Более 60 лет назад исследователи Крик и Ватсон определили структуру дезоксирибонуклеиновой кислоты, которая более известна как ДНК. Они сравнили двойную спираль с веревочной лестницей, скрученной в спираль. Ступени этой лестницы состояли из пар оснований гуанин / цитозин и тимин / аденин. Но что удерживает нити ДНК в этой спиральной структуре?
Специальная система измерения молекулярных взаимодействийПрофессор Хендрик Дитц с кафедры экспериментальной биофизики использует ДНК в качестве строительного материала для создания молекулярных структур. Следовательно, он очень заинтересован в том, чтобы лучше понять этот материал. «Есть два типа взаимодействий, которые стабилизируют двойные спирали», — объясняет он.
Во-первых, ДНК содержит водородные связи.С другой стороны, есть то, что эксперты называют силами стекирования пар оснований, которые действуют между сложенными парами оснований вдоль оси спирали.
С другой стороны, силы водородных связей действуют перпендикулярно оси. «Пока не совсем ясно, в какой степени каждая из этих двух сил способствует общей стабильности двойной спирали ДНК», — объясняет Дитц.Непосредственное измерение слабых сил суммирования между парами оснований было большой технической проблемой для исследователей, которые работали над этой проблемой в течение шести лет.
В сотрудничестве с кафедрой молекулярной биофизики ТУМ (проф. Матиас Риф) и кафедрой теоретической биофизики — биомолекулярной динамики (проф. Мартин Захариас) им удалось разработать специальную экспериментальную установку, которая теперь позволяет измерять чрезвычайно слабые контактные взаимодействия между отдельными молекулами.
Триллионная плитка шоколадаПроще говоря, измерительная система построена иерархически и включает микроскопические пучки, на концах которых расположены одна или несколько параллельных структур с двойной спиралью.
Они были модифицированы таким образом, что каждый конец несет одну пару оснований. Два из этих микроскопических лучей соединены гибким полимером.
С другой стороны, лучи соединены с микроскопическими сферами, которые можно раздвинуть с помощью оптического лазерного пинцета. В решении, пары оснований на конце одной из балок теперь могут взаимодействовать с парами оснований на конце другой балки.
Это также позволяет измерить, как долго длится стопочное соединение между ними, прежде чем они снова развалятся, а также силу, действующую между парами оснований.Измеренные исследователями силы находились в диапазоне пиконьютонов. «Ньютон — это вес плитки шоколада», — объясняет Дитц. «То, что мы имеем здесь, составляет тысячную миллиардной от этого, а это практически ничто». Сил в диапазоне двух пиконьютонов достаточно, чтобы разделить связь, создаваемую силами штабелирования.
Кроме того, ученые также заметили, что связи спонтанно разрываются и образуются снова всего за несколько миллисекунд. Сила и продолжительность взаимодействий в значительной степени зависят от того, какие пары оснований накладываются друг на друга.Создание машин ДНК
Результаты измерений могут помочь лучше понять механические аспекты фундаментальных биологических процессов, таких как репликация ДНК, то есть воспроизведение генетического материала. Например, короткая продолжительность взаимодействия стекирования может означать, что ферменту, которому поручено разделить пары оснований во время этого процесса, просто нужно дождаться, пока стэковые связи разорвутся сами по себе, вместо того, чтобы прилагать силу для их разделения.
Тем не менее, Дитц также намеревается применить данные непосредственно к своему текущему исследованию: он использует ДНК в качестве программируемого строительного материала для создания машин размером порядка нанометров. При этом он черпает вдохновение в сложных структурах, которые, например, могут могут быть найдены в клетках и, среди прочего, служат молекулярными «фабриками» для синтеза важных соединений, таких как АТФ, который накапливает энергию. «Теперь мы знаем, что было бы возможно, если бы мы могли просто построить достаточно сложные конструкции», — говорит Дитц. «Естественно, когда мы лучше понимаем свойства молекулярных взаимодействий, мы лучше можем работать с этими молекулами».
В настоящее время лаборатория строит молекулярный вращательный двигатель из ДНК, компоненты которого сцепляются и удерживаются вместе за счет сил складывания. Цель состоит в том, чтобы управлять направленным вращением с помощью химических или термических стимулов.
Для этого решающее значение имеет синхронизация движения ротора в статоре, и теперь эта задача значительно упростилась благодаря новым данным о силах суммирования.