Неожиданный вывод об аномальных конформационных состояниях молекул ДНК на поверхности заряженных мономолекулярных пленок и их фундаментальных отличиях от строго периодической конформации двойной спирали в объеме раствора сделан в работе, выполненной совместно учеными из РФ и США, пятеро из которых являются выпускниками МФТИ. Работа опубликована в NanoMicroLetters.
Конформация полимера — устойчивая конфигурация пространственного расположения атомов его цепи. Из нескольких конформаций молекулы наследственности ДНК наиболее известна так называемая В-форма — правозакрученная двойная спираль с шагом 3,4 нм и диаметром 2 нм, в которой плоскости азотистых оснований (А,Т,Г,Ц) перпендикулярны оси спирали и находятся на расстоянии стэкинга (~0,34 нм). Про ДНК также известно, что она является одним из самых жестких линейно-цепочечных полимеров. Из-за большой изгибной жесткости механические свойства молекул ДНК для слабых и умеренных изгибных моментов хорошо интерпретируются в рамках простой механической модели червеобразной цепи (WLC модель). Данная модель рассматривает короткий сегмент ДНК как однородный изгибный стержень, подчиняющийся закону Гука, то есть с линейной зависимостью между приложенным внешним изгибным моментом и вызываемым им изгибом. Справедливость WLC модели была подтверждена для огромного массива экспериментальных данных, полученных в объеме раствора in vivo и in vitro, и для них она давно стала канонической. С другой стороны, за последние два десятилетия получила развитие нелинейная механика ДНК, соответствующая области очень больших внешних сил. С этой целью используются микроманипуляции с единичными молекулами ДНК с помощью лазерных пинцетов (твизеров), за изобретение которых и их применение для изучения механических свойств биомолекул Артуру Эшкину была вручена Нобелевская премия в 2018 году.
Большая изгибная жесткость молекул ДНК обеспечивает большой латеральный размер двумерных конформаций при адсорбции на поверхность, который необходим для проведения микроскопических наблюдений с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ). В методе АСМ поверхность образца сканируется острыми зондами с радиусом кривизны на конце ~10 нм, а минимальный размер визуализируемых деталей (пространственное разрешение) составляет нескольких нанометров. Для наблюдения с помощью АСМ ДНК адсорбируется из раствора на атомарно-гладкие поверхности слюды или графита, покрытые пленками толщиной ~1 нм, образуемыми положительно заряженными веществами-модификаторами (ДНК имеет отрицательный заряд в растворе). До сих пор по умолчанию считалось, что адсорбция на такие поверхности приводит лишь к некоторой компрессии двойной спирали ДНК вертикально направленными силами притяжения, а конформация B-формы сохраняется интактной. Такое рассмотрение игнорирует тангенциальные (направленные вдоль поверхности) электростатические силы, обусловленные неравномерностью распределения поверхностного заряда в положительно заряженных пленках-модификаторах (рис. 1a). Оно исходит из идеализированных представлений о равномерно заряженной поверхности, когда латеральные боковые силы по обе стороны от нити ДНК уравновешены (рис. 1b).
«Мы показали, что именно эти упущенные из рассмотрения латеральные силы оказывают сильнейшее влияние на структуру ДНК в наномасштабе. Они появляются из-за того, что положительно заряженные молекулы модификаторов сами по себе имеют линейный размер, превышающий диаметр ДНК, причем заряд сосредоточен на концах молекул. В молекулярном масштабе эти силы огромны и делают состояние ДНК внутренне сильно перенапряженным, что и приводит к многочисленным радикальным конформационным перестройкам. Такая экстремальная структурная реорганизация оказывается совершенно неожиданной и контринтуитивной в рамках представлений о ДНК как жесткой полимерной цепи. Как следствие, конформация ДНК становится перенасыщенной структурными аномалиями, что фундаментально отличает ее от всех ранее изученных конформаций», — говорит Валерий Прохоров, один из соавторов работы, предложивший идею интерпретации.
Схематика изгибных конформационных аномалий ДНК на поверхности. (a) Появление изгибности ДНК в наномасштабе за счет несбалансированности сил притяжения (разная длина красных стрелок) между ДНК и ближайшими поверхностными зарядами. Характерное расстояние между зарядами s больше, чем диаметр ДНК (s > dDNA). (b) Компенсация боковых латеральных сил на равномерно заряженной поверхности (s << dDNA). (c) АСМ изображения аномально изгибной ДНК на поверхности положительно заряженной пленки модификатора графита. (d) ДНК с плавными контурами на поверхности слюды. (e) Схема появления сверхкритической изгибности ДНК в наномасштабе за счет действия латеральных сил, обусловленных взаимодействием с одномерным периодическим распределением заряда в ламеллярном подслое двухслойной пленки модификатора. (f) Качественное различие слабо и умеренно изогнутых конформаций ДНК в объеме раствора и намотанной на нуклеосому, и кинковых ДНК конформаций на ламеллярных поверхностях с одномерно-периодическим распределением заряда. Иллюстрация предоставлена Валерием Прохоровым.
До сих пор микроскопия молекул ДНК на поверхности сводилась к достаточно тривиальным измерениям размера их двумерных конформаций, из которых определялась и сравнивалась с полученными другими методами персистентная длина ДНК — единственный параметр WLC модели, количественно характеризующий гибкость полимерной цепи (*). Измерения в наномасштабе считались малоинтересными. Феноменологически были выявлены два типа двумерных поверхностных конформаций (рис. 1 c, d). На поверхности слабо заряженной слюды (рис. 1d) ДНК имеет плавные контуры, что соответствует ожиданиям для жестко-цепочечного полимера. В более компактных, так называемых «проекционных» конформациях, наблюдающихся на поверхности пленок-модификаторов, дополнительно присутствуют многочисленные сильные локальные изгибы в масштабе ~10 нм (рис. 1c), неожиданные для жестко-цепочечной ДНК. Мы обратили внимание на то, что эти изгибы имеют аномально большую кривизну, свидетельствующую о том, что эти участки являются кинками. Конформация кинка (излома), в котором нарушается непрерывность регулярной спиральной структуры ДНК за счет локального разрыва в стэкинге соседних оснований, была введена в рассмотрение автором модели двойной спирали Криком еще в 1974 году.
Неожиданный экспериментальный вывод о наличии большого количества кинков был подкреплен общефизическим анализом и конкретными расчетами в рамках модели, схематически показанной на рис. 1e. В предложенной модели ДНК электростатически взаимодействует с одномерно-периодически заряженным ламеллярным подслоем пленки вещества-модификатора, формирующимся на границе с графитом. Модель предсказывает появление сверхкритического (кинкового) изгибного момента в ДНК (τ>30pNnm) при малых углах между нею и ламелями (рис. 1e, правая часть). Предложенная схема была расширена для включения в нее других (отличных от кинков) структурных аномалий, таких как глазки плавления, также наблюдавшихся на АСМ-изображениях и не имевших до сих пор разумного объяснения. При этом обнаруживается неожиданное перекрытие между механикой ДНК на поверхности, являющейся источником больших латеральных электростатических сил, и нелинейной механикой, в которой силы прилагаются к ДНК искусственно в микроманипуляциях с лазерными пинцетами. Полученные результаты открывают исследования в новой области сильно возмущенных поверхностных конформаций ДНК со сложной и очень богатой физикой и нелинейной механикой в ответ на действие ранее не предполагавшихся огромных (в молекулярном масштабе) латеральных сил. Разработка этой области потребует больших усилий теоретиков, молекулярного моделирования и новых АСМ-измерений экстра-разрешения, достаточного для визуализации отдельных нитей спиральной структуры ДНК. Качественные отличия в масштабе кинковых изгибов, для описания которых нужна нелинейная non-WLC механика, от изгибов ДНК, описывающихся стандартной WLC моделью, показаны на рис. 1f.
«Наша работа интересна еще и в другом контексте, — говорит Дмитрий Клинов, заведующий лабораторией медицинских нанотехнологий ФХМ ФМБА, доцент кафедры молекулярной и трансляционной медицины МФТИ, один из соавторов, впервые обративший внимание на неожиданные особенности АСМ-изображений ДНК на поверхности заряженных пленок. — Аномальные изгибы наблюдались на изображениях ДНК, полученных с достаточно хорошим разрешением, с самого начала использования АСМ для ее визуализации. Однако они не привлекали внимания исследователей и никак не комментировались. Благодаря разработанным нами ранее АСМ-зондам высокого разрешения нам удалось наблюдать ДНК с минимальной регистрируемой шириной близкой к 3 нм, что позволило увеличить точность определения кривизны изгибных участков ДНК и, главное, понять, что она превосходит критическую, соответствующую порогу образования кинков. Сейчас выясняется, что целый ряд важных в фундаментальном смысле и сложных физических явлений был просмотрен из-за некритичного использования стереотипа жесткой полимерной цепи ДНК и неприемлемой идеализации свойств поверхности, считавшейся равномерно заряженной».
Работа выполнялась при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Министерства образования и науки РФ.
(*) Персистентная длина линейно-цепочечного полимера соответствует длине сегмента полимерной цепи, приблизительно являющегося прямым в условиях постоянного изменения формы цепи из-за теплового движения. Персистентная длина жестко-цепочечной ДНК равна ~50 нм и составляет величину ~1 нм для гибко-цепочечных полимеров типа полиэтилена. / А. Ю. Гросберг, А. Р. Хохлов, Статистическая физика макромолекул. М.: Наука, 1989.
