Ikoniczna podwójna helisa DNA, starannie owinięta wokół siebie, sprawia wrażenie prostego i uporządkowanego kodu naszej genetyki. W rzeczywistości DNA jest niezwykle dynamiczne, stale się skręca, zgina i jest naprawiane przez maleńkie białka. Uchwycenie tych ruchów, które zachodzą w skalach mniejszych niż jedna miliardowa metra (Anglostrom), od dawna stanowi główne wyzwanie w biologii molekularnej.
Teraz naukowcy z Uniwersytetu Illinois w Urbana-Champaign zrobili duży krok naprzód, opracowując dwie przełomowe techniki, które pozwalają im obserwować, a nawet manipulować ruchem DNA z niespotykaną dotąd szczegółowością. Postępy te otwierają nowe możliwości zrozumienia funkcjonowania DNA, począwszy od jego roli w chorobach takich jak rak, po rozwój nowych terapii lekowych.
Nanokamera: wizualizacja ruchu z atomową precyzją
Pierwszym przełomem jest „komora DNA” zbudowana z pojedynczej warstwy grafenu – materiału o grubości zaledwie jednego atomu. Metoda ta, zwana GETvNA (ang. graphene-guided Transient Near Field Amplification), została pierwotnie opracowana przez naukowców z laboratorium Tinnefeld na Uniwersytecie Ludwigs Maximize w Monachium. Wykorzystuje fakt, że cząsteczki DNA stoją pionowo na powierzchniach grafenu, przypominając małe flagi trzepoczące na wietrze w nanoskali.
To pionowe ustawienie umożliwia wykrycie subtelnych zmian strukturalnych w DNA podczas jego ruchu. Zespół Aksimentyeva oparł się na tym fundamencie, wykorzystując zaawansowane modele obliczeniowe do badania atomowych szczegółów działania GETvNA.
System zapewnia rozdzielczość poniżej angstremów i rejestruje zdarzenia w czasie rzeczywistym – co ma kluczowe znaczenie dla obserwacji takich procesów, jak naprawa uszkodzeń DNA czy ruch białek na całej długości. Ta precyzja przekracza możliwości tradycyjnych mikroskopów, umożliwiając rozszyfrowanie choreografii cząsteczek wewnątrz żywych komórek.
Dalsze obserwacje: kontrolowanie ruchu DNA
Ale nie zawsze wystarczy zobaczyć. Co by było, gdyby badacze mogli również kontrolować, dokąd trafia DNA? Ta funkcjonalność otwiera drzwi do sortowania i manipulowania pojedynczymi wątkami, a także budowania prymitywnych „maszyn molekularnych”. Zespół Aksimentyeva odkrył, że heksagonalny azot boru (hBN), kolejny dwuwymiarowy materiał, można wykorzystać do prowadzenia jednoniciowego DNA wzdłuż określonych trajektorii.
Ścieżki te tworzone są przez naturalne „drabinki” na powierzchni hBN – maleńkie defekty, które tworzą nanokanały dla biomolekuł. Zespół odkrył, że chociaż pierwotnie przewidywany ruch był znacznie szybszy, w praktyce cząsteczki DNA znacznie spowalniały w przypadku napotkania tych defektów. To nieoczekiwane odkrycie, wyjaśnione dzięki wyrafinowanym analizom obliczeniowym, ujawniło, w jaki sposób niedoskonałości atomowe na powierzchni hBN działają jak pułapki czasowe, umożliwiając badaczom precyzyjną kontrolę ruchu DNA.
Wpływ i perspektywy: nowa era precyzji molekularnej
Te połączone przełomy mają znaczące implikacje dla różnych obszarów:
- Badania biomedyczne: możliwość śledzenia w czasie rzeczywistym poszczególnych cząsteczek DNA wchodzących w interakcje z białkami może zrewolucjonizować naszą wiedzę na temat chorób takich jak rak, w przypadku których interakcje te są często zakłócane. Zapewnia także bezprecedensową platformę do testowania i opracowywania nowych leków ukierunkowanych na te konkretne zdarzenia molekularne.
- Biosensory: Precyzyjna kontrola ruchu DNA toruje drogę dla bardzo czułych biosensorów zdolnych do wykrywania niewielkich ilości biomolekuł, mających zastosowanie w diagnostyce chorób i monitorowaniu środowiska.
Dostępność GETvNA – wymagająca jedynie standardowego mikroskopu fluorescencyjnego – jest szczególnie przełomowa. Demokratyzuje dostęp do tego poziomu szczegółów molekularnych, umożliwiając naukowcom na całym świecie prowadzenie badań o wysokiej rozdzielczości bez potrzeby stosowania drogiego, specjalistycznego sprzętu.
Aksimentyev i jego zespół nadal badają zawiłe szczegóły ruchu DNA na dwuwymiarowych powierzchniach. Ich przyszłe prace skupiają się na zrozumieniu, jak DNA zachowuje się w dłuższych skalach czasowych – od milisekund do sekund – przy użyciu zaawansowanych modeli obliczeniowych w celu wypełnienia luki między symulacjami atomowymi a obserwacjami w świecie rzeczywistym.
Innowacje te pokazują, jak badania podstawowe w połączeniu z potężnymi narzędziami obliczeniowymi mogą otworzyć nowe okno na złożoność życia na najbardziej podstawowym poziomie. Umiejętność nie tylko widzenia, ale i kierowania ruchami DNA otwiera drogę do przełomowych odkryć w medycynie, materiałoznawstwie i zrozumieniu samej istoty życia.
