요약:
물리학의 기본 법칙에 따르면 동일한 전하를 가진 물체는 서로 밀어내야 합니다. 디옥시리보핵산(DNA) 분자 자체는 일반적으로 음전하를 띠기 때문에 두 개의 DNA 이중 나선 가닥은 일반적으로 서로 접근할 때 강한 정전기적 반발력을 생성합니다. 그러나 살아있는 세포 내부에서 DNA 분자는 유전자 재조합 및 유전자 침묵과 같은 기본적인 생명 과정을 추진하기 위해 긴밀한 접촉과 정확한 쌍을 자주 달성해야 합니다.
요크 대학교와 영국 셰필드 대학교가 공동으로 이끄는 국제 연구팀은 최근 고해상도 원자력 현미경과 분자 역학 시뮬레이션을 사용하여 DNA 분자가 정전기 반발을 극복하고 '지퍼'처럼 단단히 물리는 미세물리 메커니즘을 직접 관찰하고 처음으로 밝혀냈습니다.
이 실험적 발견은 약 20년 전에 제안된 "정전기 DNA 지퍼 모델"의 미세 구조에 대한 최초의 직접적인 시각적 증거를 제공합니다. 이전의 이론적 가설에서는 DNA를 둘러싼 용액의 염 이온이 나선 표면에 양전하와 음전하의 교대 패턴 형성을 유도하여 두 개의 평행 DNA 분자를 두 개의 서로 맞물린 나선형 계단처럼 밀접하게 맞물리게 만들 수 있다고 제안했습니다. 그러나 분자 규모에서 매우 약한 힘과 급격한 동적 변화로 인해 이 가설은 항상 이론적 추론 단계에 머물러 있으며 실험적 영상으로 직접 검증되지 않았습니다.
이 연구에서 과학 연구팀은 고정밀 원자력 현미경을 사용하여 짧은 가닥 DNA 샘플에 대해 나노 수준의 미세한 표면 스캐닝을 수행했으며 두 DNA 가닥의 홈에 대한 홈의 정렬이 매우 정밀하게 명확하게 관찰되었습니다. 동시 초대형 컴퓨터 분자 역학 시뮬레이션을 통해 그 뒤에 숨은 원동력이 추가로 밝혀졌습니다. 이중 양전하(예: 2가 양이온)를 갖는 작은 금속 이온이 용액에서 중요한 "분자 가교" 역할을 한다는 것입니다. 이러한 양전하를 띤 이온은 DNA의 나선형 홈에 정확하게 삽입되어 하전된 팔과 같은 상호 작용력을 확장하고 두 개의 음전하를 띤 DNA 분자를 동시에 잡아당겨 원래 접근을 방해했던 정전기 반발 장벽을 완전히 상쇄하고 넘어갈 수 있습니다.
이 연구는 또한 DNA 가닥 사이의 결합 강도가 균일하게 분포되지 않고 상당한 염기 서열 의존성을 보인다는 점을 지적했습니다. 특정 DNA 서열은 금속 이온에 결합하는 능력이 더 강해 게놈에서 물리적 정렬과 긴밀한 잠금이 발생하기 쉬운 일련의 "페어링 핫스팟"을 형성합니다.
과학자들은 이러한 미시적 메커니즘의 해명이 기초 의학과 생명공학에 있어 두 가지 지침의 중요성을 갖고 있다고 말했습니다. 질병 메커니즘 수준에서 게놈의 DNA 쌍 핫스팟을 식별하면 특정 돌연변이가 정상적인 염색질 조립 또는 재조합 쌍을 방해할 때 세포 이상을 유발하고 심지어 암을 유발할 수 있음을 연구자가 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. 생명공학 수준에서 이온 브리지를 통한 DNA 자기 조립의 물리적 법칙을 숙지하면 나노엔지니어에게 고강도 프로그래밍 가능 인공 DNA 나노 구조 및 약물 전달 운반체를 맞춤화하기 위한 새로운 설계 지침이 제공될 것입니다.
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