Рибонуклеиновая кислота (РНК) представляет собой элементарный компонент биологических клеток. В то время как дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) служит носителем генетической информации, РНК обладает гораздо более сложной биохимической функциональностью.
Это включает передачу информации в форме мРНК, РНК-опосредованную каталитическую функцию в рибосомах и кодирование генетической информации в вирусах. РНК состоит из последовательности молекул органических азотистых оснований, которые удерживаются вместе так называемой основной цепью, состоящей из фосфатных и сахарных групп.
Такая последовательность может существовать в виде одной нити или в виде парной двойной спирали. Обе формы заключены в водную оболочку, а их фосфатные и сахарные группы являются отдельными точками стыковки молекул воды. Структура водной оболочки колеблется во временном масштабе в несколько десятых пикосекунды (1 пс = 10–12 с = 1 миллионная доли миллионной секунды). Взаимодействия РНК и воды и их роль в формировании трехмерных структур РНК изучены недостаточно и труднодоступны экспериментально.
Ученые из Института Макса Борна наблюдали взаимодействие РНК с ее водной оболочкой в режиме реального времени. В их новом экспериментальном методе колебания остова РНК служат чувствительными неинвазивными датчиками влияния соседних молекул воды на структуру и динамику РНК. Так называемая двумерная инфракрасная спектроскопия позволяет картировать временную эволюцию колебательных возбуждений и определять молекулярные взаимодействия внутри РНК и между РНК и водой. Результаты показывают, что молекулы воды на поверхности РНК совершают опрокидывающие движения, так называемые либрации, в пределах доли пикосекунды, тогда как их локальное пространственное расположение сохраняется в течение периода времени более 10 пс.
Это поведение сильно отличается от поведения чистой воды и регулируется стерическими граничными условиями, задаваемыми поверхностью РНК. Отдельные молекулы воды соединяют соседние фосфатные группы и образуют частично упорядоченную структуру, которая опосредована их соединением с сахарными единицами.Либрирующие молекулы воды генерируют электрическую силу, с помощью которой колебания воды передаются колебаниям РНК. Различные колебания позвоночника демонстрируют разнообразное динамическое поведение, которое определяется их местной водной средой и отражает ее неоднородность.
Колебания РНК также взаимодействуют друг с другом и обмениваются энергией между собой и с водной оболочкой. Получающееся в результате сверхбыстрое перераспределение избыточной энергии необходимо для предотвращения локального перегрева чувствительной макромолекулярной структуры. Этот сложный сценарий был проанализирован с помощью подробных теоретических расчетов и моделирования, которые, среди прочего, позволили впервые полностью и количественно идентифицировать различные колебания основной цепи РНК. Сравнительные эксперименты с ДНК показывают сходство и характерные различия между этими двумя элементарными биомолекулами, показывая более структурированное расположение воды вокруг РНК.
Исследование подчеркивает сильный потенциал неинвазивной вибрационной спектроскопии с временным разрешением для раскрытия взаимодействия структуры и динамики в сложных биомолекулярных системах на молекулярной длине и во времени.