Биологи впервые сняли на видео процесс удвоения ДНК
Ученые из США впервые смогли увидеть процесс удвоения ДНК кишечной палочки, который оказался намного более случайным, чем раньше думали биологи. Полученные фотографии и видеозаписи опубликованы в журнале Cell.
«Скорость этого процесса может резко меняться во время сборки молекулы. Оказалось, что работа белков в «сборочном конвейере» ДНК никак не синхронизируется – все происходит случайно и они действуют абсолютно автономно друг от друга», — заявил Стивен Ковальчуковски (Stephen Kowalczykowski) из университета Калифорнии в Дэвисе (США).
Одна из особенностей живых организмов, отличающих их от вирусов и неживой природы, — способность самостоятельно создавать копии генетического кода, «записывая» все компоненты и процессы, происходящие внутри клеток. Это так называемая репликация ДНК, одна из самых сложных химических реакций во Вселенной.
В этом процессе, как показывают опыты последних лет, участвует несколько десятков белков, каждый из которых выполняет собственную функцию. Сначала хромосомы «разматываются» при помощи белка FACT, затем спираль ДНК «распутывает» фермент геликаза, а потом к ним присоединяется белок-«якорь» примаза и особые белки, которые ученые называют ДНК-полимеразами, начинают процесс копирования, считывая спираль и собирая ее аналог из отдельных молекулярных «букв»-нуклеотидов.
Проблема, как рассказывает Ковальчуковски, заключается в том, что ДНК состоит из двух спиралей, которые полимеразы, как изначально предполагали ученые, копируют одновременно. Первые наблюдения за этим процессом показали, что на самом деле одна из них копируется быстрее, чем вторая. Вторая полимераза периодически «притормаживает», благодаря чему молекулы белков и их «прислуга» не мешают друг другу.
По этой причине многие ученые считали, что работа полимераз каким-то образом синхронизирована друг с другом, однако сам механизм синхронизации оставался для них тайной.
Ковальчуковски и его коллеги попытались найти ответ на этот вопрос, проследив за копированием коротких нитей ДНК, которые ученые извлекли из кишечной палочки и «приклеили» при помощи модифицированной версии примазы к поверхности стеклянной пластинки.
Эти пластинки биологи поместили в раствор, где находились ДНК-полимеразы, клеточная «энерговалюта» АТФ и особый набор нуклеотидов, помеченных светящимися белковыми молекулами. Белки светились только тогда, когда присоединенный к ним нуклеотид был «прицеплен» к двойной нити ДНК, что позволило команде Ковальчуковского проследить за тем, как росли копии хромосом кишечной палочки.
Как оказалось, секрет работы полимераз заключался в том, что никакой синхронизации между ними нет – процесс репликации и той, и другой нити шел абсолютно случайным образом. При появлении «коллизий» между сборщиками ДНК процесс удлинения нити просто по сути начинался заново.
Открытие этого случайного механизма работы, как полагают ученые, поможет нам понять, как происходят ошибки при копировании ДНК и выяснить, как особенности в работе полимераз влияют на скорость эволюции и накопления мутаций.