Какая вода лучше всего подходит для ДНК: новое исследование
![Василий Макаров](https://images11.popmeh.ru/upload/img_cache/670/670f88d5f29ea69baad004df1b9c1606_cropped_50x50.jpg)
![Какая вода лучше всего подходит для ДНК: новое исследование](https://images11.popmeh.ru/upload/img_cache/6a1/6a1a5c2ef8b96e4f70a600a24c7b8576_ce_780x520x71x0_cropped_666x444.jpg)
Полученные результаты помогут точнее моделировать поведение ДНК, в том числе для разработки возможных лекарств от рака
Клетка в течение своей жизни использует записанную в ДНК информацию для синтеза необходимых для жизни белков и РНК. В клетках животных и человека ДНК свернута в хромосомы, которые находятся в ядре, где концентрация калия значительно превышает концентрацию натрия. В то же время экспериментальные растворы, в которых содержится ДНК, обычно содержат хлорид натрия, что отличает их от природной среды хранения ДНК. Это может повлиять на результаты экспериментов и отдалить их от реальности. В клетке ионы, окружающие ДНК, необходимы для стабилизации ее структуры. Обе нити ДНК несут на себе большой отрицательный заряд, из-за которого в отсутствие ионов и воды нити молекулы могут разъединиться. Экранирование заряда молекулами воды и ионами не позволяет нитям оттолкнуться друг от друга. Взаимодействие нитей ДНК друг с другом регулируется распределением ионов вокруг ДНК. Также для правильного функционирования ДНК и РНК часто необходимо связывание иона натрия или калия в специфичном кармане между нуклеотидами. Например, структура из четырех нуклеотидов — G-квартет (рисунок 1) стабилизируется ионом калия в центре. G-квартет играет важную роль в развитии рака. Возможно, воздействие на него поможет приблизиться к излечению некоторых онкологических заболеваний.
![Несколько G-квартетов составляют G-квадруплекс](https://images11.popmeh.ru/upload/img_cache/99e/99e4395e0db3c099c1f6056055f32a86_cropped_550x293.jpeg)
Для исследования взаимодействий ионов с ДНК хорошо подходит моделирование методом молекулярной динамики. Оно позволяет вычислять зависимости координат атомов от времени. На скорости движения ионов и атомов ДНК влияют используемая в симуляции модель воды и параметры ионов. Для точного моделирования критически важно подобрать верные параметры составляющих системы. Работа опубликована в журнале Journal of Chemical Theory and Computation.
Авторы сделали симуляции ДНК в растворах хлоридов натрия и калия с использованием четырех наиболее широко применяемых комбинаций моделей воды и ионов. Ученые вычислили зависимости концентрации ионов натрия и калия от расстояния до оси ДНК (рисунок 2) и сравнили их между собой. Также некоторые детали распределений удалось сравнить с имеющимися экспериментальными результатами. Оказалось, что при использовании одной из моделей воды ионы калия связывались с ДНК в специфических сайтах гораздо лучше, чем в остальных симуляциях, что соответствует экспериментальным наблюдениям. Однако в симуляциях с этой моделью воды ионы натрия притягивались к ДНК в слишком больших количествах. Модель OPC (optimal point charge) с одним из наборов параметров ионов показала удовлетворительное связывание калия с ДНК и нужное количество сконденсированного на ДНК натрия. Она может быть использована как компромиссный вариант.
![Вычисленные зависимости концентрации ионов от расстояния до оси ДНК в симуляциях с использованием разных моделей воды](https://images11.popmeh.ru/upload/img_cache/5c3/5c3958d1a884c63163f9086c58147e0a_cropped_666x663.jpg)
«Наше сравнение подчеркивает одну из основных проблем молекулярного моделирования ДНК — сложность подбора модели воды и параметров ионов моделируемой системы. Мы надеемся, что полученные результаты помогут научному сообществу получать более точные результаты при моделировании ДНК. Также мы выявили некоторые различия во взаимодействии ионов натрия и калия с ДНК. Замена натрия на калий в экспериментальных растворах может сделать получаемые результаты гораздо более применимыми в индустрии», — рассказал Егор Колесников, аспирант МФТИ.
Материал предоставлен пресс-службой МФТИ