Рентгеновское рассеяние раскроет секреты ДНК

Сложно представить современные исследования без наук о жизни. Ученые стремятся не только познать фундаментальные законы работы вселенной, но и улучшить качество жизни человечества, решить острые вопросы здравоохранения, сельского хозяйства, экологии, поиска новых источников энергии. Задачи в области наук о жизни давно и прочно вошли в круг исследований Объединенного института. Начинается создание медицинского циклотрона MSC-230, ведутся исследования влияния космического излучения на живые организмы, а также генетические исследования долголетия, накоплен огромный опыт в области протонной терапии, активно развивается комплекс ARIADNA для прикладных исследований, в том числе медицинских, на будущем коллайдере NICA. И список, конечно, этим не ограничивается. Расширяется и приборная база института для этих целей. Новая станция рентгеновского рассеяния Xeuss 3.0 в Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ среди прочего используется для исследований в этой области знаний.

Богатый выбор держателей образцов позволяет специалистам изучать биологические объекты в растворе. Такие работы недавно проводила научный сотрудник Петербургского института ядерной физики имени Б.П. Константинова (ПИЯФ) кандидат физико-математических наук Екатерина Яшина, которая в 2020 году защитила диссертацию в ОИЯИ.

«Основной объект наших исследований — хроматин, содержимое ядра биологической клетки. В ядре хранится и функционирует ДНК, т.е. генетическая информация об организме. Это очень большая молекула: если развернуть ДНК человека, ее длина составит около 2 метров», — отмечает Екатерина. Эта длинная полимерная молекула «запакована» в ядро с помощью специальных архитектурных белков, т.е. она определенным образом «уложена» в ядре. Интересен тот факт, что объем этого ядра относительно небольшой, но при этом такая структура все равно позволяет выполнять все биологически заложенные функции. «Молекула не может быть устроена хаотично, как нить в клубке, — подчеркивает научный сотрудник ПИЯФ. — Существует специальная многоуровневая организация хроматина. Именно ее мы и изучаем с помощью малоуглового рассеяния на станции ЛНФ».

Большинство биологических открытий в области изучения ДНК было сделано с использованием метода микроскопии. Однако он имеет ряд ограничений. Например, он позволяет увидеть лишь поверхность изучаемого образца, кроме того, не всегда возможно изучение объекта в нативных условиях, и существуют ограничения для размеров образцов. Поэтому для изучения внутренней структуры биологических объектов широко используются методы рассеяния.

Основным методом изучения хроматина в ядре биологической клетки, который использует научная группа из ПИЯФ под руководством Сергея Григорьева, в составе которой работает Екатерина, является малоугловое и ультрамалоугловое рассеяние нейтронов. За пять лет работы группы были исследованы ядра куриных эритроцитов, ядра клеток HeLa и ядра крысиных лимфоцитов на установках KWS-2 и KWS-3 Международного нейтронного центра MLZ, Германия, Гархинг. Из-за технических проблем работа центра в последние два года приостановлена, что побуждает ученых осваивать новые методики и новые экспериментальные станции.

«С рентгеновским излучением я работаю впервые. Так как сейчас наблюдается дефицит нейтронов, мы осваиваем новые горизонты, новые методы», — подчеркивает ученая из ПИЯФ. Она отметила ряд преимуществ рентгеновской установки для исследований биологических объектов. Поскольку интенсивность рентгеновских и синхротронных источников гораздо выше, чем источников нейтронов, то измерения на них проводятся с лучшим разрешением, вследствие чего все особенности в кривой рассеяния проявляются гораздо отчетливее, измерения проходят быстрее, а объема образца требуется гораздо меньше. Для изучения объектов на Xeuss 3.0 требуется объем образца, меньший в несколько раз по сравнению с экспериментом на лучшей малоугловой нейтронной станции, а скорость получения данных больше приблизительно в два раза. Однако техника вариации контраста, которая востребована в биологических исследованиях и хорошо апробирована в нейтронном рассеянии, с помощью рентгена пока трудноосуществима, хотя и возможна.

По словам Екатерины Яшиной, молекула ДНК упакована фрактальным образом. «До исследований на Xeuss 3.0 мы обнаружили с помощью малоуглового рассеяния нейтронов на экспериментах в Германии, что хроматин имеет бифрактальную структуру, — отметила Екатерина. — На больших масштабах структура хроматина описывается моделью логарифмического фрактала, а на меньших масштабах — моделью объемного фрактала».

Термин фрактала впервые ввел Бенуа Мандельброт в конце 60-х гг. прошлого века. Его назначение — описывать сложные объекты. По сути, это некий принцип самоподобия, при котором один структурный элемент объекта повторяется в следующем. Яркие примеры фракталов — треугольник Серпинского, кривая Коха или любая береговая линия. Все вышеперечисленные примеры соответствуют регулярным фракталам, которые в рамках концепции малоуглового рассеяния на фракталах соответствуют объемным фракталам, которые характеризуются соответствующими фрактальными размерностями. Термин «логарифмический фрактал» был введен относительно недавно, и одним из многочисленных примеров логарифмического фрактала является фрактал, описывающий закон роста дерева [1].

Пока группе ученых из ПИЯФ удалось изучить небольшое количество образцов. Чтобы исследовать строение хроматина с использованием нейтронов, Екатерина Яшина с коллегами использовала ядра куриных эритроцитов [2], клеточную линию ядер HeLa (раковые клетки) [3], ядра крысиных лимфоцитов (иммунные клетки) [4]. У всех трех образцов была обнаружена бифрактальная организация хроматина с объемным и логарифмическим фракталами. Ученые полагают, что такая бифрактальная организация хроматина в ядрах биологических клеток является универсальной и необходима клетке для осуществления ее биологических функций. Однако эта гипотеза должна быть проверена многочисленными экспериментами и моделированием. Также немаловажно понять, какие воздействия могут влиять на хроматин и каким образом мы можем менять его структуру. Для этого ученые сформулировали несколько экспериментов, чтобы понять, как структура хроматина связана с биологическими функциями ДНК, такими как транскрипция, т.е. считывание информации о структуре белков, которые должна синтезировать клетка, или репарация, т.е. восстановление, «ремонт» ДНК. На установке Xeuss 3.0 исследователи из ПИЯФ изучают ядра бессмертных клеточных линий, которые были обработаны специальными веществами, исследуют то, как усиленная репарация или подавление транскрипции изменяют структуру хроматина.

1. S. V. Grigoriev, O. D. Shnyrkov, P. M. Pustovoit, E. G. Iashina, and K. A. Pshenichnyi, Experimental evidence for logarithmic fractal structure of botanical trees, Phys. Rev. E 105, 044412 (2022)
2. S. V. Grigoriev, E. G. Iashina, V. Yu. Bairamukov, V. Pipich, A. Radulescu, M. V. Filatov, R. A. Pantina, and E. Yu. Varfolomeeva, Switch of fractal properties of DNA in chicken erythrocytes nuclei by mechanical stress, Phys. Rev. E 102, 032415 (2020)
3. S. V. Grigoriev, E. G. Iashina, B. Wu, V. Pipich, Ch. Lang, A. Radulescu, V. Yu. Bairamukov, M. V. Filatov, R. A. Pantina, and E. Yu. Varfolomeeva, Observation of nucleic acid and protein correlation in chromatin of HeLa nuclei using small-angle neutron scattering with D₂O-H₂O contrast variation, Phys. Rev. E 104, 044404 (2021)
4. E. G. Iashina, E. Yu. Varfolomeeva, R. A. Pantina, V. Yu. Bairamukov, R. A. Kovalev, N. D. Fedorova, V. Pipich, A. Radulescu, and S. V. Grigoriev, Bifractal structure of chromatin in rat lymphocyte nuclei, Phys. Rev. E 104, 064409 (2021)

Информация и фото предоставлены пресс-службой Объединенного института ядерных исследований