху едноатомен слой въглерод – графен – се подрежда вертикално, опирайки се с долната базова двойка върху подложката. Това откритие става основа на метода GETvNA, който използва пренос на енергия между флуоресцентен маркер върху ДНК и проводящата повърхност на графена. Всяка промяна във формата се отразява в интензитета на сигнала и по тези колебания може да се проследи движението на молекулата с изключителна точност. Изследователите от Илинойс разбиват процеса на атомно ниво, показвайки как точно това разположение превръща графена в „камера“ за биомолекули.

Във вертикално положение дуплексът не е фиксиран твърдо: той леко се колебае поради топлинните флуктуации, подобно на пружина. Това се оказа оптималното състояние – структурата остава стабилна, но същевременно е подвижна. Благодарение на това е възможно да се регистрират дори минималните конформационни пренареждания: огъвания, усуквания и микровибрации на отделните участъци. Разделителната способност на метода дава възможност да се наблюдават процеси като поправка на повредена спирала или придвижване на протеините-ензими по веригата.

Основното предимство на GETvNA е неговата достъпност. За експериментите е достатъчен обикновен флуоресцентен микроскоп: не са необходими нито криоелектронни съоръжения, нито обемисто оборудване за ядрено-магнитен резонанс. Това, което преди изискваше инструменти за няколко милиона долара, сега може да се изследва в лаборатория, оборудвана само със стандартна оптика и набор от наноматериали.

За да разберат механиката на взаимодействието между ДНК и графена, изследователите провеждат серия от молекулярни изчисления. При тези симулации всеки атом взаимодейства с останалите, а изчисленията са с фемтосекундна стъпка. Тези симулации изискваха огромни ресурси: суперкомпютрите Delta и DeltaAI в Националния център за суперкомпютърни приложения (NCSA) намалиха времето за анализ от месеци на дни. Изчисленията потвърдиха наблюденията: дуплексът наистина се изправя, трептенията му се подчиняват на статистически закономерности, а флуоресцентният сигнал точно отразява амплитудата на движенията.

Тогава екипът решава да отиде по-далеч и не само да наблюдава, но и да контролира положението на молекулите. За тази цел те използват друг материал – хексагонален борен нитрид (hBN), който се характеризира с идеално плоска повърхност. Върху него едноверижната ДНК се движи по микроскопичните издатъци, получени от атомните дефекти. Тези неравности действат като водещи молекули: веригата временно се „залепва“ за тези зони, след което се освобождава и се придвижва нататък, образувайки контролирана траектория. В предишна публикация (в Nature Nanotechnology) екипът показа, че тези „стъпки“ могат да се използват за навигация на биомолекулите, а настоящите данни обясняват този механизъм на ниво атомна структура.

Заедно с колегите си от Техническия университет в Делфт – Чирмин Джу и Петер Стеенекен – учените откриха защо молекулите върху hBN се движат много по-бавно от предвиденото в теоретичните модели. Компютърният анализ показва, че най-малките нарушения на кристалната решетка създават временни капани, в които нишките се забавят, а след това се „изплъзват“ към съседни области. Това забавяне, което на пръв поглед е пречка, позволява фино управление на процеса – промяна на скоростта и посоката на движение, избор на параметрите на повърхността.

Двете технологии – вертикалното разполагане върху графен и контролираното движение върху борен нитрид – отварят нова област на границата между нанотехнологиите и биофизиката. Тяхното съчетание дава възможност за проектиране на нанофлуидни системи, в които молекулите се движат по определени маршрути и динамиката им може да бъде измерена с атомна точност.

Следващата стъпка е да се премине от микросекундни модели към милисекундни и секундни процеси, за да се проследи как се държи изправената ДНК през по-продължителни интервали от време. Това се прави с помощта на метода mrDNA – патентован модел, който изследователите вече са използвали за анализ на опаковането на вирусните геноми в протеинов капсид.

Всичко това е стъпка към нова оптика на молекулярния свят. Когато отделните вериги могат да се наблюдават директно и дори да се насочват по даден път, биологията вече не е черна кутия, а прецизна инженерна наука. Това откритие и създадените нови технологии разкриват пред учените един съвсем нов свят.