ДНК — хранитель генетической информации — обычно находится в клетке в комплементарном состоянии, в виде двойной спирали. Эту структуру можно разрушить, разделив полинуклеотидные цепи с помощью нагревания. При повышении температуры водородные связи между ними начинают распадаться и происходит денатурация (или плавление) ДНК. Двойная спираль расплетается с образованием беспорядочных одноцепочечных клубков до тех пор, пока обе цепи не разделятся полностью. Такое состояние называется открытым. Полное или частичное разделение цепей происходит в определенном интервале температур, который зависит от нуклеотидного состава ДНК и других условий, а средняя точка в интервале называется температурой ее плавления.
Денатурация ДНК предшествует любой реакции, связанной с передачей генетической информации, поэтому условия, при которых молекула находится в комплементарном или открытом состоянии, очень важны для понимания этих процессов. Ученые из Института математических проблем биологии (
ИМПБ РАН, г. Пущино) вычислили параметры процесса плавления ДНК. Они рассчитали, как изменяется ее теплоемкость — количество теплоты, которое нужно затратить на то, чтобы нагреть вещество на один градус, — в зависимости от температуры в процессе медленного нагревания. Авторы провели моделирование для цепочки конечной длины в 100 нуклеотидов методом молекулярной динамики и получили кривую ее теплоемкости. В предыдущих теоретических исследованиях теплоемкость рассчитывалась для цепочки бесконечной длины в равновесных состояниях, при которых температура и другие параметры системы постоянны во времени. Параллельная программа, разработанная сотрудниками ИМПБ РАН, проводила расчеты на суперкомпьютере Ломоносов МГУ, а также на суперкомпьютерах Института прикладной математики имени М. В. Келдыша РАН.
Моделирование показало, что при одной температуре в области плавления молекула ДНК может находиться в трех состояниях — комплементарном, открытом или частично денатурированном. Этим объясняется пологий участок на графике теплоемкости, полученный при расчетах и подтвержденный в ряде экспериментальных работ. В природе денатурация ДНК начинается на участках с определенной последовательностью нуклеотидов — промоторах. С них же стартует считывание генетической информации. Температура плавления этих участков значительно ниже, чем у остальной ДНК, поэтому две цепочки «расстегиваются», как молния, начиная с них, а не разъединяются в произвольных местах.
«Изучая характеристики ДНК, можно больше узнать о том, как происходит ее удвоение, восстановление от химических и физических повреждений, как делятся клетки, а также синтезируются белков, –– прокомментировал Илья Лихачев, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Лаборатории молекулярной динамики ИМПБ РАН. — Методом плавления можно проводить начальное грубое секвенирование, то есть расшифровку, фрагментов ДНК. Этот важный вопрос мы планируем исследовать в дальнейшем».
Структура ДНК определяет происходящие с ней реакции, поэтому точное определение температуры плавления молекул играет основную роль в методах молекулярной биологии, генетической диагностике и применении нанотехнологий — например, при производстве микрочипов, определяющих присутствие того или иного генетического материала. Полученную информацию можно использовать для изучения старения, лечения болезней, поскольку ученые связывают эти процессы с накоплением повреждений в генетическом материале. Новая информация о ДНК полезна для развития биоэлектроники, целью которой является создание устройств на основе ДНК: биочипов и микропроцессоров.
