Горшок под наблюдением никогда не закипает … но исследователи из Университета Людвига-Максимилиана (LMU), Мюнхен, и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB), обнаружили, что это не так, когда наблюдают за жидкостями, образованными из ДНК. Недавние достижения в клеточной биологии показали, что молекулярные компоненты живых клеток (такие как ДНК и белки) могут связываться друг с другом и образовывать жидкие капли, похожие на масляные капли во взбитой заправке для салата. Эти клеточные капли взаимодействуют с другими компонентами для выполнения основных процессов, критически важных для жизни, но мало что известно о том, как эти взаимодействия функционируют.
Чтобы получить представление об этом фундаментальном процессе, команда LMU / UCSB использовала современные методы нанотехнологии для создания модельной системы, жидкой капли, образованной из частиц ДНК, и наблюдала за этими каплями, когда они взаимодействуют с ферментом, расщепляющим ДНК.
К удивлению, они обнаружили, что в некоторых случаях добавление фермента может вызывать внезапное пузыри в каплях ДНК, которые выглядят так же, как кипящая вода. «Странность пузырящейся ДНК заключается в том, что мы не нагревали систему – это как если бы горшок с водой закипел, даже если вы забыли включить плиту», – говорит профессор Омар Салех из UCSB, соруководитель организации проэкт. Однако образование пузырьков происходило не всегда – иногда добавление фермента заставляло капли плавно сокращаться, и было неясно, почему возникает тот или иной ответ.
Чтобы разобраться в этой загадке, команда провела ряд точных экспериментов, количественно оценив поведение сжатия и пузыря. Они обнаружили, что существует два типа усадки: первая причина – ферменты, разрезающие ДНК только на поверхности капли, а вторая – ферменты, проникающие внутрь капли. «Это наблюдение имело решающее значение для выяснения поведения, поскольку оно заставило нас задуматься о том, что фермент может начать грызть капли изнутри», – отмечает со-руководитель Тим Лидл, профессор LMU, где проводились эксперименты.
Сравнивая реакцию капли с дизайном частиц ДНК, команда раскрыла этот случай: они обнаружили, что пузыри и сжатие на основе проникновения происходили вместе и происходили только тогда, когда частицы ДНК были только слегка связаны друг с другом, тогда как частицы ДНК с прочными связями сохраняли свои свойства. фермент снаружи.
Салех отмечает: «Это похоже на попытку пройти сквозь толпу – если толпа крепко держится за руки, вы не сможете пройти."
Таким образом, пузырьки возникают только в слабосвязанных системах, когда фермент может проникнуть через скопившиеся частицы ДНК внутрь капли и начать разъедать каплю изнутри. Химические фрагменты, создаваемые ферментом, приводят к осмотическому эффекту, когда вода втягивается извне, вызывая явление набухания, которое приводит к образованию пузырьков. Пузырьки растут, достигают поверхности капли, а затем выпускают осколки в виде отрыгивающего газового выброса. «Удивительно наблюдать, как пузыри раздуваются и лопаются снова и снова», – говорит Лидл.
Работа демонстрирует сложную взаимосвязь между основными свойствами материала биомолекулярной жидкости и ее взаимодействием с внешними компонентами. Команда считает, что понимание, полученное в результате изучения процесса образования пузырьков, приведет как к лучшим моделям жизненных процессов, так и к расширенным возможностям конструирования жидких капель для использования в качестве синтетических биореакторов.
Исследование стало возможным благодаря награде профессора Салеха от Фонда Александра фон Гумбольдта, которая позволила ему посетить Мюнхен и напрямую поработать с Тимом Лидлом над этим проектом. «Подобные виды международного сотрудничества чрезвычайно продуктивны, – говорит Салех.