Учёные раскрыли роль плектонем в поведении ДНК при прохождении через нанопоры

Формирование плектонем под действием кручения. Автор: Фэй Чжэн, Кавендишская лаборатория

Исследователи из Кембриджского университета в сотрудничестве с международными институтами обнаружили ключевой механизм поведения ДНК при прохождении через нанопоры — процесс, имеющий важное значение для биологических функций и перспективных технологий анализа ДНК. Исследование проливает свет на ранее упускавшиеся из виду структуры — плектонемы, что может изменить подход к биосенсорике и геномным технологиям.

Долгое время учёные считали, что сложные электрические сигналы при прохождении ДНК через нанопоры (мощный метод анализа генетического материала) свидетельствуют о формировании узлов. Это было похоже на протягивание шнурка через маленькое отверстие: если шнурок запутывается, движение становится неравномерным. Предполагалось, что аналогичный процесс происходит с ДНК, а любая сложность сигнала объясняется её запутыванием.

Однако новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review X, показало, что ДНК не просто образует узлы (как запутанный шнурок), а часто формирует плектонемы — структуры, в которых молекула закручивается вокруг себя, подобно скрученному телефонному шнуру, а не завязывается в настоящий узел.

«Наши эксперименты показали, что при прохождении через нанопору ионный поток внутри скручивает цепь ДНК, создавая крутящий момент и формируя плектонемы, а не просто узлы. У этой "скрытой" структуры есть характерный, долгоживущий отпечаток в электрическом сигнале, в отличие от кратковременного сигнала узлов», — объяснил ведущий автор исследования доктор Фэй Чжэн из Кавендишской лаборатории.

Учёные использовали стеклянные и нитрид-кремниевые нанопоры для анализа ДНК при различных напряжениях и условиях. Они обнаружили, что «запутанные» события — случаи, когда несколько цепей ДНК одновременно находились в поре — происходили слишком часто, чтобы объяснить их только формированием узлов. Вместо этого их количество увеличивалось с ростом напряжения и длины ДНК, что указывало на неизвестный ранее механизм.

Оказалось, что эти закручивания вызваны электроосмотическим потоком — движением воды внутри нанопоры, которое создаёт крутящий момент на спиральной молекуле ДНК. Когда цепь вращается, этот момент передаётся участкам ДНК вне поры, заставляя их скручиваться. В отличие от узлов, которые затягиваются под действием силы и быстро исчезают, плектонемы могут увеличиваться и сохраняться в течение всего процесса.

Плектонемы как длительные «запутанные» события. Автор: Physical Review X (2025). DOI: 10.1103/spyg-kl86

Для дальнейшего изучения исследователи смоделировали поведение ДНК под реалистичными силами и крутящими моментами. Моделирование подтвердило, что плектонемы образуются из-за скручивания, вызванного электроосмотическим потоком в нанопоре, а их формирование зависит от способности ДНК передавать кручение вдоль своей длины.

В ходе эксперимента учёные создали «надрезанную» ДНК — молекулы с прерываниями в определённых местах, что блокировало распространение кручения и резко снижало образование плектонем. Это не только подтвердило роль структуры, но и указало на новые возможности для обнаружения повреждений ДНК с помощью нанопор.

«Особенно важно то, что теперь мы можем различать узлы и плектонемы в сигнале нанопоры по их продолжительности, — говорит соавтор исследования профессор Ульрих Ф. Кайзер. — Узлы проходят быстро, как кратковременный всплеск, а плектонемы сохраняются и создают протяжённые сигналы. Это открывает путь к более детальному анализу организации ДНК, её целостности и возможных повреждений».

Открытие имеет далеко идущие последствия. В биофизике оно углубляет понимание запутывания ДНК внутри клеток, где плектонемы и узлы регулярно возникают под действием ферментов, играя ключевую роль в организации и стабильности генома. Для биосенсоров и диагностики возможность контролировать или обнаруживать эти скрученные структуры может привести к созданию нового поколения сенсоров, более чувствительных к малейшим изменениям ДНК, что потенциально позволит выявлять повреждения на ранних стадиях заболеваний.

«С точки зрения нанотехнологий, это исследование подчёркивает потенциал нанопор не только как высокочувствительных сенсоров, но и как инструментов для манипулирования биополимерами новыми способами», — заключил Кайзер.

Дополнительная информация: Фэй Чжэн и др., Torsion-Driven Plectoneme Formation During Nanopore Translocation of DNA Polymers, Physical Review X (2025). DOI: 10.1103/spyg-kl86

Источник: University of Cambridge