تأخذ دراسة البلورات النيوترونية الغوص العميق في شبكات المياه المحيطة بالحمض النووي
أنماط ارتباط الهيدروجين بين جزيئات الماء والحمض النووي

استخدم باحثو جامعة فاندربيلت النيوترونات في ORNL للكشف عن أنماط الرابطة الهيدروجينية بين جزيئات الماء (الموضحة باللون الأزرق) والحمض النووي. يمكن أن تساعد النتائج في تقديم رؤى حول كيفية تأثير الماء على وظيفة الحمض النووي. الائتمان: ORNL / جيل هيمان

يلعب الماء عدة أدوار مهمة داخل جسم الإنسان ، حتى أنه يؤثر على الحمض النووي في خلايانا. السطح الكامل للحلزون المزدوج للحمض النووي مغطى بطبقات من جزيئات الماء. يرتبط غمد الماء هذا بالمادة الجينية من خلال الروابط الهيدروجينية ، التي تتكون من خلال مشاركة ذرات الهيدروجين بين الجزيئات. من خلال روابط الهيدروجين ، يمكن أن يؤثر الماء على كيفية تشكل الحمض النووي وتفاعله مع الجزيئات الأخرى. في بعض الحالات ، يمكن أن يساعد الماء البروتينات في التعرف على تسلسل الحمض النووي.

يمكن للعلماء تقدير مكان حدوث روابط الهيدروجين وكيفية مشاركة ذرات الهيدروجين ، لكن من الصعب جمع أدلة تجريبية. استخدم فريق بحثي بقيادة جامعة فاندربيلت طريقة نجحت في التقاط الصورة الأكثر تفصيلاً حتى الآن لأنماط ارتباط الهيدروجين في الماء حول الحمض النووي ، مما يفتح إمكانيات جديدة لدراسة كيفية تأثير الماء على وظيفة الحمض النووي. تم نشر تفاصيل المنهجية والنتائج ، التي تم إنتاجها جزئيًا من خلال تشتت النيوترونات في مختبر أوك ريدج الوطني (ORNL) التابع لوزارة الطاقة (DOE) ، في المجلة بحوث الأحماض النووية.

يعمل الماء كوسيط بين الحمض النووي والجزيئات الأخرى ، حتى بالنسبة للتفاعلات المحددة للغاية. قال مارتن إجلي ، أستاذ الكيمياء الحيوية في جامعة فاندربيلت والمؤلف المقابل للدراسة ، قبل أن يتمكن أي جزيء من الارتباط بجزء من الحمض النووي ، يجب أن يمر أولاً عبر هذه القشرة المائية. “لتعزيز فهمنا لعمليات الحمض النووي ، من المهم أن نعرف بالضبط ما يفعله الماء المحيط وكيف يرتب نفسه حول الجزيئات.”

ألقت تجارب حيود الأشعة السينية الضوء على مكان وجود جزيئات الماء حول الحمض النووي ، لكن أنماط الترابط الهيدروجيني بين هذه الجزيئات ظلت مخفية. من ناحية أخرى ، تعتبر النيوترونات أكثر حساسية لعناصر الضوء ، مثل ذرات الهيدروجين في الماء ، والتي تمكن الباحثين من تحديد مكان ظهور الروابط الهيدروجينية والجزيئات التي تنشأ منها.

“مع الأشعة السينية ، فإن كثافة الإلكترون النموذجية التي تحصل عليها لجزيء الماء هي الكرة ، مثل كرة القدم. قال لايتون كوتس ، عالم ORNL شارك في هذه الدراسة ، “لا يمكنك رؤية ذرات الهيدروجين ، لذا فإن الجزيء ليس له اتجاه تجاهه”. “بينما ، مع النيوترونات ، تبدو جزيئات الماء أشبه بأذرع البمرنغ. يمكنك أن ترى كيف يتم توجيه الهيدروجين وتحديد أنماط الرابطة الهيدروجينية. “

لإجراء هذا البحث ، استخدم الفريق عينة متبلورة من جزء من الحمض النووي المدروس جيدًا مع ستة أزواج قاعدية ، بالتناوب بين السيتوزين والجوانين. تُعرف هذه القطعة باسم d (CGCGCG) ، وهي أول تسلسل DNA يتم تحديد هيكله البلوري في عام 1979. باستخدام محلول أكسيد الديوتيريوم ، استبدل العلماء العديد من ذرات الهيدروجين في الجزء بذرات الديوتيريوم. الديوتيريوم ، وهو نظير للهيدروجين ، “يُنظر إليه” بشكل مختلف عن طريق النيوترونات مقارنة بالهيدروجين ، مما يسمح للباحثين باستخدام الديوتيريوم لجمع المعلومات بشكل انتقائي عن الحمض النووي وتركيب الماء.

جمع فريق البحث بيانات حيود النيوترونات على هذا الجزء باستخدام مقياس حيود النيوترون الجزيئي (MaNDi) في مصدر Spallation Neutron Source (SNS) التابع لـ ORNL. لتقليل حركة الماء ، قام الفريق بتبريد العينة إلى 100 كلفن (-280 درجة فهرنهايت تقريبًا) باستخدام غاز النيتروجين البارد.

قال إيجلي: “من خلال خفض حركة المياه في العينة الخاصة بنا ، يمكننا الحفاظ على جزيئات الماء في ترتيب يشبه الشبكة ، مما يسمح لنا بإغلاق مكانها وكيفية وضعها”. “إذا جمعنا هذه البيانات في درجة حرارة الغرفة ، فسيتم تلطيخ مواقع العديد من جزيئات الماء بشكل أساسي ، وتوزيعها على مواقع مختلفة في الفضاء.”

أضاف جويل هارب ، أستاذ مساعد باحث في الكيمياء الحيوية بجامعة فاندربيلت ومؤلف مشارك في الدراسة: “باستخدام النيوترونات ، يمكننا أيضًا التمييز بين جزيئات الماء من خلال عدد الروابط الهيدروجينية ، مثل ما إذا كانت متورطة في روابط متعددة أو واحدة فقط”.

تم إجراء تجارب حيود الأشعة السينية على بلورة مماثلة في مرفق علم البلورات الجزيئي الحيوي في مركز البيولوجيا الإنشائية بجامعة فاندربيلت لتحديد مكان وجود ذرات الأكسجين لجزيئات الماء حول جزء الحمض النووي.

من خلال الجمع بين هذه التقنيات التكميلية ، حقق الباحثون التحليل الأكثر تفصيلاً حتى الآن لتوجهات جزيء الماء حول الحلزون المزدوج للحمض النووي. لقد التقطوا اتجاهات 64 جزيء ماء إما على اتصال مباشر مع جزء الحمض النووي أو في مكان قريب. كشفت الدراسة كيف يتم التبرع بالروابط الهيدروجينية أو قبولها بواسطة جزيئات الماء داخل الأجزاء البارزة من بنية الحمض النووي ، بما في ذلك داخل الأخاديد وحول العمود الفقري للسكر والفوسفات. كانت بعض روابط الهيدروجين غير متوقعة ، متعارضة مع الافتراضات السابقة ، مما يدل على أن هذه الطريقة يمكن أن تساعد في التحقق من نماذج الديناميكيات الجزيئية لشبكات المياه في الحمض النووي.

يستخدم فريق البحث الآن هذه الطريقة لدراسة كيفية تصرف الماء حول الجزيئات الكبيرة الأخرى ، مثل RNA.

قال إيجلي: “الآن ، أعتقد أن الوقت قد حان لتطبيق ما تعلمناه في مشاريع أكثر تحديًا”. “الماء هو كيان أساسي للحياة ، ولا يزال هناك العديد من الأشياء التي يجب اكتشافها.”

المرجع: “بنية مائية حول جزء Z-DNA أعسر تم تحليله بواسطة علم البلورات النيوتروني بالتبريد” بواسطة Joel M Harp و Leighton Coates و Brendan Sullivan و Martin Egli ، 19 أبريل 2021 ، بحوث الأحماض النووية.
DOI: 10.1093 / nar / gkab264

تم دعم هذا البحث من قبل مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة والمعاهد الوطنية للصحة (NIH).

التعليقات

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *