Регуляцию работы генов и влияние различных веществ на реализацию генетической информации можно наблюдать с помощью единственной молекулы ДНК, растянутой с помощью инфракрасного лазера. Суть изобретения биологов из Аризонского университета (США) действительно лучше всего описывается сравнением со скакалкой. Два конца двуспиральной ДНК захватываются особыми оптическими пинцетами. Потом молекула ДНК начинает вибрировать. Вибрация прекращается, когда на молекулу садится какой-нибудь белок. А теперь подробнее. В клетке ДНК взаимодействует с великим множеством белков, и в каждом случае успешность этой процедуры зависит от нескольких факторов. Белки имеют сайты узнавания нуклеиновой кислоты, а на самой ДНК есть «посадочные площадки» — специальные последовательности нуклеотидов, которые «любимы» теми или иными белками. Наконец, существуют стереохимические условия — грубо говоря, пространственные параметры молекул, их форма и размеры. Двуспиральную молекулу ДНК можно уподобить относительно эластичному шнуру. Если попробовать потянуть сразу за оба конца ДНК, молекула растянется, но при этом белки перестанут прочно с ней связываться.
Схема работы устройства по растягиванию ДНК (иллюстрация авторов исследования).
Чтобы ухватиться за концы ДНК, исследователи использовали так называемые оптические пинцеты. Оптический пинцет — это луч инфракрасного лазера, захватывающий и удерживающий крохотные частицы, которые более чем в десять раз меньше диаметра человеческого волоса. Вот к такому шарику и прикреплялся один конец ДНК, после чего шарик захватывался лазером. Затем на свободный конец ДНК учёные «ловили» второй шарик и тоже фиксировали лазером. Чтобы выяснить, успешно ли ДНК закреплена между двумя шариками, пинцет с одним шариком заставляли вибрировать, и, если ДНК была натянута, второму эти вибрации передавались.
Соорудив молекулярную «скакалку», учёные приближали натянутую нить ДНК к белку РНК-полимеразе, который синтезирует матричную РНК на молекуле ДНК при транскрипции. Взаимодействуя с ДНК, он расплетает двойную спираль, освобождая одну из цепей ДНК для считывания генетического кода.
РНК-полимераза в эксперименте была жёстко закреплена, поэтому, когда белок и ДНК взаимодействовали, это можно было определить: колебания не передавались с шарика на шарик по натянутой нити. Но затем учёным пришла в голову идея натянуть ДНК посильнее. Сила, прикладываемая к ДНК, варьировалась от 1 до 12 пиконьютонов, что, образно говоря, в 50 000 раз меньше, чем вес крупинки соли. В какой-то момент РНК-полимераза переставала распознавать молекулу ДНК, и передаче колебаний с одного конца ДНК на другой ничего не мешало.
Результаты работы американских исследователей опубликованы в издании Biophysical Journal.
Есть ли подобный механизм регуляции активности генов в живой клетке? Трудно сказать. По словам учёных, в литературе описан только один случай прикрепления ДНК к клеточной мембране, и гены, заключённые в этих участках ДНК, были неактивны. Зато, говорят они, это может быть удобным инструментом для манипуляции с генами в лабораторных условиях: если требуется в гипотетической системе включить один ген и выключить другой, то нужно просто натянуть посильнее одну «скакалку» и ослабить другую. Таким же образом можно анализировать способность различных веществ к взаимодействию с сотнями и тысячами генов.