ДНК под микроскопом ожила: люди впервые увидели, как она колеблется, изгибается и чинит себя в реальном времени

Когда говорят о ДНК, обычно представляют аккуратную двойную спираль, плавно закрученную в идеальную форму. На схемах она выглядит безупречно, будто устроена просто и симметрично. Но внутри клетки молекулы ведут себя иначе — изгибаются, дрожат, перекручиваются, а специальные белки непрерывно восстанавливают и перестраивают их участки. Все эти движения происходят на масштабах меньше миллиардной доли метра и длятся миллионные доли секунды, поэтому увидеть их напрямую крайне сложно. Чтобы рассмотреть, как в действительности «живёт» ДНК, исследователям нужна камера, способная фиксировать атомы в движении.

Этой задачей занялась группа из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн. Команда под руководством физика Алексея Аксиментьева и его коллеги Куша Кошика разработала способ наблюдать молекулу ДНК с разрешением до ангстрема — меньше одной десятой нанометра — и даже управлять её поведением на поверхности. Работа объединила вычислительную биофизику, наноматериалы и оптические методы, позволив исследовать молекулярные процессы в реальном времени.

Отправной точкой стала работа лаборатории Тиннефельда в LMU (Мюнхен). Там учёные показали, что двуцепочечная ДНК на одноатомном слое углерода — графене — выстраивается вертикально, опираясь нижней парой оснований на подложку. Это открытие стало основой метода GETvNA, использующего перенос энергии между флуоресцентной меткой на ДНК и проводящей поверхностью графена. Любое изменение формы отражается на интенсивности сигнала, и по этим колебаниям можно отслеживать движение молекулы с исключительной точностью. Исследователи из Иллинойса разобрали процесс на атомном уровне, показав, как именно такое расположение превращает графен в «камеру» для биомолекул.

В вертикальном положении дуплекс не зафиксирован жёстко: он слегка колеблется из-за тепловых флуктуаций, словно пружина. Это оказалось оптимальным состоянием — структура остаётся устойчивой, но сохраняет подвижность. Благодаря этому можно фиксировать даже минимальные конформационные перестройки: изгибы, повороты и микроколебания отдельных участков. Разрешение метода позволяет наблюдать процессы вроде восстановления повреждённой спирали или продвижения белков-ферментов вдоль цепи.

Главное достоинство GETvNA — его доступность. Для экспериментов достаточно обычного флуоресцентного микроскопа: не нужны ни криоэлектронные установки, ни громоздкое оборудование ядерного магнитного резонанса. То, что раньше требовало многомиллионных приборов, теперь возможно изучать в лаборатории, оснащённой лишь стандартной оптикой и набором наноматериалов.

Чтобы понять механику взаимодействия ДНК с графеном, исследователи провели серию молекулярных расчётов. В таких симуляциях каждый атом взаимодействует с остальными, а вычисления идут с шагом в фемтосекунды. Эти модели потребовали огромных ресурсов: суперкомпьютеры Delta и DeltaAI Национального центра суперкомпьютерных приложений (NCSA) сократили время анализа с нескольких месяцев до нескольких дней. Расчёты подтвердили наблюдения: дуплекс действительно выпрямляется, его колебания подчиняются статистическим закономерностям, а флуоресцентный сигнал точно отражает амплитуду движений.

Затем команда решила пойти дальше и не только наблюдать, но и управлять положением молекул. Для этого использовали другой материал — шестигранный нитрид бора (hBN), отличающийся идеально ровной поверхностью. На нём одноцепочечная ДНК перемещается вдоль микроскопических уступов, возникающих из-за атомных дефектов. Эти неровности действуют как направляющие молекулы: цепочка временно «прилипает» к таким участкам, затем освобождается и переходит дальше, образуя контролируемую траекторию. В предыдущей публикации (в Nature Nanotechnology) команда показала, что подобные «ступени» можно использовать для навигации биомолекул, а нынешние данные объясняют этот механизм на уровне атомной структуры.

Совместно с коллегами из Технического университета Дельфта — Чирлмином Джу и Петером Стеэнекеном — учёные выяснили, почему молекулы на hBN движутся гораздо медленнее, чем предсказывали теоретические модели. Компьютерный анализ показал: мельчайшие нарушения кристаллической решётки создают временные ловушки, где нити задерживаются, а затем «соскальзывают» на соседние участки. Такое замедление, кажущееся помехой, позволяет тонко регулировать процесс — менять скорость и направление движения, подбирая параметры поверхности.

Обе технологии — вертикальное размещение на графене и контролируемое перемещение на нитриде бора — открывают новую область на стыке нанотехнологий и биофизики. Их сочетание позволяет проектировать нанофлюидные системы, где молекулы движутся по заданным маршрутам, а их динамику можно измерять с атомной точностью.

Следующий этап — переход от микросекундных моделей к миллисекундным и секундным процессам, чтобы проследить, как ведёт себя стоячая ДНК на более длительных интервалах. Для этого применяется метод mrDNA — собственная модель исследователей, ранее использованная для анализа упаковки вирусных геномов в белковый капсид.

Всё это — шаг к новой оптике молекулярного мира. Подход приближает создание устройств, в которых биомолекулы станут активными элементами сенсоров или вычислительных платформ.Когда отдельные цепи можно наблюдать напрямую и даже направлять их по заданной траектории, биология перестаёт быть «чёрным ящиком» и превращается в точную инженерную науку.