Образование плектонем под действием кручения. Фото: Фэй Чжэн, Кавендишская лаборатория

То, что учёные долгое время считали узлами в ДНК, на самом деле может быть устойчивыми скручиваниями, образующимися во время анализа нанопор. Это открытие позволяет взглянуть на механизм, который ранее упускался из виду, и понять его важность.

На протяжении десятилетий исследователи интерпретировали сложные электрические паттерны, наблюдаемые при прохождении ДНК через нанопоры, как признаки того, что молекула образует узлы. Эксперименты с нанопорами, которые широко используются для изучения генетического материала, казалось бы, подтверждали эту идею.

Часто это сравнивали с попыткой продеть шнурок от ботинка в узкое отверстие. Если шнурок запутывается, его движение заметно меняется. Ученые считали, что ДНК ведет себя так же, и пришли к выводу, что нерегулярные сигналы означают, что нить запуталась при прохождении через пору.

Новое исследование ставит под сомнение эту давнюю точку зрения. В статье, опубликованной в Physical Review X, показано, что ДНК не просто запутывается (как шнурки на ботинках) из-за помех в сигнале во время транслокации через нанопоры. Вместо этого многие структуры, которые ранее считались узлами, оказываются плектонемами. В таких конфигурациях ДНК скручивается, как телефонный провод, а не образует настоящий узел.

Переосмысление «клубков» ДНК в нанопорах

«Наши эксперименты показали, что при прохождении ДНК через нанопору ионный поток внутри скручивает нить, накапливая крутящий момент и закручивая её в плектонемы, а не просто в узлы. Эта «скрытая» скрученная структура имеет характерный, долго сохраняющийся отпечаток в электрическом сигнале, в отличие от более кратковременных признаков узлов», — объяснил ведущий автор исследования доктор Фэй Чжэн из Кавендишской лаборатории.

Чтобы изучить это явление, исследователи использовали нанопоры из стекла и нитрида кремния и протестировали ДНК при различных значениях напряжения и в разных экспериментальных условиях. Они обнаружили, что так называемые запутанные события, когда в поре одновременно появляется более одного участка ДНК, происходят гораздо чаще, чем можно было бы объяснить только образованием узлов. Частота таких событий возрастала при более высоких значениях напряжения и увеличении длины молекул ДНК, что указывает на дополнительный процесс, который ранее не был полностью изучен.

Скручивающие силы и устойчивые структуры

Они обнаружили, что эти скручивания происходят под действием электроосмотического потока — движения воды внутри нанопоры, которое создаёт крутящий момент на спиральной молекуле ДНК. По мере вращения нити этот крутящий момент передаётся участкам ДНК за пределами поры, заставляя их скручиваться. В отличие от узлов, которые затягиваются под действием тянущих сил и, как правило, недолговечны, плектонемы могут увеличиваться в размерах и сохраняться на протяжении всей транслокации. Для дальнейшего изучения исследователи смоделировали ДНК под воздействием реалистичных сил и крутящих моментов. Моделирование подтвердило, что плектонемы образуются в результате скручивания, вызванного электроосмотическим потоком в нанопоре, и что их формирование зависит от способности ДНК распространять скрутку по всей длине.

Кроме того, исследователи применили хитрый приём: они создали «надрезанную» ДНК — молекулы с точными интервалами разрывов, которые блокировали распространение скручивания и значительно снижали образование плектонем в ходе экспериментов. Это не только подтвердило роль структуры, но и указало на потенциальные новые способы обнаружения или даже диагностики повреждений ДНК с помощью нанопор.

«Самое впечатляющее в этом исследовании то, что теперь мы можем различать узлы и плектонем в сигнале нанопор по продолжительности их существования», — говорит профессор Ульрих Ф. Кейзер, который также является соавтором статьи.

«Узлы проходят быстро, как при резком толчке, в то время как плектонемы задерживаются и создают продолжительные сигналы. Это открывает путь к более глубокому и детальному анализу организации ДНК, целостности генома и, возможно, повреждений».

Более широкие последствия для биологии и технологий

Последствия могут быть ещё более масштабными. В биофизике эти открытия могут углубить наше понимание переплетений ДНК внутри клеток, где плектонемы и узлы регулярно образуются под действием ферментов и играют важнейшую роль в организации и стабильности генома. Что касается биосенсоров и диагностики, то возможность контролировать или обнаруживать эти скрученные структуры может открыть путь к созданию нового поколения биосенсоров, более чувствительных к незначительным изменениям ДНК, что потенциально позволит выявлять повреждения ДНК на ранних стадиях заболеваний.

«С точки зрения нанотехнологий, это исследование демонстрирует возможности нанопор не только как сложных датчиков, но и как инструментов для управления биополимерами новыми способами», — заключил Кейзер.

Ссылка: «Образование плектонем под действием кручения при транслокации ДНК-полимеров через нанопоры» Фэй Чжэн, Антонио Сума, Кристофер Маффео, Кайкай Чен, Мохаммед Алавами, Цзинцзе Ша, Алексей Аксентьев, Кристиан Микелетти и Ульрих Ф. Кейзер, 12 августа 2025 г., Physical Review X.

DOI: 10.1103/spyg-kl86