«Люди, изучающие физику полимеров, предполагают, что узлы могут заклинивать, но не было хороших модельных систем, чтобы проверить это», — говорит Патрик Дойл, профессор химической инженерии Роберта Т. Хаслама и старший автор исследования. . «Мы показали, что один и тот же узел может превратиться из зажатого в подвижный по одной и той же молекуле. Вы меняете условия, и он внезапно останавливается, а затем меняете их снова, и он внезапно перемещается».Полученные данные могут помочь исследователям разработать способы развязать узлы ДНК, которые помогут повысить точность некоторых технологий секвенирования генома или способствовать образованию узлов. По словам исследователей, индуцирование образования узлов может улучшить некоторые типы секвенирования, замедляя прохождение молекул ДНК через систему.
Постдок из Массачусетского технологического института Александр Клотц — первый автор статьи, опубликованной 3 мая в Physical Review Letters.Узлы в движенииДойл и его ученики много лет изучали физику полимерных узлов, таких как ДНК. ДНК хорошо подходит для таких исследований, потому что это относительно большая молекула, что упрощает получение изображений с помощью микроскопа, и ее можно легко вызвать с образованием узлов.
«У нас есть механизм, который заставляет молекулы ДНК коллапсировать в крошечный шар, который, когда мы растягиваемся, содержит очень большие узлы», — говорит Клотц. «Это все равно, что засунуть наушники в карман и вытащить их завязанными узлами».Как только узлы образуются, исследователи могут изучать их, используя специальную микрофлюидную систему, которую они разработали. Канал имеет форму буквы T, с электрическим полем, которое расходится в верхней части буквы T. Молекула ДНК, расположенная в верхней части буквы T, будет одинаково притягиваться к каждому плечу, заставляя ее оставаться на месте.
Команда Массачусетского технологического института обнаружила, что они могут управлять узлами в этих прикрепленных молекулах ДНК, изменяя силу электрического поля. Когда поле слабое, узлы стремятся двигаться вдоль молекулы к ее более близкому концу. Когда они доходят до конца, они распадаются.«Когда напряжение не слишком велико, они выглядят так, как будто перемещаются беспорядочно.
Но если вы наблюдаете за ними достаточно долго, они имеют тенденцию двигаться в одном направлении, к ближайшему концу молекулы», — говорит Клотц.Когда поле становится сильнее, заставляя ДНК полностью растягиваться, узлы застревают на месте. По словам исследователей, это явление похоже на то, что происходит с узлом в ожерелье из бус, когда ожерелье затягивается сильнее.
Когда ожерелье ослаблено, узел может двигаться по нему, но когда он затянут, бусинки ожерелья сближаются, и узел застревает.«Когда вы затягиваете узел, сильнее растягивая молекулу ДНК, это сближает нити друг с другом, и это усиливает трение», — говорит Клотц. «Это может подавить движущую силу, вызванную электрическим полем».
Удаление узлаУзлы ДНК также встречаются в живых клетках, но в клетках есть специальные ферменты, называемые топоизомеразами, которые могут распутывать такие узлы.
Выводы команды Массачусетского технологического института предлагают возможный способ относительно легко удалить узлы из ДНК вне клеток, применяя электрическое поле до тех пор, пока узлы не пройдут весь путь до конца молекулы.Это может быть полезно для типа секвенирования ДНК, известного как наноканальное картирование, которое включает растягивание ДНК вдоль узкой трубки и измерение расстояния между двумя генетическими последовательностями. Этот метод используется для выявления крупномасштабных изменений генома, таких как дупликация генов или перемещение генов с одной хромосомы на другую, но узлы в ДНК могут затруднить получение точных данных.
Для другого типа секвенирования ДНК, известного как секвенирование нанопор, может быть полезно вызвать узлы в ДНК, потому что узлы заставляют молекулы замедляться по мере их прохождения через секвенатор. Это может помочь исследователям получить более точную информацию о последовательности.Использование этого подхода для удаления узлов с других типов полимеров, таких как те, которые используются для изготовления пластмасс, также может быть полезным, потому что узлы могут ослабить материалы.
В настоящее время исследователи изучают другие явления, связанные с узлами, включая процесс развязывания более сложных узлов, чем те, которые они изучали в этой статье, а также взаимодействия между двумя узлами в молекуле.Исследование финансировалось Национальным научным фондом и Национальным исследовательским фондом Сингапура через Singapore MIT Alliance for Research and Technology.