Naučnici su decenijama grešili u vezi sa čvorovima DNK

Naučnici su otkrili da se DNK ponaša na iznenađujući način kad prolazi kroz sićušne nanopore, obarajući dugogodišnju pretpostavku u genetičkom istraživanju.

Ono što su istraživači nekada smatrali čvorovima koji uzrokuju neuredne električne signale pokazalo se kao nešto sasvim drugo: uvijeni namotaji nazvani plektoneme, formirane dok joni koji protiču unutar pore uvrću DNK kao telefonski kabl. Ova uvijanja mogu da se zadrže i rastu dok DNK prolazi, ostavljajući jasne električne tragove.

Preporučujemo

Naučnici sa Kembričkog univerziteta i kolege identifikovali su bitan proces koji oblikuje ponašanje DNK dok prolazi kroz pore nanorazmera. Ovaj proces je fundamentalan za mnoge biološke aktivnosti i za brzo rastuće tehnologije DNK senzora. Istraživanje ističe dugo previđenu strukturu DNK zvanu plektonema, što je nalaz koji bi moglo uticati na budući napredak u pogledu genomike i biosenzora.

Nanopore su izuzetno mali otvori koji omogućavaju prolazak pojedinačnih lanaca DNK dok proizvode električne signale. Ovi signali pomažu istraživačima da detaljno analiziraju genetski materijal. Dosad su važne odlike tih signala bile pogrešno shvaćene.

Mnogo godina su istraživači verovali da su složeni električni obrasci viđeni tokom eksperimenata sa nanoporama uzrokovani formiranjem čvorova DNK. Provlačenje vrpce kroz usku rupu postaje neravnomerno ako se vrpca zapetlja i naučnici su pretpostavili da se DNK ponaša na isti način. Smatralo se da svaki neregularan signal znači da se vrpca zapetljala prolazeći kroz poru.

Uvijanja, a ne čvorovi, objašnjavaju signale

Umesto da formira prave čvorove, DNK se često uvija oko sebe tokom translokacije. Ove uvijene strukture, poznate kao plektoneme, podsećaju na namotan telefonski kabl, a ne na zavezan čvor. Razlika je važna jer uvijanja i čvorovi utiču na električne signale na veoma različite načine.

"Naši eksperimenti su pokazali da, dok se DNK provlači kroz nanoporu, protok jona uvija lanac, akumulirajući obrtni moment i uvijajući ga u plektoneme, a ne samo čvorove. Ova 'skrivena' uvijena struktura ima prepoznatljiv, dugotrajan potpis u električnom signalu, za razliku od prolaznijeg potpisa čvorova", kažu istraživači.

Do ovog zaključka se stiglo putem testiranja DNK pomoću staklenih i silicijum-nitridnih nanopora u širokom spektru voltaža i uslova. Takozvani „zapetljani“ događaji, kad je više od jedne deonice DNK istovremeno zauzimalo poru, javljali su se mnogo češće nego što je teorija čvorova mogla da objasni.

Ovi događaji su postajali još češći kad se voltaža povećavala i lanci DNK postajali duži. Ovaj obrazac je sugerisao da je na delu neka druga sila.

Istraživači su otkrili da uvijanje dolazi od elektroosmotskog toka, kretanja vode usled električnih polja unutar nanopore. Dok voda protiče pored DNK, primenjuje silu obrtanja na spiralni molekul. Ovaj obrtni moment putuje duž lanca, uzrokujući da se delovi izvan pore uviju u plektoneme.

Za razliku od čvorova, koji se zatežu pod vučnim silama i obično brzo nestaju, plektoneme mogu porasti i ostati prisutne tokom celog procesa translokacije. Kompjuterske simulacije koje su primenile realistične sile i obrtne momente potvrdile su ovo ponašanje i pokazale da formiranje plektonema zavisi od sposobnosti DNK da prenese uvijanje po svojoj dužini.

Blokiranje uvijanja potvrđuje otkriće

Radi daljeg testiranja ideje, kreirana je "zarezana" DNK, lanci prekinuti na specifičnim tačkama. Ovi prekidi su sprečavali uvijanje da se širi duž molekula i oštro redukovali formiranje plektonema.

Ovaj rezultat je potvrdio da je širenje uvijanja bitno za proces. Takođe ukazuje na nove načine kako bi se nanopore mogle koristiti za detekciju oštećenja DNK, pošto prekidi u lancu ometaju uvijanje.

"Ono što je zaista moćno jeste da sad možemo razlikovati čvorove i plektoneme u signalu nanopore na osnovu toga koliko dugo traju", kažu autori studije. "Čvorovi prolaze brzo, dok se plektoneme zadržavaju i stvaraju produžene signale. Ovo otvara put ka bogatijim, preciznijim očitavanjima organizacije DNK, integriteta genoma i možda oštećenja".

Ova otkrića idu dalje od detekcije nanoporama. U živim ćelijama, DNK se redovno uvija i zapetljava dok enzimi deluju na nju, a i čvorovi i plektoneme igraju važnu ulogu u organizaciji i stabilnosti genoma. Razumevanje kako se ove strukture formiraju moglo bi poboljšati modele ponašanja ćelijske DNK.

Za dijagnostiku i biosenzore, sposobnost detekcije ili kontrole uvijanja DNK mogla bi dovesti do osetljivijih instrumenata sposobnih da identifikuju suptilne genetske promene i rane znake oštećenja DNK u vezi sa bolešću.

"Iz perspektive nanotehnologije, istraživanje naglašava moć nanopora, ne samo kao sofisticiranih senzora, već i kao alata za manipulisanje biopolimerima na nove načine", zaključuju istraživači.

(Telegraf Nauka/Science Daily)