НАНОТЕХНОЛОГИЯ В БЛИЖАЙШЕМ ДЕСЯТИЛЕТИИ

Моделирование динамики молекулы ДНК

Т. Шлик[13]

Исследования сверхспирали ДНК (образующейся при крупномасштабной пространственной закрутке двойной спирали молекулы ДНК вокруг самой се­бя) важны для понимания свойств ДНК, поскольку именно в такой форме ДНК участвует в важнейших внутриклеточных биологических процессах, в том числе репликации, рекомбинации и транскрипции [4]. Данные по строению

ДНК имеют и прикладное значение, так как уточнение топологических и гео­метрических закономерностей укладки и строения сверхспирали ДНК должно способствовать прогрессу в разработке векторов генной инженерии и ингиби­торов топоизомеразы, представляющих собой противораковые и противобак - териальные препараты.

Экспериментальное изучение кинетических аспектов поведения сверхспи­рали ДНК затруднено из-за быстроты протекания процессов, поэтому основ­ное внимание исследователи уделяют моделированию процессов с целью вы­явления их механизмов. Для решения специфичной задачи о взаимодействии звеньев цепочки ДНК была использована макроскопическая модель молекулы ДНК в виде червеобразной цепи, состоящей из нескольких тысяч пар нуклеотидов (п. н.) (диаметр ДНК около 2 нм, длина в растянутом состоянии 340 нм на каждую тысячу п. н.). Расчет этой модели производился по эффектив­ному алгоритму броуновского движения, с учетом потенциальной энергии де­формаций изгиба и кручения, электростатического взаимодействия в условиях экранирования и гидродинамического взаимодействия. Такое комбинирова­ние характеристик позволило моделировать поведение цепи ДНК в течение нескольких миллисекунд, с учетом ключевых факторов конформационной из­менчивости этой молекулы. Полученные оценки времени взаимоупорядоче­ния сегментов могут помочь проведению ранее недоступных экспериментов. Равновесное расположение устанавливается при сближении линейно удален­ных сегментов ДНК в пространстве вследствие внутренней динамики молеку­лы ДНК. Анализируя траектории (такие, как показанные на рис. 2.7 для цепи из 3000 п. н.), можно найти зависимость времени установления взаимного рас­положения звеньев от сверхспиральности, концентрации солей и расстояния между звеньями. Эти данные помогают проанализировать так называемые сайт-специфические реакции рекомбинации, приводящие к снижению време­ни связывания [5].

Кроме того, можно получить и чисто механистическое описание процесса. В настоящее время проводится моделирование более длинных цепей ДНК (включающих до 12 ООО п. н.). Методика модифицируется для учета эффектов, связанных с порядком расположения сегментов.