Учёные автоматизировали визуализацию и измерение сложных узлов ДНК

На изображении показано, как автоматизированная система отобразила два переплетённых участка ДНК. В местах, где один сегмент ДНК проходит над другим, он окрашен в зелёный цвет. Там, где сегмент проходит под другим, он окрашен в розовый. В левом углу изображения один фрагмент пересекает сам себя. Автор: Университет Шеффилда в Nature Communications

В школе ДНК часто представляют в виде аккуратной двойной спирали, но учёные раскрывают разнообразные и сложные формы молекул ДНК.

ДНК — это молекула, которая встречается почти в каждой живой клетке. Поскольку молекула длинная, она скручивается и запутывается. Ферменты в организме пытаются регулировать этот процесс, но когда это не удаётся, нормальная деятельность клетки может нарушаться, что провоцирует проблемы со здоровьем и может быть фактором таких заболеваний, как рак и нейродегенерация.

Чтобы найти лекарства от серьёзных болезней, учёным необходимо понимать сложную форму узлов ДНК. Существующие лабораторные методы позволяют строить форму и структуру узлов ДНК, но это трудоёмкий и длительный процесс.

Международная научная группа под руководством Университета Шеффилда (Великобритания) автоматизировала этот процесс. Используя атомно-силовой микроскоп, передовое программное обеспечение и искусственный интеллект, они могут визуализировать молекулы ДНК, отслеживать их пути и измерять.

Статья «Quantifying complexity in DNA structures with high resolution Atomic Force Microscopy» опубликована в журнале Nature Communications.

Понимание того, как ДНК меняет форму — область науки, известная как топология ДНК, — требует от исследователей проведения анализа в наномасштабе, где нанометр составляет одну миллиардную метра.

На изображении показано то, что выглядит как два переплетённых куска верёвки. Оранжевые «верёвки» на самом деле являются кругами, каждый из которых представляет собой двойную спираль ДНК. Каждый раз, когда два круга ДНК пересекаются, один проходит либо над, либо под другим. Масштабная линейка представляет 20 нанометров. В одном метре 1 миллиард нанометров. Автор: Университет Шеффилда в Nature Communications

Элис Пайн, профессор биофизики Университета Шеффилда, курировавшая исследование, заявила: «Это первый раз, когда мы смогли определить структуру отдельных сложных ДНК-структур, обнаруженных в клетках, с нанометровой точностью. Мы сделали это, разработав передовые инструменты анализа изображений, которые могут сделать за несколько секунд то, что раньше занимало часы».

«Это позволит нам увидеть, какие сложные структуры могут формироваться в клетке во время нормальных и аномальных клеточных процессов, таких как репликация ДНК, и понять их последствия. Отсюда мы можем начать изучать, как эти сложные топологии и структуры влияют на взаимодействие белков с геномом, например, ключевые мишени антибиотиков и противораковых препаратов, такие как топоизомеразы (фермент, распутывающий узлы ДНК)».

Доктор Шон Колломс из Школы молекулярных бионаук Университета Глазго и соавтор исследования пояснил: «ДНК — это действительно длинная молекула. Как и любой длинный кусок верёвки, ДНК в наших клетках запутывается и завязывается в узлы. Если мы хотим изучать процессы в клетках, которые приводят к завязыванию ДНК, а также действие топоизомераз по удалению узлов, нам необходимо точно определять, как ДНК переплетена».

«В каждом пересечении ДНК мы можем видеть, какой кусок ДНК проходит над каким, и это даже позволяет нам отличать один узел от его зеркального отображения, что важно в наших исследованиях».

Атомно-силовой микроскоп использует крошечный зонд для физического измерения анализируемого объекта — в отличие от света или электронов, как в других типах микроскопов. Это отличие делает его подходящим для наномасштабного анализа.

Отображение показывает 2 молекулы ДНК, одна лежит поверх другой: одна молекула окрашена в синий цвет, другая — в розовый. Автор: Университет Шеффилда в Nature Communications

Душан Рачко из Полимерного института Словацкой академии наук, участвовавший в исследовании, отметил: «Молекулярное моделирование помогает нам понять, как ДНК взаимодействует с поверхностями слюды в экспериментах с АСМ».

«Разрабатывая передовые модели, мы можем генерировать тысячи молекулярных структур для обучения будущих ИИ-фреймворков — приближая нас к визуализации и пониманию топологии сложных сборок ДНК».

Исследование стало кульминацией международного научного сотрудничества с участием учёных из шести университетов и исследовательских институтов Великобритании, Словакии и Франции.

Больше информации: Elizabeth P. Holmes et al, Quantifying complexity in DNA structures with high resolution Atomic Force Microscopy, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-60559-x

Источник: University of Sheffield