Случайное открытие может упростить скрининг лекарств и токсинов

Повреждение ДНК токсинами серьезно влияет на здоровье, а некоторые химические вещества могут способствовать стабильности и репарации ДНК. Существующие методы изучения этих взаимодействий либо недостаточно чувствительны, либо очень дороги.

Студент-физик Джек Фриленд и доцент Йонг Ван разработали более простой метод для изучения взаимодействий ДНК с другими химическими веществами, используя оборудование, доступное в большинстве химических и биохимических лабораторий.

Они показали, что изогнутые фрагменты ДНК, названные ими ДНК-усилителями, можно использовать для наблюдения за взаимодействиями ДНК с ионами металлов с помощью гель-электрофореза. В исследовании они продемонстрировали доказательство концепции на ионах магния и серебра и подали заявку на патент. Цель — разработать метод скрининга лекарств, нацеленных на ДНК, включая средства для лечения рака. Открытие также может найти применение в мониторинге качества воды.

Ван ранее разработал технику изгибания ДНК для изучения воздействия механических сил на белки. Он использовал две синтезированные одноцепочечные ДНК разной длины. При смешивании и нагревании основания цепей спариваются, и более длинная цепь изгибается, образуя кольцевую конструкцию.

Открытие новой функции этих структур произошло случайно. Исследователи изменили состав буферного раствора для самосборки ДНК, удалив ионы магния. Это заметно повлияло на процесс сборки. Хотя известно, что магний стабилизирует ДНК, эффект оказался достаточно сильным, чтобы его можно было наблюдать при низких концентрациях без дорогого оборудования. Ученые осознали, что нашли способ усилить этот эффект.

Как физики, Фриленд и Ван объясняют, что изгиб молекулы ДНК меняет её «энергетический ландшафт». Напряжение в молекулярных связях из-за изгиба изменяет этот ландшафт и позволяет усиливать воздействие ионов и других химических веществ.

Ван сравнил изогнутую ДНК с деревянными палками: «Если палки согнуты и близки к излому, то при ударе мячом сломается больше палок, и эффект будет легче наблюдать».

Использование механических и физических концепций для изучения биологических систем — новый и перспективный подход. «Механические методы особенно привлекательны, — сказал Ван, — потому что они универсальны и не зависят от точного типа и деталей вовлеченных химических и биохимических систем и реакций».

В эксперименте поведение самоassembлирующихся цепей ДНК наблюдали в присутствии ионов магния (Mg²⁺) и серебра (Ag⁺). Сравнивали ДНК, запрограммированную на сборку в изогнутую форму, с контрольной группой, собирающейся обычным способом. Использовали рутинный и недорогой гель-электрофорез.

• В присутствии ионов магния стабилизирующий эффект способствовал высвобождению энергии в изогнутых молекулах ДНК, что выпрямляло их и формировало более стабильные структуры. На контрольную ДНК магний заметного влияния не оказал.
• Ионы серебра влияли на способность оснований ДНК спариваться в изогнутых структурах. В результате в смеси с изогнутой ДНК гель-электрофорез показал больше одиночных цепей и меньше гибридизированных. На не изогнутых цепях этот эффект был слишком мал для наблюдения.

Фриленд, работающий над этим проектом как часть своей дипломной работы с отличием, отметил, что возможность проводить исследования и публиковать статью обогатила его опыт как студента бакалавриата и повлияла на карьерные планы.