Хиральная водная матрица ДНК

Структура двойной спирали ДНК максимально приближена в науке к бытовому бренду. Результаты, сообщенные Петерсеном и его сотрудниками, открывают новую структуру, скрытую прямо на поверхности ДНК: хиральную спиральную надстройку молекул воды ( рис. 1 ).
Авторы применили нелинейную оптическую спектроскопию второго порядка для наблюдения коллективной ориентации этих вод. Они предполагают, что ДНК формирует слабосвязанные молекулы воды в виде правой спирали, которая повторяет контуры малой бороздки ДНК. Полученные данные представляют собой первое наблюдение хиральной водной надстройки в условиях окружающей среды, знаменующее новую главу в экспериментальных исследованиях гидратной оболочки ДНК.

В 1980-х годах рентгеновские кристаллические структуры показали, что все воды в гидратной оболочке ДНК не ведут себя одинаково, что дает первый намек на неуплотненное упорядочение воды вокруг ДНК. Это исследование и более поздние эксперименты с ЯМР выявил «шип гидратации»: высокоупорядоченные молекулы воды в малой бороздке ДНК со временем пребывания в несколько сотен пикосекунд. Тем не менее, молекулы гидратированной воды не наблюдались с помощью оптических методов в условиях окружающей среды. Основная проблема возникает из-за гораздо большей популяции молекул воды в объемном растворе.

Для проведения наблюдений Петерсен и его сотрудники использовали спектроскопию генерации суммарной частоты киральных колебаний (SFG). Для хиральной SFG не требуются спектроскопические метки, которые могут повредить образец. Хотя обычный SFG уже давно используется для исследования структур и динамики на границах раздела, Хиральный SFG недавно стал мощным методом исследования хиральных биомакромолекул. В дипольном приближении киральный SFG-сигнал второго порядка возникает из электрического дипольного отклика, описываемого тензором третьего ранга (3 × 3 × 3). Следовательно, этот отклик наследует достаточные размеры и не зависит от относительно слабого магнитного диполя и / или электрического квадруполя для определения структурной хиральности. Таким образом, нелинейный хиральный SFG обеспечивает более высокую чувствительность, чем обычные линейные хиральные оптические методы (например, круговой дихроизм и оптическая активность комбинационного рассеяния). Это ключ к успеху Петерсена в наблюдении за хиральными водами ДНК.

Возможность наблюдать — без меток или вмешательства со стороны основной массы — хиральную спираль упорядоченных вод вокруг ДНК представляет новый исследовательский потенциал в динамике, структурах и функциях гидратированных молекул ДНК в реальном времени.

Когда Уотсон и Крик впервые предложили структуру двойной спирали в 1953 году, они уже предсказали тонкую взаимосвязь между структурой ДНК и водной средой. После частичного обезвоживания знаковая «В-форма» ДНК (с малой бороздкой ∼7,3 Å и большой бороздкой ∼15 Å) спонтанно превращается в менее распространенную «А-форму», которая имеет наклонные основания нуклеотидов и расширенная малая бороздка. Спектроскопия одиночных молекул показала, что двойная спираль возможна только в том случае, если водородные связи воды не являются ни слишком слабыми, ни слишком сильными, а находятся в некотором режиме «Златовласки».Возможность видеть хиральные гидратированные воды с помощью хирального SFG in situ и в реальном времени дает возможность исследовать фундаментальную зависимость ДНК и структур воды.

Молекулы воды, которые повторяют контуры двойной спирали ДНК, вероятно, участвуют в рассеянии энергии, играя роль в защите ДНК от избыточного тепла и УФ-фотоповреждений.

Молекулы воды в хиральной надстройке должны играть важную роль в сайт-специфическом распознавании ДНК. Эти молекулы воды должны высвободиться или стать частью границы взаимодействия, тем самым внося вклад в энтальпию и энтропию активационного барьера. Например, Pal et al. показали, что связывание низкомолекулярных лекарств опосредуется энтропийным ремоделированием «упорядоченных» молекул воды в малой бороздке ДНК. Более того, Mayer-Jung et al. получили кристаллические структуры, чтобы показать, что эпигенетические модификации (например, метилирование цитозинов) на ДНК могут изменять паттерны гидратации в большой бороздке. Кроме того, опосредованное белком изменение формы ДНК гистонами и другими крупными комплексами ДНК-белок, такими как CRISPR / Cas9, включает увлажнение воды вокруг ДНК. В целом эволюция нашего биологического мира зависит от точности функций ДНК. Способность характеризовать структуры и динамику хиральной воды в ДНК с помощью оптических методов должна оказаться плодотворной в раскрытии подробных механизмов, лежащих в основе биомолекулярных механизмов для распространения генетической информации.

Более того, фотоповреждение ДНК занимает центральное место в исследованиях рака. Предыдущие эксперименты по двумерной инфракрасной спектроскопии показали, что возбуждение фосфатной основы ДНК ослабляется за счет процессов передачи энергии с участием окружающих вод. Молекулы воды, которые повторяют контуры двойной спирали ДНК, вероятно, участвуют в рассеянии энергии, играя роль в защите ДНК от избыточного тепла и УФ-фотоповреждений. Поскольку хиральная гидратная оболочка вод невидима для большинства спектроскопических методов из-за огромного фона от объемных вод, сверхбыстрый динамический отклик этих вод во время перераспределения колебательной энергии остается почти неизученным. Следуя работе Петерсена и его сотрудников, значение хиральных водных сверхструктур для распространения колебательной энергии теперь может быть исследовано с помощью киральной SFG.

Компьютерное моделирование позволило понять динамику неоднородной воды в гидратной оболочке ДНК. Моделирование молекулярной динамики (МД) показывает три совершенно разных динамики воды в областях малой бороздки, большой бороздки и сахарно-фосфатной основной цепи. Несколько исследований пришли к выводу, что топология поверхности ДНК является определяющим фактором динамики воды. Колебания в структурах ДНК, которые немного расширяют коридор малой бороздки, действительно могут вызвать более быструю динамику воды (ближе к объемной воде). Выводы Петерсена и его сотрудников могут наложить новые ограничения на будущие модели МД.

Работа Петерсена и его сотрудников открывает множество исследовательских возможностей. Однако некоторые вопросы еще предстоит решить. Напр., Авт. Интерпретируют, что хиральный сигнал SFG возникает из малых, но не из больших бороздок или вод сахар-фосфатного остова. Эта интерпретация, хотя и поддерживается моделированием МД, может потребовать дальнейшей экспериментальной проверки. Более того, авторы предполагают, что хиральный шип гидратации будет присутствовать независимо от последовательности ДНК, но что скорее всего будет существовать специфичная для последовательности «тонкая структура». Дальнейшие исследования могут быть расширены, чтобы выяснить, как образование хиральной надстройки воды связано с нуклеотидной последовательностью. Результаты потенциально могут изменить парадигму нашего нынешнего понимания взаимодействий, специфичных для последовательности ДНК.

Мы считаем неизбежным, что будущие биофизические исследования поднимут вопрос о биологической значимости замкнутых вод на биомолекулярных поверхностях. Открытия, о которых сообщается в этом выпуске ACS Central Science, подчеркивают центральное значение этой концепции для биофизических экспериментов и моделирования.

источник pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.7b00229