DNA to cząsteczka obecna w niemal każdej żywej komórce. Ze względu na swoją długość, często ulega skręcaniu i splątywaniu. Enzymy w organizmie próbują kontrolować ten proces, jednak gdy zawodzi regulacja, normalna aktywność komórki zostaje zakłócona. Może to prowadzić do chorób, takich jak nowotwory czy neurodegeneracje.
Aby opracować skuteczne terapie poważnych schorzeń, naukowcy muszą poznać złożony kształt splątań DNA. Istniejące techniki laboratoryjne pozwalają na analizę struktury DNA, jednak są czasochłonne i wymagają ogromnego nakładu pracy.
Międzynarodowy zespół naukowców kierowany przez University of Sheffield w Wielkiej Brytanii zautomatyzował ten proces. Dzięki zastosowaniu mikroskopii sił atomowych, zaawansowanego oprogramowania komputerowego i sztucznej inteligencji badacze mogą wizualizować cząsteczki DNA, śledzić ich przebieg i dokonywać precyzyjnych pomiarów.
Badania nad zmianami kształtu DNA, określane mianem topologii DNA, wymagają analiz w nanoskali, gdzie jeden nanometr to jedna miliardowa metra.
Profesor Alice Pyne, biofizyk z University of Sheffield i kierownik projektu, wyjaśnia:
„Po raz pierwszy udało nam się określić strukturę złożonych form DNA występujących w komórkach z nanometrową precyzją. Osiągnęliśmy to dzięki opracowaniu nowych narzędzi analizy obrazu, które wykonują w kilka sekund to, co wcześniej zajmowało godziny. Dzięki temu możemy badać, jakie złożone struktury powstają w komórce podczas procesów fizjologicznych i patologicznych, takich jak replikacja DNA, oraz jakie mają konsekwencje. Stąd możemy przejść do analiz, jak te złożone topologie wpływają na oddziaływania białek z genomem, np. kluczowych celów antybiotyków i leków przeciwnowotworowych, takich jak topoizomerazy.”
Dr Sean Colloms z University of Glasgow, współautor badań, dodaje:
„DNA to bardzo długa cząsteczka. Podobnie jak każdy długi sznurek, ulega splątywaniu i tworzeniu węzłów. Jeśli chcemy badać procesy komórkowe prowadzące do powstawania tych węzłów, a także działanie topoizomeraz, które je rozplątują, musimy móc dokładnie określić sposób, w jaki DNA jest splątane. Na każdym skrzyżowaniu DNA możemy zobaczyć, która nić przechodzi nad którą, co pozwala nam nawet odróżnić węzeł od jego lustrzanego odbicia, co ma istotne znaczenie badawcze.”
Mikroskop sił atomowych, w przeciwieństwie do mikroskopów świetlnych czy elektronowych, wykorzystuje maleńką sondę do fizycznego pomiaru badanej struktury, co czyni go odpowiednim do analiz w nanoskali.
„Symulacje molekularne pomagają nam zrozumieć, jak DNA oddziałuje z powierzchniami miki w eksperymentach AFM” – wyjaśnia Dušan Račko z Instytutu Polimerów Słowackiej Akademii Nauk, współautor badań. – „Dzięki opracowaniu zaawansowanych modeli możemy generować tysiące struktur molekularnych, aby szkolić przyszłe algorytmy sztucznej inteligencji, co przybliża nas do pełnej wizualizacji i zrozumienia topologii złożonych układów DNA.”
Badania są efektem współpracy naukowców z sześciu uczelni i instytutów badawczych z Wielkiej Brytanii, Słowacji i Francji.
Pełne wyniki zostały opublikowane w czasopiśmie Nature Communications w artykule „Quantifying complexity in DNA structures with high resolution Atomic Force Microscopy”.
Źródło: Nature Communications, Quantifying complexity in DNA structures with high resolution Atomic Force Microscopy
DOI: 10.15131/shef.data.22633528.v2
