Знакова подвійна спіраль ДНК, акуратно закручена навколо себе, справляє враження простого та впорядкованого коду нашої генетики. Насправді ДНК неймовірно динамічна, постійно скручується, згинається та відновлюється крихітними білками. Зафіксувати ці рухи, які відбуваються на масштабах менше мільярдної частки метра (англострому), давно було серйозною проблемою в молекулярній біології.
Тепер дослідники з Університету Іллінойсу в Урбана-Шампейн зробили великий крок вперед, розробивши дві проривні методи, які дозволяють їм спостерігати та навіть маніпулювати рухом ДНК у безпрецедентних деталях. Ці досягнення відкривають нові можливості для розуміння того, як функціонує ДНК, від її ролі в таких захворюваннях, як рак, до розробки нових медикаментозних методів лікування.
Нанокамера: Візуалізація руху з атомарною точністю
Перший прорив стосується «камери ДНК», побудованої з одного шару графену, матеріалу товщиною всього в один атом. Цей метод під назвою GETvNA (перехідне посилення ближнього поля, кероване графеном) був спочатку розроблений дослідниками лабораторії Тіннефельда в Університеті Людвіга Максимайза в Мюнхені. Він використовує той факт, що молекули ДНК стоять вертикально на графенових поверхнях, нагадуючи маленькі прапорці, що майорять на нанорозмірному вітрі.
Таке вертикальне розташування дозволяє виявити тонкі структурні зміни в ДНК під час її руху. Команда Аксиментьєва створила цей фундамент, використовуючи передові обчислювальні моделі для вивчення атомних деталей того, як працює GETvNA.
Система забезпечує субангстремну роздільну здатність і фіксує події в режимі реального часу, що є критично важливим для спостереження за такими процесами, як відновлення пошкоджень ДНК або переміщення білків уздовж її довжини. Ця точність перевищує можливості традиційних мікроскопів, дозволяючи розшифрувати хореографію молекул всередині живих клітин.
Подальші спостереження: Контроль руху ДНК
Але побачити не завжди достатньо. Що, якби дослідники також могли контролювати, куди поділася ДНК? Ця функція відкриває двері для сортування та маніпулювання окремими потоками, а також створення примітивних «молекулярних машин». Команда Аксиментьєва виявила, що гексагональний азот бору (hBN), ще один двовимірний матеріал, можна використовувати для спрямування одноланцюгової ДНК по певних траєкторіях.
Ці шляхи утворюються природними «драбинами» на поверхні hBN — крихітними дефектами, які створюють наноканали для біомолекул. Команда виявила, що хоча спочатку передбачуваний рух був набагато швидшим, на практиці молекули ДНК значно сповільнювалися при зустрічі з цими дефектами. Це несподіване відкриття, прояснене за допомогою складного обчислювального аналізу, показало, як атомні недоліки на поверхні hBN діють як часові пастки, дозволяючи дослідникам точно контролювати рух ДНК.
Вплив і перспективи: нова ера молекулярної точності
Ці спільні досягнення мають значні наслідки для різних сфер:
- Біомедичні дослідження: Можливість відстежувати окремі молекули ДНК, які взаємодіють з білками в режимі реального часу, може змінити наше розуміння таких захворювань, як рак, коли ці взаємодії часто порушуються. Він також забезпечує безпрецедентну платформу для тестування та розробки нових ліків, спрямованих на ці конкретні молекулярні події.
- Біосенсори: Точний контроль руху ДНК прокладає шлях до високочутливих біосенсорів, здатних виявляти невеликі кількості біомолекул, із застосуванням у діагностиці хвороб і моніторингу навколишнього середовища.
Доступність GETvNA, для якої потрібен лише стандартний флуоресцентний мікроскоп, є особливо новаторською. Це демократизує доступ до цього рівня молекулярної деталізації, дозволяючи дослідникам у всьому світі проводити дослідження з високою роздільною здатністю без необхідності дорогого спеціалізованого обладнання.
Аксиментьєв і його команда продовжують досліджувати складні деталі руху ДНК на двовимірних поверхнях. Їхня майбутня робота зосереджена на розумінні того, як ДНК поводиться протягом більш тривалого періоду часу — від мілісекунд до секунд — з використанням передових обчислювальних моделей для подолання розриву між атомним моделюванням і реальними спостереженнями.
Ці інновації демонструють, як фундаментальні дослідження в поєднанні з потужними обчислювальними інструментами можуть відкрити нові вікна в складність життя на найпростішому рівні. Здатність не тільки бачити, але й керувати рухами ДНК відкриває шлях до проривів у медицині, матеріалознавстві та розумінні самої суті життя.
