Реплікацію ДНК вперше зняли на відео

З’явилось дослідження, яке безперечно демонструє науковий прогрес усього людства: вчені зняли детальне відео, на якому єдина молекула ДНК відтворює копію себе.

Генетичну реплікацію, фундаментальний процес життя на Землі, зняли у реальному часі. Перші висновки спантеличили дослідників, процес супроводжувався чималою кількістю “випадковостей”. Цей факт може призвести до докорінного перегляду нашого розуміння генетичної реплікації, яка відбувається без мутацій.

Це відео демонструє реплікацію окремих фрагментів дволанцюгової ДНК. Це перша реплікація ДНК, яка спостерігалася безпосередньо. Джерело: James Graham, UC Davis

“Це справжній зсув парадигми, і він підриває значну частину того, що зараз знаходиться у підручниках”

– розповідає Стівен Ковальчиковський, член команди дослідників з Громадського університету Девіс, Каліфорнія –

“Це інший погляд на реплікацію, який викликає нові запитання.”

Дослідження було опубліковане 15 червня у журналі Cell.

Реплікація генетичного коду в ДНК

Подвійна спіраль ДНК складається з двох ланцюжків, які йдуть у протилежних напрямках. Кожен такий ланцюжок складається з послідовних азотистих основ (аденін, гуанін, тимін та цитозин). Основи одного ланцюжка з’єднуються з основами іншого згідно з принципом комплементарності. Такі зв’язки кодують необхідну інформацію, яка визначає програму розвитку та функціонування всього організму. Цей процес, поки ви читаєте це, відбувається й у вашому тілі.

Оскільки спіраль ДНК складається з двох протилежних ланцюжків, один з них виявляється головним “провідним ланцюгом”, який обертається довкола іншого, що відстає.

На першому етапі реплікації у гру вступає ензим геліказа, біологічно активна речовина, яка виступає механіком для кожного ланцюга ДНК. Він розкручує подвійну спіраль, залишаючи два ланцюги вільними один від одного. Після гелікази спіраль утворює таку собі “виделку”. Потім інший фермент під назвою праймаза під’єднує свій “праймер”, фундамент у вигляді блоку РНК, до кожного ланцюга, після чого стає можливою сама реплікація.

Реплікація ДНК в анімаційному відео. Відео не супроводжується українськими субтитрами. Джерело: yourgenome.org

Коли на “провідному” ланцюжку з’являється “праймер”, за нього зачіпляється ензим ДНК-полімераза. Останній відбудовує потрібні фрагменти (літери ДНК), рухаючись вздовж ланцюжка. Таким чином, реплікується нова подвійна спіраль ДНК, де один з ланцюгів – повністю новий, а інший – збережений з попередньої спіралі. Саме тому, цей механізм називають консервативним.

Річ у тім, що в загальноприйнятій моделі полімераза на “провідному” ланцюжку рухається неперервно, а оскільки “відсталий” ланцюг має зворотній напрямок, полімераза на ньому робить зупинки, аби добудувався черговий праймер. Дослідження вчених з Каліфорнії демонструє, що насправді все йде дещо інакше.

Авторам роботи вдалося зібрати найбільш повну робочу модель процесу подвоєння ДНК з усіх аналогічних досліджень, які почалися ще з 2009 року.

– розповів Science Ukraine Олексій Болдирєв, молекулярний біолог та молодший науковий співробітник Інституту фізіології ім. Богомольця НАН України –

Виявляється, комплекси полімерази абсолютно однакові. Більш того, ДНК-полімераза, що будує лідерський ланцюг, робить зупинки, ніби чекає свою напарницю. Уповільнює свій рух під час пауз і геліказа – білок, який розплітає «косичку» ДНК.

Коли вчені побачили увесь процес на власні очі, вони зрозуміли, що під час реплікації між ланцюгами відсутня будь-яка координація дій. Якимось чином, кожен ланцюг відтворюється окремо, проте у кінці природа створює ідеальні відповідники.

Несподівані зупинки на шляху відтворення життя

Дослідники використали для експерименту частину кільцевої ДНК бактерії E.coli, яку приєднали одним кінцем до скляної пластини. Потім у розчин додали хімічне паливо, яке мало запустити реплікацію молекули, а також флуоресцентний барвник. Останній міг приєднатися лише до повноцінної дволанцюгової ДНК, ігноруючи окремі ланцюжки. Це надало можливість спостерігати утворення нових спіральних ДНК у деталях.

Вони з’ясували, що швидкість реплікації ланцюжків в середньому була однакова. Однак в процесі ставалися неочікувані зупинки на обох ланцюжках – вони діяли як два окремих механізми з власними годинниками. Коли реплікація поновлювалась, їхня швидкість змінювалась подекуди у десять разів.

Ми показали, що між ланцюжками не існує ніякої координації. Вони повністю автономні

– зазначив Ковальчиковський.

З невідомих причин те, що раніше видавалось скоординованим відтворенням молекули, виявилось випадковим процесом з початком, зупинками та змінними швидкостями. Крім того, дослідники встановили, що через відсутність зв’язку між ланцюгами, подвійна спіраль ДНК розробила внутрішній безпечний вимикач (“dead man’s switch” – досл.), такий собі “стоп-кран” для гелікази, яка розгортає спіраль в процесі реплікації. Якщо полімераза зупинялась, цей вимикач активувався та вимикав геліказу, щоби не утворився розрив і полімераза могла наздогнати інших.

Нова теоретична модель ліпше описує всі наявні дані щодо реплікації ДНК, які були отримані раніше. Втім, лишається низка питань, на які мають відповісти подальші дослідження: яким чином синхронізується процес синтезу, що впливає на зупинки полімерази, як саме регулюється «перестрибування» ферментів на ланцюзі, який відстає. Крім того, тут вивчали роботу системи реплікації в бактерій, а в наших ядерних клітинах усе складніше.

– підсумував Болдирєв.

Як природі вдається мінімізувати мутації у такому хаосі, поки що залишається невідомим. Однак ситуація могла стати чіткішою, якби ми побачили нові відео реплікації ДНК вже на прикладі клітин складних організмів.

Сподобалась стаття? Придбайте нам , а ми напишемо ще.
Повідомити про помилку: підкресліть текст та натисніть CTRL+Enter або
Валентин Солонечний
  • 49 записів
  • 0 дописів
Засновник Science Ukraine, науковий журналіст та популяризатор науки. Слідкує за розвитком гравітаційної астрономії, ДНК-медицини та термоядерного синтезу. Підтримує позитивізм та гуманне ставлення до природи.