21 лютого 2025 року в Інституті біохімії ім. О.В.Палладіна НАН України відбулося чергове засідання загальноакадемічного міждисциплінарного семінару у галузі природничих наук «Актуальні питання фізико-хімічної та математичної біології».
Із доповіддю «Протийони ДНК: від біологічних функцій до технологічних застосувань» виступив директор Інституту теоретичної фізики ім. М.М. Боголюбова НАН України доктор фізико-математичних наук Сергій Перепелиця.
Засідання відкрив його головуючий – академік НАН України Сергій Костерін, який розповів про науковий доробок доповідача в галузі теоретичної та обчислювальної біофізики.
У своїй доповіді науковець відзначив, що в природних умовах структура макромолекули ДНК має форму подвійної спіралі, що складається з пар нуклеотидів, послідовність яких кодує генетичну інформацію. Остов подвійної спіралі містить негативно заряджені фосфатні групи, що надає макромолекулі поліелектролітних властивостей. Навколо ДНК конденсуються присутні в розчині позитивно заряджені іони (протийони), в якості яких можуть бути іони металів (K+, Mg2+ та інші), а також молекулярні іони, наприклад, поліаміни. Протийони разом з молекулами води формують навколо ДНК іон-гідратну оболонку, що стабілізує структуру подвійної спіралі і значною мірою визначає її фізичні властивості. Таким чином, іон-гідратну оболонку ДНК можна розглядати як інтегральну частину макромолекули, що є визначальною для механізмів її біологічного функціонування. Доповідач підкреслив, що вирішальна роль іон-гідратного середовища для формування структури подвійної спіралі була виявлена ще в перших роботах з рентеноструктурного аналізу вологих плівок ДНК.
Зокрема, ще в роботах Розалінд Франклін було виявлено конформаційний перехід подвійної спіралі ДНК з В-форми в А-форму, який виникає при зменшенні вологості досліджуваних зразків. Подальші дослідження показали, що для стабілізації подвійної спіралі необхідно приблизно 40 молекул води на пару нуклеотидів залежно від типу протийонів. Протийони можуть розташовуватися в різних областях ДНК, зокрема біля фосфатних груп остова макромолекули та всередині жолобів подвійної спіралі. Вагомий внесок у дослідженні гідратації нуклеїнових кислот та їх комплексів з іонами металів зробили вчені Харківської біофізичної школи.
Попри значний прогрес у вивченні фізичних властивостей ДНК, залишається невирішеною проблема описання розподілу протийонів іонної атмосфери навколо подвійної спіралі, а також роль впливу протийонів на структурну організацію молекул води в гідратній оболонці. Втім, складність пов’язана з тим, що різні іони металів у водному розчині мають різний характер гідратації. Зокрема, існують позитивно гідратовані іони, наприклад Na+, які структурують воду навколо себе, і негативно гідратовані іони, наприклад Cs+, які роблять цю структуру більш рихлою. В результаті іони з різним характером гідратації по-різному впливають на структуру гідратної оболонки подвійної спіралі й мають різний розподіл навколо ДНК загалом.
У доповіді були окреслені деякі фізичні підходи для описання іонної атмосфери ДНК і зокрема висвітлена концепція динамічної іон-фосфатної ґратки, яка була розвинена в Інституті теоретичної фізики ім. М.М. Боголюбова НАН України. Також були представлені результати числового моделювання в рамках методу молекулярної динаміки для ДНК з протийонами лужних металів.
Окрему увагу доповідач приділив результатам досліджень взаємодії молекул поліамінів з ДНК. Як відомо, природні поліаміни (путресцин2+, спермідин3+ та спермін4+) присутні в клітині в мікромолярних концентраціях і виконують різні функції, які значною мірою пов’язані з ДНК. Зокрема, спермідин3+ та спермін4+ виконують важливу роль у компактизації ДНК в ядрі клітини, а у водному розчині in-vitro при певній концентрації вони індукують конденсацію макромолекули. У доповіді були представлені останні результати моделювання взаємодії молекул поліамінів з ДНК, зокрема, обговорювалися сиквенс-специфічність взаємодії поліамінів з ДНК, індуковане поліамінами формування міжспіральних ДНК-ДНК контактів, а також роль конформаційної гнучкості молекул поліамінів при їх розташуванні в різних областях подвійної спіралі.
Сергій Перепелиця відзначив, що завдяки своїм унікальним властивостям ДНК дедалі частіше використовується як матеріал у нанотехнологіях. В цьому контексті важливим є також те, що ДНК є одним із найпоширеніших біополімерів у природі, загальна маса якого за наближеними оцінками порівнянна з масою викопного палива. Це робить ДНК привабливим матеріалом з практичної точки зору. У доповіді було наведено приклад застосування ДНК в якості електроліту в літій-іонних батареях та продемонстровано результати молекулярно-динамічного моделювання комплексу Li-ДНК, які є важливими для розуміння електролітичних властивостей системи.
Із запитаннями до доповідача та обговоренням доповіді виступили: академіки НАН України Сергій Комісаренко, Анатолій Білоус, Сергій Костерін, Антон Наумовець, член-кореспондент НАН України Микола Куліш, професор Денис Колибо, професор Влада Пашинська, доктор біологічних наук Юрій Данилович, професор Іван Шафраньош, член-кореспондент НАН України Ігор Фрицький, професор Ольга Матишевська, науковий співробітник Ольга Меженська та інші.
Наступне засідання загальноакадемічного міждисциплінарного наукового семінару «Актуальні питання фізико-хімічної та математичної біології» заплановане на березень 2025 року.
ВІДЕОЗАПИС СЕМІНАРУ: https://youtu.be/wn6dqfuMko0
За інформацією Інституту біохімії ім. О.В.Палладіна НАН України
