Измерение персистентных длин молекул ДНК методами

УДК 577.323.43
Измерение персистентных длин молекул ДНК методами сканирующей зондовой
микроскопии
Михайлов А.Г.1,2, Дёмин В.В.2, Прохоров В.В.2, Клинов Д.В.2
1
2
Московский физико-технический институт (государственный университет)
Институт Биоорганической Химии им. М.М.Шемякина и Ю.А.Овчинникова РАН
ДНК является носителем генетической информации. Сейчас активно ведутся исследования этих молекул с помощью электронной и сканирующей зондовой микроскопии.
Последний метод наиболее удобен, так как является более быстрым и простым.
Одна из важнейших задач – определение физических свойств молекулы, таких, как
жёсткость, или связанная с ней персистентная длина.
Персистентная длина – это параметр полимерной молекулы, характеризующий её
жёсткость. Существуют несколько способов измерения персистентной длины молекулы по её изображению. Один из способов измерения персистентной длины заключается
в измерении расстояния между концами молекулы R и длины молекулы l . Если усредR2
нить по многим молекулам, то l p ≈ 3 <
>
4
l
(при модели двумерной проекции
трёхмерного клубка) (1). Однако, данная формула применима только при l , заметно
превосходящих l p . При малых длинах зависимость R 2 от l отличается от линейной.
Нами был использован другой способ. Он заключается в измерении среднего косинуса

s
отклонения касательной к молекуле < cos θ ( s ) >= exp −
 2l p


 (2), где s – расстояние


вдоль цепи между точками a и b , θ (s ) – угол между касательными ua и ub . Усреднение берётся при постоянном s по всей цепи полимера.
В нашей лаборатории была создана программа для автоматического распознавания и
оцифровки изображений ДНК (или любой другой полимерной молекулы). Программа
переводит СЗМ-изображение молекулы в векторный вид с некоторым шагом между
точками (для подсчёта статистики использовался шаг 1нм ). При хорошем соотношении сигнал/шум программа уверенно определяет полимерную молекулу (рис. 1).
С помощью этой программы были оцифрованы изображения молекул одно-, двух- и
трёхцепочечной ДНК. Для первого типа молекул измерения проводились на слюде, а
для последних двух типов - на графите и на слюде.
Рис.1 Скриншот работы программы.
Ранее было показано [1], что персистентная длина двухцепочечной молекулы ДНК в
растворе порядка 50нм , в то время как на поверхности слюды порядка 30нм (вследствие взаимодействия с поверхностью ). [2]
Нами были проведены измерения на молекулах двухцепочечной ДНК и триплексов
при разных условиях нанесения и на разных подложках – на слюде и на графите (рис.
2-3). Был обнаружен интересный эффект: поведение полимерной цепи молекулы
дцДНК описывается двумя масштабами персистентных длин, в малом масштабе
l p ≈ 7 нм , в большом масштабе l p ≈ 25нм (для поверхности графита). Этот эффект
сильно зависит от типа используемой для нанесения молекул поверхности. На поверхности слюды он также проявляется, но в меньшей степени.
Возможно, ранее этот эффект не был замечен из-за низкого разрешения. Нами были
получены изображения с высоким разрешением ( 1нм ), благодаря специальным зондам,
созданным в нашей лаборатории. Радиус кривизны острия таких зондов соответствует
приблизительно 1нм .
Для молекул триплексов на слюде величина l p ≈ 150нм , что соответствует ранее
полученным с помощью формулы (2) данным l p ≈ 140нм , а на графите l p ≈ 75нм , что
может быть обусловлено сильным взаимодействием молекулы с поверхностью.
Рис.2 Молекула двухцепочечной ДНК
Рис.3 Триплексы (PolyG-PolyG-PolyC)
на поверхности графита (HOPG).
на поверхности слюды.
Кроме этого, нами сравнивались персистентные длины одно- и двухцепочечной ДНК
на поверхности слюды, модифицированной APTES. Для оцДНК l p = 22 ± 2нм , а для
дцДНК l p = 28 ± 2нм , то есть персистентные длины этих молекул отличаются незначительно при малых ионных силах.
В дальнейшем планируется изучить подробнее этот эффект и набрать статистику для
разных полимерных молекулах.
Литература
1.
Paul A. Wiggins, Thijn Van Der Heijden, Fernando Monero-Herrero, Andrew Spako-
witz, Rob Phillips, Jonathan Widom, Cees Dekker and Philip C. Nelson. Hight flexibility of
DNA on short length scales probed by atomic force microscopy. Nature Nanotechnology, vol
1, 137-141 (2006).
2.
А.Ю. Гросберг, А.Р. Хохлов, Статистическая физика макромолекул, Москва,
«Наука», 1989.
3.
D. Klinov, B. Dwir, E. Kapon, N. Borovok, T. Molotsky, A. Kotlyar, Morphology of DNA
triplex molecules measured by atomic force microscopy, 2005, october 6-9, Modena, Italy.