Физики впервые напрямую увидели, как две двойные спирали ДНК могут выстраиваться рядом и соединяться подобно застёжке-молнии. Эксперименты показали, что сближению помогают двухвалентные ионы, которые образуют мостики между молекулами и совмещают их бороздки. Такой механизм может объяснить один из этапов упаковки генома и помочь понять, как участки ДНК находят подходящие последовательности перед рекомбинацией.
Исследователи наблюдали взаимодействие ДНК с помощью атомно-силовой микроскопии высокого разрешения. В экспериментах использовали фрагменты длиной в несколько сотен пар оснований и растворы с ионами никеля, кальция или магния. Снимки показали необычно упорядоченное сближение: большие и малые бороздки соседних двойных спиралей оказывались выровнены друг напротив друга.
Такое поведение неочевидно. Остов ДНК несёт отрицательный заряд, поэтому две молекулы в обычных условиях должны отталкиваться. Двухвалентные положительно заряженные ионы частично компенсируют отталкивание и одновременно связываются с участками обеих спиралей. Возникают своеобразные ионные мостики, удерживающие молекулы рядом.
Компьютерное моделирование позволило рассмотреть процесс на атомном уровне. Некоторые ионы размещались внутри малой бороздки одной спирали и одновременно взаимодействовали с остовом соседней. Магний мог дополнительно участвовать в связывании через большую бороздку, благодаря чему последовательность контактов продолжалась вдоль ДНК и действительно напоминала застёжку-молнию.
Сила взаимодействия зависела не только от типа иона, но и от последовательности ДНК. Для никеля особенно устойчивые мостики возникали возле мотива GTAC. Кальций создавал больше подходящих точек связывания, а магний допускал ещё более разнообразные конфигурации. В результате вдоль молекулы появлялись участки, где две спирали сближались заметно охотнее.
При этом сами эксперименты не показали, что одинаковые последовательности всегда соединяются чаще разных. В присутствии исследованных ионов встречались как совпадающие, так и несовпадающие пары ДНК. Авторы предполагают, что на более длинных молекулах одинаковая последовательность может помогать дольше сохранять правильное взаимное расположение бороздок и тем самым стабилизировать контакт.
Доля молекул, находившихся в спаренном состоянии, составляла в среднем около 14% для никеля, 11% для кальция и 10% для магния. Статистически значимой разницы в общей частоте и длине контактов между тремя условиями исследователи не обнаружили. Зато положение таких контактов вдоль ДНК заметно менялось в зависимости от используемого иона.
Моделирование также помогло проверить роль электрического заряда. Когда две короткие двойные спирали помещали в раствор только с одновалентными ионами калия, спаривания в серии расчётов не наблюдалось. Добавление двухвалентных ионов приводило к самопроизвольному сближению молекул и воспроизводило расположение бороздок, которое физики увидели под микроскопом.
Идея такого взаимодействия появилась задолго до нынешнего эксперимента. Модель электростатической молнии предложили ещё в 1999 году: согласно теории, положительные ионы в бороздках одной молекулы ДНК могут притягиваться к отрицательно заряженному остову соседней спирали и заставлять две молекулы занимать определённое взаимное положение. Позднее модель связали с возможностью распознавания сходных последовательностей, однако прямого изображения предполагаемой структуры получить не удавалось более двух десятилетий.
Новые результаты дают экспериментальную опору старой модели, но пока не доказывают, что клетки используют точно такой же механизм при работе с хромосомами. Наблюдения проводились на очищенной ДНК в контролируемых растворах, а поведение генома внутри клетки дополнительно определяют белки, РНК и сложная организация хроматина. Исследователи считают, что обнаруженный принцип может участвовать в уплотнении ДНК и формировании структуры генома, а в перспективе помочь при создании программируемых ДНК-конструкций и ДНК-оригами.
