Исследователи из Европы однозначно определили, что происходит с молекулой ДНК при ее растяжении до предела прочности – этот вопрос интересовал биохимиков десятки лет.

Информация о процессах, протекающих при растяжении ДНК весьма важна, так как в процессах репликации, репарации и транскрипции ДНК клетки подвергается многочисленным механическим воздействиям. Информация о эластичных свойствах ДНК может снабдить исследователей новой информацией об особенностях взаимодействия ДНК с белками-ферментами, управляющими протеканием этих процессов.

Почти два десятилетия назад было показано, что при растяжении молекулы двуспиральной ДНК с ней происходит необычное превращение. Первоначально молекула сопротивляется растяжению. При приложении силы со значением 65 пиконьютон биомолекула растягивается до длины, в 1,7 раз превышающей исходную длину, после чего вновь продолжает сопротивляться растяжению уже вплоть до разрыва.

Для объяснения наблюдаемых явлений было предложено две гипотезы. Первая заключается в том, что молекула ДНК остается неповрежденной, а при нагрузке 65 пН расплетается, сохраняя двуспиральное строение. Вторая гипотеза заключается в том, что механическое усилие приводит к плавлению двуспиральной ДНК (разрыву водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями) и переходу ДНК из дву- в односпиральное состояние.

Эрвин Петерман (Erwin Peterman) с коллегами из Нидерландов, Франции и Швеции определил, какая из гипотез верна. Исследователи воспроизвели эксперимент по растяжению нити ДНК, прикрепив 5’ и 3’-концы двуспиральной ДНК к бусинам из полистирола, сами бусины могут перемещаться с контролируемой силой натяжения нити при помощи системы лазеров – оптических щипцов.

Методика Петермана отличалась от ранее проведенных экспериментов по растяжению ДНК тем, что в систему было введено две флуоресцентные метки, одна из которых селективно связывается с односпиральной ДНК, а другая – с двуспиральной. Эти метки позволяют однозначно определить, сохраняет ли при растяжении ДНК двуспиральное строение или все же происходит разрыв водородных связей между парами А-Т и Г-Ц.

Растянутая до предела нить ДНК с флуоресцентными метками

Эксперименты Петермана продемонстрировали, что при натяжении ДНК постепенно происходит распаривание двуспиральной ДНК, которое, к тому же, происходит с обоих концов цепи, к которым прикладывается механическая нагрузка. Таким образом, эксперименты подтвердили, что правильной является вторая гипотеза, и при механической нагрузке двуспиральная ДНК превращается в односпиральную, длина которой на 70% больше длины исходной двуспиральной.