Хиральная водная надстройка ДНК: новое открытие в молекулярной биологии
Структура двойной спирали ДНК давно стала одним из самых узнаваемых научных образов. Однако недавнее исследование Петерсена и его коллег приоткрыло завесу над ранее скрытой структурой, расположенной непосредственно на поверхности молекулы ДНК хиральной спиральной надстройкой из молекул воды.
Прорыв в визуализации гидратной оболочки
Используя нелинейную оптическую спектроскопию второго порядка, исследователи смогли впервые наблюдать коллективную ориентацию водных молекул вокруг ДНК. Согласно полученным данным, молекулы воды формируют правозакрученную спираль, которая точно повторяет очертания малой бороздки двойной спирали ДНК.
Это достижение представляет собой первое наблюдение хиральной водной структуры в естественных условиях и открывает новую страницу в экспериментальном изучении гидратации ДНК.
Исторический контекст исследований
Ещё в 1980-х годах рентгеноструктурный анализ кристаллов показал, что молекулы воды в гидратной оболочке ДНК ведут себя по-разному, что стало первым указанием на упорядоченное расположение воды вокруг генетического материала. Последующие эксперименты с использованием ядерного магнитного резонанса выявили так называемый «шип гидратации» – высокоорганизованные водные молекулы в малой бороздке ДНК с временем удержания около нескольких сотен пикосекунд.
Тем не менее, до настоящего момента гидратированные молекулы воды не удавалось наблюдать оптическими методами в обычных условиях. Основное препятствие заключалось в значительно большем количестве молекул воды в объёмном растворе, которые создавали мощный фоновый сигнал.
Инновационный метод исследования
Для преодоления этой проблемы Петерсен и его команда применили спектроскопию генерации суммарной частоты киральных колебаний (SFG). Ключевые преимущества этого метода:
Отсутствие необходимости в метках. Хиральная SFG не требует использования спектроскопических маркеров, способных повредить исследуемый образец.
Высокая чувствительность. Нелинейный хиральный подход обеспечивает значительно более высокую чувствительность по сравнению с традиционными линейными оптическими методами, такими как круговой дихроизм.
Селективность. В дипольном приближении хиральный SFG-сигнал второго порядка формируется благодаря электрическому дипольному отклику, описываемому тензором третьего ранга, что позволяет определять структурную хиральность с высокой точностью.
Именно эти характеристики стали ключом к успешному наблюдению хиральных водных структур вокруг ДНК.
Фундаментальная роль воды в структуре ДНК
Взаимосвязь между структурой ДНК и водным окружением была предсказана ещё Уотсоном и Криком в 1953 году при формулировании модели двойной спирали. При частичном обезвоживании классическая B-форма ДНК (с малой бороздкой около 7,3 Å и большой бороздкой приблизительно 15 Å) самопроизвольно трансформируется в менее распространённую A-форму с наклонёнными основаниями нуклеотидов и расширенной малой бороздкой.
Исследования на уровне отдельных молекул продемонстрировали, что стабильность двойной спирали возможна только при определённой силе водородных связей воды – не слишком слабых и не слишком сильных, находящихся в узком оптимальном диапазоне.
Возможность визуализации хиральных гидратированных структур с помощью хирального SFG в реальном времени открывает перспективы для исследования фундаментальной взаимозависимости между ДНК и структурами воды.
Биологическое значение открытия
Защита от повреждений
Молекулы воды, образующие спиральную надстройку вокруг двойной спирали ДНК, вероятно, участвуют в рассеивании энергии. Это играет защитную роль, предохраняя ДНК от избыточного тепла и фотоповреждений, вызванных ультрафиолетовым излучением.
Предыдущие исследования методом двумерной инфракрасной спектроскопии показали, что возбуждение фосфатного остова ДНК ослабляется через процессы передачи энергии с участием окружающих водных молекул. Поскольку хиральная гидратная оболочка остаётся невидимой для большинства спектроскопических методов из-за фонового сигнала от объёмной воды, сверхбыстрый динамический отклик этих молекул при перераспределении колебательной энергии до сих пор оставался малоизученным.
Распознавание и взаимодействие
Молекулы воды в хиральной надстройке играют критическую роль в сайт-специфическом распознавании ДНК. При взаимодействии с белками или другими молекулами эти водные структуры должны либо высвобождаться, либо становиться частью границы взаимодействия, внося вклад в энтальпию и энтропию активационного барьера.
Исследования показали, что связывание низкомолекулярных лекарственных препаратов опосредуется энтропийным ремоделированием упорядоченных молекул воды в малой бороздке ДНК. Кроме того, эпигенетические модификации, такие как метилирование цитозинов, могут изменять паттерны гидратации в большой бороздке.
Изменение формы ДНК при взаимодействии с белками, гистонами и крупными комплексами вроде CRISPR/Cas9 также включает перестройку водного окружения. Учитывая, что точность функционирования ДНК критична для эволюции биологического мира, способность характеризовать структуры и динамику хиральной воды должна стать плодотворной в раскрытии детальных механизмов передачи генетической информации.
Компьютерное моделирование и новые ограничения
Моделирование молекулярной динамики позволило получить представление о поведении неоднородной воды в гидратной оболочке ДНК. Симуляции демонстрируют три различные динамики воды в областях малой бороздки, большой бороздки и сахарофосфатного остова.
Множество исследований пришли к выводу, что топология поверхности ДНК является определяющим фактором динамики воды. Флуктуации в структурах ДНК, немного расширяющие пространство малой бороздки, могут действительно ускорять динамику воды, приближая её к свойствам объёмной воды.
Результаты работы Петерсена и его коллег могут наложить новые ограничения на будущие модели молекулярной динамики, повышая их точность и предсказательную способность.
Открытые вопросы и перспективы
Несмотря на значимость открытия, некоторые аспекты требуют дальнейшего изучения. Исследователи интерпретируют, что хиральный сигнал SFG происходит из малой бороздки, но не из большой бороздки или вод сахарофосфатного остова. Хотя эта интерпретация подтверждается компьютерным моделированием, она может потребовать дополнительной экспериментальной верификации.
Авторы предполагают, что хиральный шип гидратации присутствует независимо от нуклеотидной последовательности, однако, вероятно, существует специфичная для последовательности «тонкая структура». Будущие исследования могут прояснить, как формирование хиральной водной надстройки связано с конкретной последовательностью нуклеотидов. Эти результаты потенциально способны изменить современное понимание взаимодействий, специфичных для последовательности ДНК.
Заключение
Открытие хиральной водной надстройки вокруг ДНК представляет собой значительный прорыв в биофизике. Способность наблюдать упорядоченные водные структуры без использования меток и в естественных условиях открывает новые исследовательские горизонты в изучении динамики, структур и функций гидратированных молекул ДНК.
Неизбежно, что будущие биофизические исследования поднимут вопрос о биологической значимости связанных молекул воды на поверхностях биомолекул. Результаты этой работы подчёркивают центральное значение данной концепции для биофизических экспериментов и компьютерного моделирования, открывая путь к более глубокому пониманию молекулярных основ жизни.
источник pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.7b00229
Комментариев нет