Точная реконструкция того, как части сложного молекулярного соединения удерживаются вместе, зная только то, как молекула искажается и распадается, — это задача, которую взяла на себя исследовательская группа под руководством Кристиана Мичелетти из SISSA, недавно опубликованная в Physical Review Letters . В частности, ученые изучали, как расстегивается двойная спираль ДНК при перемещении с высокой скоростью через нанопору, реконструируя фундаментальные термодинамические свойства ДНК, исходя только из скорости процесса.

Транслокация полимеров через нанопоры давно изучается как фундаментальная теоретическая проблема, а также ее несколько практических ответвлений, например, для секвенирования генома. Мы помним, что в последнем случае нить ДНК проходит через настолько узкую пору, что только одна из цепочек двойной спирали может пройти, а другая нить остается позади. В результате транслоцированная двойная спираль ДНК обязательно расщепится и раскрутится — эффект, известный как расстегивание.

Исследовательская группа, в которую также входят Антонио Сума из Университета Бари, первый автор, и Винченцо Карневале из Университета Темпл, использовала кластер компьютеров для моделирования процесса с различными движущими силами, отслеживая скорость распаковки ДНК, тип данных. который редко изучался, несмотря на то, что был непосредственно доступен в экспериментах.

Используя ранее разработанные теоретические и математические модели, исследователи смогли работать «назад», используя информацию о скорости, чтобы точно реконструировать термодинамику образования и разрыва двойной спирали.

«Предыдущие теории, — объясняют исследователи, — исходили из детального знания термодинамики молекулярной системы, которое затем использовалось для предсказания реакции на более или менее инвазивные внешние стрессы. Одно это само по себе является большой проблемой. обратная задача: мы начали с реакции ДНК на агрессивные воздействия, такие как принудительное расстегивание двойной спирали, чтобы восстановить детали термодинамики».

«Из-за инвазивного и быстрого характера процесса распаковки проект казался обреченным на провал, и, вероятно, именно поэтому его никогда раньше не пробовали. Однако мы также знали, что правильные теоретические и математические модели, если они применимы, могут предложить нам многообещающее решение проблемы. Проанализировав обширный набор собранных данных, мы были очень взволнованы, обнаружив, что это именно так; мы были счастливы, что у нас была правильная интуиция».

Техника, принятая в исследовании, носит общий характер, и поэтому исследователи рассчитывают, что смогут распространить ее за пределы ДНК на другие молекулярные системы, которые еще относительно не изучены. В качестве примера можно привести так называемые молекулярные моторы, агрегаты белков, которые используют энергию для циклических превращений, очень похожих на двигатели в нашей повседневной жизни.

«До сих пор, — подчеркивают исследователи, — исследования молекулярных двигателей начинались с формулирования гипотез об их термодинамике и последующего сравнения предсказаний с экспериментальными данными равновесных экспериментов для восстановления термодинамики с явными концептуальными и практическими преимуществами».