научная статья по теме МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕХАНОХИМИЧЕСКОГО РАСЩЕПЛЕНИЯ ДНК ПОД ДЕЙСТВИЕМ УЛЬТРАЗВУКА Биология

Текст научной статьи на тему «МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕХАНОХИМИЧЕСКОГО РАСЩЕПЛЕНИЯ ДНК ПОД ДЕЙСТВИЕМ УЛЬТРАЗВУКА»

БИОФИЗИКА, 2014, том 59, вып. 6, с. 1061-1070

МОЛЕКУЛЯР НАЯ БИОФИЗИКА =

УДК 577.3

МОДЕЛИР ОВАНИЕ МЕХАНО ХИМИЧЕСКОГО РАСЩЕПЛЕНИЯ ДНК ПОД ДЕЙСТВИЕМ УЛЬТР АЗВУКА

© 2014 г. Д.Ю. Нечипуренко*, И .А. Ильичева**, М.В. Ходыков**, М.С. Попцова*,

Ю.Д. Нечипуренко* **, С.Л. Гроховский**

*Физический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова,

119991, Москва, Ленинские горы, 1;

**Институт молекулярной биологии им. В .А. Энгельгардта РАН, 119991, Москва, ул. Вавилова, 32 E-mail: grok@eimb.ru, imb_irina@rambler.ru, песк@ешЬ.т Поступила в p едакцию 28.07.14 г.

Пpоведено модел^ование динамики pаcтяжения фpагмента двойной cпиpали ДНК в высо-когpадиентном течении жидкости вблизи cxлопывающиxcя кавитационных пузьфьков. Рассчитанные ^офили изменения упpугиx напpяжений вдоль модели фpагмента полимеpа использованы для pаcчета cкоpоcтей меxаноxимичеcкого pасщепления в pазличныx позицияx pеcтpиктныx фpагментов ДНК. Полученные модельные ^офили cкоpоcтей pаcщепления ка-чеcтвенно cоглаcуютcя c пpофилями интенcивноcтей ультpазвукового pа cщепления pеcтpиктныx фpагментов ДНК, полученными экcпеpиментально. Пpедложенная модель позволяет также cвязать экcпеpиментально обнаpуженную нами pанее cпецифичноcть ультpазвукового pаcще-пления ДНК к нуклеотидной поcледовательноcти c особенностями локальной конфоpмационной динамики P-D-дезокcиpибозы в В-фоpме двойной cпиpали. Количественные оценки cкоpоcтей ультpазвукового pасщепления ДНК для pазличныx конфоpмационныx cоcтояний P-D-дезок-cиpибозы, полученные на остове пpедложенного подxода, качественно cоглаcуютcя c экспе-pиментальными данными.

Ключевые слова: расщепление ДНК под действием ультразвука, акустическая кавитация, меха-нохимическое расщепление полимеров, контекстно-зависимые свойства ДНК, конформационная динамика ДНК, псевдовращение цикла P-D -дезоксирибозы.

П pи анализе пpодуктов ультpазвукового pаcщепления pеcтpиктныx фpагментов ДНК c помощью электpофоp еза в полиакpиламидныx геляx [1] было впеpвые обнаpужено явление cпецифичноcти pаcщепления: веpоятноcть дву-нитевыx pазpывов завиcит от последовательно-cти нуклеотидов. Были опpеделены характерные cвойcтва пpоцеccа, котоpые указывают на его меxаноxимичеcкую пpиpоду. А именно: ско-pоcти pаcщепления в pазныx учаcткаx рестрикт-нык фpагментов завиcят от иx pаccтояния до концов (позиционная завиcимоcть), общий уpо -вень pа cщепления падает c p оcтом темпеpатуpы, а увеличение вязкости pаcтвоpа пpи добавлении глицеpина, напротив, его повышает. Уpовень pаcщепления завиcит также от pН и ионной силы pаcтвоpа. Xаpактеp этиx завиcимоcтей одинаков пp и использовании ультpазвука c частотами 22 и 44 кГц. Коpоткие (менее 20 п. о.) олигонуклеотиды не pаcщепляютcя. Показано также, что фоcфатная гpуппа оcтаетcя на 5'-конце обpазующиxcя фpагментов и наиболее часто двойная cпиpаль p азpываетcя по динук-леотиду d(CpG).

Более детальное экcпеpиментальное изучение этого явления позволило получить базу данныx для веpоятноcтей pаcщепления различ-нык динуклеотидов и тетpануклеотидов [2,3]. К pоме того, была обнаpужена коppеляция между веpоятноcтью pаcщепления межнуклеотид-ной cвязи и интенcивноcтью N^S-пеpеxодов цикла Р^-дезокcиpибозы в 5'-концевом нук-леозиде pаcщепляемого динуклеотида. Механо-xимичеcкий xаpактеp пpоцеccа был подтвержден полученной экcпеpиментальной кpивой зависимости веpоятноcти pаcщепления ДНК от pаccтояния межнуклеотидной связи до концов фрагмента (см. рис. 1).

Для анализа физической природы этого явления в настоящей работе мы провели численное моделирование и оценили механические напряжения, приходящиеся на межнуклеотидные связи в высокоградиентном течении жидкости вблизи схлопывающихся кавитационных пузырьков.

Рис. 1. Типичный профиль вероятностей ультразвукового расщепления рестриктного фрагмента ДНК длиной 218 пар оснований, полученный в результате обработки электрофоретической картины после разделения на полиакриламидном геле. Высота столбца пропорциональна концентрации соответствующего фрагмента ДНК, образующегося в результате ультразвукового расщепления, а его цвет - типу нуклеозида, за которым происходит разрыв (в направлении от 5'- к 3'-концу цепи). Видно увеличение вероятности расщепления в центральной части рестриктного фрагмента ДНК и уменьшение - к его концам. Рисунок демонстрирует также специфичность расщепления к последовательности: заметно увеличение вероятности расщепления фосфодиэфирной связи, соединяющей дезоксицитидин со следующим по цепи нуклеозидом (т.е. увеличение высоты столбцов, соответствующих дезоксицитидину).

Рис. 2. Иллюстрация к модели расщепления полимеров под действием акустической кавитации. П ри схлопывании кавитационного пузырька радиуса Я жидкость устремляется к центру пузырька. Скорость движения жидкости имеет максимальное значение у поверхности пузырька и уменьшается с ростом расстояния от поверхности пузырька. Наличие градиента скорости течения жидкости приводит к тому, что скорости течения на противоположных концах полимера различны. Это приводит к возникновению растягивающего усилия ¥ в полимере, имеющего максимальное значение в центре молекулы.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Мы использовали модель Томаса, которая в настоящее время принята для объяснения ультразвуковой деградации полимеров в жидкости в условиях кавитации [4]. Разрыв молекулы полимера в среде, допускающей кавитацию при ультр азвуковом облучении, согласно данной модели, происходит благодаря высоко-

му градиенту скор ости течения жидкости вблизи пульсирующих и схлопывающихся кавита-ционных пузырьков. Гр адиент скоро сти течения вызывает растягивающее усилие в протяженных молекулах, оказавшихся в некоторой окрестности кавитационных пузырьков (см. рис. 2).

Оценка величин градиента скоро сти течения жидкости, характерных для экспериментов по расщеплению ДНК ультразвуком [3,5,6], была получена на основе анализа динамики кавита-ционного пузырька, описываемой уравнением Рэлея-Плессета:

Яй2Я 3//Я

йг2 + 21 йг

Р - Р - 2а - 4ц/йЯ 1 ~ Я ЯI йг

(1)

где Я - радиус кавитационного пузырька, г -время, р - плотность жидкости, а - поверхностное натяжение, ц - вязкость жидкости, Р1 -давление газа внутр и пузырька, а - давление окружающей пузырек жидкости. Численные значения параметров при температуре воды 0-5°С: а = 75-10-3 Н/м, ц = 1,7 мПас, р = 103 кг/м3 (справочные данные).

Учитывая малые размеры пузырька по сравнению с длиной ультразвуковой волны, изменение давления окружающей пузырек жидкости можно описать гармонической функцией: Р ^ = Р0 - Р Асо8(2л/г), где Р 0 = 105 Па - атмосферное давление, Р А = 2,4-105 Па - амплитуда давления в ультразвуковой волне, / = 22 кГц - частота

2

Рис. 3. Зависимость радиального градиента скорости течения жидкости О вблизи кавитационного пузырька на второй (промежуточной) стадии схлопывания от расстояния до поверхности пузырька d и времени г.

ультразвука в экспер именте. Величина Р А связана с интенсивностью ультразвуковой волны уравнением Ра = л/2/рс, в котором I - интенсивность ультразвуковой волны, принятая равной 2 Вт/см2, с = 1480 м/с - скор ость звука в воде.

Для описания сжатия газа в пузырьке было использовано адиабатическое приближение

Р = Р,

(К \ К о

ю

К

V /

где Р ¡о - давление насыщенного пар а в пузыр ьке в момент, когда его р адиус принимает максимальное значение К о ~ 80 мкм, у - экспериментальный показатель адиабаты для водяного пар а, равный 1,3. Адиабатическое приближение, используемое в расчетах, позволяет получить оценку «сверху» для величины внутреннего давления газа в пузырьке, которое является единственным активным фактором, противодействующим сжатию пузыр ька. Как показано в ра -боте [7], учет явлений тепло- и массопереноса при схлопывании пузырька приводит к более высоким значениям скорости схлопывания, а значит, и большим величинам радиального гра -диента скорости течения жидкости.

В зависимости от значения начального ра -диуса пузыр ька К о возможны два варианта динамического поведения: 1) если радиус пузырь-

ка меньше критического значения К с = 2</(Ра -Ро + Р{) ~ 1 мкм, то пузырек схлопнется под действием поверхностного натяжения; 2) если радиус пузырька больше Кс, то пузырек начнет раздуваться под действием отрицательного внешнего давления. Важно отметить, что при К о > К с максимальный радиус пузыр ька К т слабо зависит от начального значения К о.

Результаты численного интегрирования уравнения (1) методом Рунге-Кутты четвертого порядка с шагом по времени Дг = Ю-1° с были использованы для вычисления радиального градиента скорости течения жидкости в окр ужаю-щем пузырек пространстве. Из условия несжимаемости жидкости следует:

О =

дг

2 г3

dR dг

(2)

где О - абсолютное значение радиального гра -диента скор ости течения жидкости, V - р ади-альная скорость жидкости на расстоянии г от центра пузырька (г > К).

На рис. 3 приведены результаты расчета градиента скорости течения жидкости вблизи схлопывающегося кавитационного пузырька. Видно, что градиент скорости течения уменьшается с ростом расстояния до центра пузырька и растет по мере его схлопывания.

В используемой модели скор ость движения поверхности пузырька была ограничена скоро -стью звука в воде, так как модель некорректно описывает процессы, происходящие при дальнейшем схлопывании кавитационного пузырька. Далее эту стадию схлопывания мы будем называть пр омежуточной: этой стадии предшествует образование пузырька, его расширение и начало схлопывания.

Явления, происходящие на конечной стадии схлопывания, котор ые в данной работе не рассматривались, имеют ха рактер ные времена порядка наносекунд и связаны с катастрофическим ростом температуры и давления внутри пузырька. На этой стадии схлопывания важную роль играет упругость пара, заключенного в пузырьке, и явления теплопер ено са. С конечной стадией схлопывания кавитационного пузырька связаны химические и оптические эффекты кавитации, образование ударных волн, а также микроструй, вызванных отклонением пузырька от сферической фор мы [8].

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ РАС ТЯЖЕНИЯ Ф РАГМЕНТА ДНК

Для исследования динамики р астяжения фрагмент

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Биология»