Физики из Великобритании впервые получили визуальное представление процесса сближения и соединения двух молекул ДНК с отрицательным зарядом, которые притягиваются друг к другу в определенных участках, соответствующих идентичным генетическим кодам, несмотря на ожидаемое взаимное отталкивание. Это прямое наблюдение подтверждает гипотезу, разработанную два десятилетия назад, и проливает свет на основополагающие процессы, связанные с восстановлением генома, делением клеток и прогрессированием онкологических заболеваний.

Ученые из Йоркского и Шеффилдского университетов, расположенных в Великобритании, смогли разрешить давнюю загадку молекулярной биологии: каким образом две молекулы ДНК преодолевают эффект взаимного отталкивания. Согласно базовым принципам физики, одноименные электрические заряды стремятся удаляться друг от друга. Поскольку каждая нить ДНК обладает значительным отрицательным зарядом, соседние спирали должны были бы раздвигаться при сближении. Однако в живых клетках молекулы регулярно приближаются и соединяются – этот процесс необходим для восстановления поврежденных генов, выявления ошибок в генетическом коде и обеспечения корректного деления клеток. Впервые удалось непосредственно зафиксировать и детально описать механизм этого взаимодействия. Результаты исследования авторы опубликовали в журнале Nucleic Acids Research.

Удалось разрешить возникший парадокс благодаря использованию атомно-силовой микроскопии (методу, позволяющему «ощупывать» поверхность на наноуровне с помощью сверхчувствительной иглы) и компьютерному моделированию. Проведенные эксперименты подтвердили теоретическую модель «ДНК-молнии», предложенную приблизительно 20 лет назад Алексеем Корнышевым, физиком из Имперского колледжа Лондона. Ключевую роль в этом процессе играют ионы металлов (например, магния или кальция), растворенные в клеточной среде и обладающие двойным положительным зарядом.

Положительно заряженные ионы располагаются в естественных спиральных углублениях ДНК и действуют как электрические мостики, соединяющие обе молекулы. Каждый такой ион одновременно притягивает стенки обеих молекул, нейтрализуя их взаимное отталкивание. В результате две длинные спирали точно стыкуются друг к другу – подобно переплетающимся зубцам шестерен или застегивающейся молнии.

Ученые обратили внимание на неравномерность процесса соединения молекул ДНК. В определенных областях химические компоненты делятся на участки, характеризующиеся исключительно прочным соединением, в то время как другие области демонстрируют значительно более слабую связь. Полученные данные могут оказаться полезными для генетиков в поиске мест в геноме, где неточности при сближении молекул ДНК становятся причиной опасных мутаций и онкологических заболеваний.