Ученые из Института математических проблем биологии РАН исследовали процесс плавления ДНК. В результате была получена кривая теплоемкости для цепочек ДНК разной длины. Работа опубликована в The European Physical Journal B.
Вопрос денатурации, то есть «расплетения» двойной спирали ДНК является краеугольным в исследовании деления клетки. ДНК — полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков — нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований (аденин (A), гуанин (G), тимин (T) и цитозин ©). При этом аденин (A) соединяется только с тимином (T), гуанин (G) — только с цитозином ©. Разделение на две цепочки начинается с концов ДНК, которые обогащены AT-парами. У них температура плавления значительно ниже, чем у остальной молекулы.
Илья Лихачев, научный сотрудник ИМПБ РАН, доцент ТулГУ рассказывает: «Мы математически исследовали фазовый переход: при какой температуре ДНК распадается на две цепочки. Оказалось, что пик теплоемкости зависит от длины цепочки — чем короче, тем температура плавления ниже».
Виктор Лахно, научный руководитель ИМПБ РАН добавляет: «В отличии от существовавших работ, мы исследовали молекулу ДНК небольшой длины в динамике в процессе медленного нагревания, а не равновесном состоянии, как это до сих пор делалось в теоретических исследованиях».
Ученые впервые применили для исследования процесса плавления ДНК определенной длины метод молекулярной динамики. В ходе компьютерного моделирования было показано, что вблизи фазового перехода молекула ДНК может находиться в разных состояниях: в комплементарном, то есть в виде спирали, в открытом, то есть в расплетенном и в частично расплетенном. Именно возможностью находиться в различных состояниях при одной и той же температуре и объясняется широкий пик теплоемкости, полученный в данной работе и в ряде экспериментальных работ.
Исследование термодинамических характеристик ДНК существенно для понимания таких жизненно важных процессов как репликация ДНК, деление клетки, процессов ее репарации, лечения болезней, изучение старения, а также синтеза белков — основной функции ДНК. Важно понимать, в каких условиях могут происходить эти процессы. Также проведенное исследование важно для биоэлектроники, целью которой является создание устройств на основе ДНК: биочипов и микропроцессоров.
Разработанная сотрудниками института параллельная программа работала на суперкомпьютере Ломоносов МГУ, а также суперкомпьютерах Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН.
Работа выполнена при поддержке Российского Научного Фонда.