Впервые учёные стали свидетелями того момента, когда ДНК начинает раскручиваться, что является необходимым молекулярным событием для того, чтобы ДНК стала молекулой, кодирующей всё живое. Новое исследование, проведённое в Университете науки и технологий имени короля Абдаллы (KAUST), опубликованное в Nature, фиксирует момент, когда ДНК начинает раскручиваться, что позволяет произойти всем последующим событиям при репликации ДНК.
Это прямое наблюдение проливает свет на фундаментальные механизмы, которые позволяют клеткам точно копировать свой генетический материал, что является основой роста и размножения. Используя криоэлектронную микроскопию и глубокое обучение для наблюдения за тем, как хеликаза крупного опухолевого антигена вируса 40 обезьян взаимодействует с ДНК, лаборатории доцента KAUST Альфредо Де Биасио и профессора Самира Хамдана предоставили наиболее подробное описание самых первых этапов репликации ДНК: 15 атомных состояний, описывающих, как фермент хеликаза заставляет ДНК раскручиваться.
Это достижение является не только важной вехой в исследовании хеликаз, но и важной вехой в наблюдении за динамикой любого фермента с атомным разрешением. Хотя учёные давно знают о важности геликазы в репликации ДНК, ранее они не знали, как ДНК, геликазы и АТФ работают вместе в скоординированном цикле, чтобы раскручивать ДНК. Когда Уотсон и Крик в 1953 году сообщили о двойной спирали, они предоставили научному сообществу революционное понимание того, как хранится и копируется генетическая информация. Чтобы ДНК могла реплицироваться, спираль должна сначала раскрутиться и разорвать двойную цепь ДНК на две одинарные цепи.
При связывании геликазы расплавляют ДНК, разрывая химические связи, удерживающие двойную спираль. Затем они разъединяют две нити, позволяя другим ферментам завершить репликацию. Без этого первого этапа ДНК не может быть реплицирована. Таким образом, геликазы — это машины или, из-за их размера, наномашины. Если геликазы — это наномашины, то "АТФ", или аденозинтрифосфат, — это топливо. Подобно тому, как сжигание бензина приводит в движение поршни автомобильного двигателя, сжигание АТФ, того же топлива, которое используется для сокращения ваших мышц, заставляет шесть поршней геликазы раскручивать ДНК.
Научная работа показала, что по мере расходования АТФ снижаются физические ограничения, которые позволяют геликазе продвигаться вдоль ДНК, всё больше и больше разматывая двойную спираль. Таким образом, расходование АТФ действует как переключатель, который увеличивает количество энтропии — или беспорядка — в системе, позволяя геликазе двигаться вдоль ДНК.
Хеликаза использует АТФ не для того, чтобы разорвать ДНК одним движением, а для циклических конформационных изменений, которые постепенно дестабилизируют и разделяют нити. Расщепление АТФ, или гидролиз, действует как пружина в мышеловке, толкая хеликазу вперёд и разрывая нити ДНК.
Альфредо Де Биасио Де Биасио, доцент KAUST
Среди множества открытий, сделанных учёными KAUST, было и то, что две геликазы одновременно расплавляют ДНК в двух местах, чтобы инициировать раскручивание. Химические свойства ДНК таковы, что наномашины перемещаются вдоль одной нити ДНК только в одном направлении. Связываясь одновременно в двух местах, геликазы координируют свои действия таким образом, что раскручивание может происходить в обоих направлениях с энергетической эффективностью, уникальной для природных наномашин. Эта эффективность, объясняет Де Биазио, делает изучение репликации ДНК не просто попыткой ответить на самые фундаментальные научные вопросы о жизни, но и делает геликазы моделями для разработки новых нанотехнологий.
С точки зрения конструкции, геликазы являются примером энергоэффективных механических систем. Созданные нанороботы, использующие энтропийные переключатели, могли бы использовать аналогичные энергоэффективные механизмы для выполнения сложных задач, связанных с силой.
Альфредо Де Биасио Де Биасио, доцент KAUST
"Фабрика лунных технологий" Google создаёт новый интернет с помощью чипа размером с ноготь.
Фото и видео: Taha Shahid et al
Обсуждение ( 0 ) Посмотреть все