Группа исследователей из Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова попробовала разобраться с одним из наименее ясных на сегодня вопросов молекулярной биологии – с вопросом о том, как в ядре клетки упаковываются нити ДНК. Учёные пришли к выводу, что укладка в особое состояние под названием "фрактальная глобула" позволяет всей этой генетической машинерии клетки работать с максимальным быстродействием.
Фрактальная глобула – понятие математическое. Но его можно объяснить на примере верёвки или лески. Если вы уроните на пол длинную рыболовную леску (например, от спиннинга), она тут же свернется в такой невообразимо "подлый" клубок, что вам придётся либо распутывать его часами, либо бежать в магазин за новой катушкой. Это обычная, так называемая равновесная, глобула. Фрактальная глобула – структура в этом смысле намного более "вежливая". Применительно к леске это комок, в котором леска ни разу не завязалась в узел, она просто свернулась множество раз, так, чтобы ни одна петля не обвилась вокруг другой. Такая структура представляет собой множество свободных петель разного размера – потяни её за два конца, и она легко распутается.
Российские физики Александр Гросберг, Сергей Нечаев и Евгений Шахнович, впервые спрогнозировавшие существование её ещё в 1988-м году, назвали такую глобулу "складчатой". Всё потому, что она чем-то похожа из-за своей укладки на современную лапшу быстрого приготовления в виде брикетов ("доширак"),
В последние годы её чаще называют фрактальной – и звучит научнее, да и полней отражает свойства такой глобулы, поскольку, как и во всех фракталах, её структура (в данном случае форма мелких и крупных петель) повторяется на малых и больших масштабах.
Долгое время это предсказание оставалось невостребованным. Но результаты исследований последних лет указывают, что хромосомы (нити ДНК) складываются в ядре именно в такую конфигурацию – во фрактальную глобулу. Сегодня по этому поводу в научном сообществе нет консенсуса. Но большинство специалистов, работающих в этой области, сильно заинтригованы, и последние 5-7 лет наблюдается целый поток исследований, посвященных геному, свёрнутому во фрактальную глобулу.
Интуитивно это было бы понятно. Двойная спираль ДНК, укреплённая соответствующим набором белков, представляет собой длинную нить, называемую хроматином. И если этот хроматин представляет собой библиотеку технических руководств по синтезу того или иного белка, нужного организму, то лучше было бы текст этих руководств без нужды не трогать. Соответственно, организму нужно избегать ненужных перекрещиваний одного гена с другим и складывать хроматиновую нитку так, чтобы ни в одном месте части этой нитки между собой не завязывались узлом.
Поэтому, как бы эта нитка хроматина в ядре ни складывалась, она не должна повторять судьбу нечаянно упавшей на пол рыболовной лески, то есть быть не простой глобулой, а фрактальной.
Вдобавок нитка во фрактальной глобуле, не имеющая узлов, по идее должна иметь более высокую свободу перемещений, что для ДНК немаловажно. Для того чтобы ДНК нормально функционировала, необходимо, чтобы её отдельные части в нужный момент встречались между собой, "включая" сигнал к считыванию и указывая всей системе место, откуда это считывание следует начинать, причем всё это должно происходить достаточно быстро (в том числе и во время починки главного носителя информации).
Учёным из МГУ удалось придумать и посмотреть на поведение модельной (более короткой чем реальная ДНК) цепи, свёрнутой во фрактальную глобулу. У их предшественников смоделировать ситуацию с длинной цепочкой, состоящей из четверти миллиона звеньев, не получалось. По признанию исследователей, моделирование длинных цепочек (а именно они позволяют получить сколько-нибудь значимые результаты) затрудняется тем, что они очень долго приходят в равновесное состояние.
"Мы сумели оценить тепловую динамику, свойственную этому виду укладки. Проведённое нами компьютерное моделирование хорошо подтвердило теоретический результат", – отметил Михаил Тамм, сотрудник кафедры физики полимеров и кристаллов физического факультета МГУ, один из авторов исследования. Удачно разрешив эту проблему за счёт грамотно выстроенной программы и большого компьютерного времени на суперкомпьютере МГУ "Ломоносов", исследователи смогли оценить динамику теплового движения (изменение в движении, происходящем за счёт температуры) в моделируемой фрактальной глобуле.Оказалось, что звенья хроматиновой цепочки движутся во фрактальной глобуле быстрее, чем в обычной ("запутанной"). Что в числе прочего могло повлиять на выбор природы (в ходе эволюционного развития) фрактальной глобулы в качестве лучшего способа укладки ДНК в ядре.
Исследователи надеются, что их работа позволит лучше понять, как именно функционирует вся машинерия, связанная с хранением и считыванием информации в ДНК.
"С точки зрения динамики нам бы хотелось разобраться с тем, какие там встроенные характерные времена, какие процессы могут происходить просто за счёт теплового движения, а что неизбежно требует привлечения активных элементов, ускоряющих работу ДНК", – резюмировал Тамм.
Результаты своей работы учёные опубликовали в майском номере журнала Physical Review Letters.
