Предложена простая модель кинетики гибридизации ДНК в отсутствие вторичной структуры

Умение предсказывать скорость гибридизации ДНК имеет фундаментальное значение для технологий, основанных на ДНК. Однако точные физические механизмы, определяющие, почему разные последовательности ДНК гибридизуются с разной скоростью, изучены недостаточно. Австралийские ученые предложили модель кинетики гибридизации ДНК в отсутствие вторичной структуры, которая использует всего два параметра.

Credit:
123rf.com

Исследователи из Австралии и Великобритании смоделировали кинетику гибридизации ДНК без влияния вторичной структуры на основе простой модели. Результаты и выводы опубликованы в журнале Nucleic Acids Research.

Полвека назад Дитмар Пёршке и Манфред Эйген предложили теорию, согласно которой скорость гибридизации нитей ДНК определяется первоначальным контактом небольшого числа нуклеотидов (так называемая стадия нуклеации), который запускает дальнейшее связывание последовательности комплементарных оснований на цепях ДНК. Однако до сих пор эта теория не была доказана экспериментально.

Модели in silico подтвердили, что для начала процесса достаточно очень короткого участка — около трех нуклеотидов. Но поскольку вариантов такого взаимодействия много, свободная энергия и скорость гибридизации определяется комбинацией и стабильностью взаимодействий. Гибридизацию также могут замедлить вторичные структуры в нити ДНК, такие как шпильки.

Авторы новой работы задались вопросом, можно ли предсказать скорость гибридизации ДНК, зная всего два параметра: сколько имеется событий нуклеации, то есть взаимодействий комплементарных участков длиной примерно 3 п.н., и насколько эти взаимодействия стабильны. Они получили математическую модель, включающую эти два параметра, которую они могли сравнивать с экспериментальными наблюдениями за гибридизацией синтетической ДНК.

Используя поверхностный плазмонный резонанс (SPR), исследователи измерили свободную энергию гибридизации и ее скорость для 43 нитей ДНК, различающихся по содержанию GC и уровню повторов, кгторые взаимодействовали с якорной молекулой ДНК, закрепленной на чипе. Все изучаемые последовательности практически не образовывали вторичных структур и обладали сходной свободной энергией в двунитевом состоянии. Таким образом, кинетика гибридизации зависела только от нуклеотидной последовательности.

Ранее было предсказано, что повторяющиеся последовательности ДНК гибридизуются быстрее, чем неповторяющиеся, и эксперимент это подтвердил. В целом авторы наблюдали довольно высокую корреляцию предсказаний модели с наблюдениями, хотя отметили и некоторые отклонения.

Авторы отмечают, что модель нельзя рассматривать как точное описание процесса гибридизации, но она подтверждает, что как комбинаторика сайтов связывания, так и стабильность этих сайтов важны для зависящих от последовательности скоростей гибридизации нитей ДНК in vitro.

Возможность предсказывать и контролировать скорость гибридизации ДНК не только улучшает наше понимание биологических систем: она необходима для нанотехнологий, использующих молекулы ДНК, — специфических зондов, методов доставки лекарств, технологий визуализапции

«Мы можем создавать изображения с высоким разрешением, используя DNA-PAINT — флуоресцентные нити ДНК, применяемые как метки для микроскопии, — потому что мы измеряем связывание и разъединение ДНК с отдельными молекулами, — говорит руководитель исследования Лоуренс Ли из Университета Нового Южного Уэльса. — Но сбор данных для этого может занять много времени. Если бы мы умели рационально спроектировать последовательности для ДНК-красителей, чтобы они связывались быстрее, мы могли бы ускорить получение изображений сверхвысокого разрешения».

Контролировать скорость взаимодействия цепей ДНК можно разными способами, в том числе путем изменения температуры реакции, последовательности ДНК и ионной силы раствора.

Источники

Sophie Hertel, et al. The stability and number of nucleating interactions determine DNA hybridization rates in the absence of secondary structure // Nucleic Acids Research, 2022, gkac590, DOI: 10.1093/nar/gkac590

Цитата по пресс-релизу

Добавить в избранное