Многие химические вещества имеют узлы или звенья как часть своей структуры. Но синтез новых веществ, которые связывают себя узлами на молекулярном уровне, невероятно сложно. Лю нашел способ создать большое количество крошечных узлов диаметром от 15 до 20 нанометров (меньше вируса) на фрагменте одноцепочечной ДНК.«Никто не мог этого сделать раньше», — сказал Йоси Вейцманн, доцент кафедры химии и соавтор статьи. «Ди нашел способ синтезировать что-то очень сложное».
Вызов был частью того, что его привлекало. Лю, Вейцманн и трое соавторов опубликовали свои выводы 4 июля 2016 года в журнале Nature Chemistry.
«Некоторые люди хотят бежать быстрее, некоторые хотят прыгать выше. Химики хотят создавать более сложные молекулы», — сказал Лю. «Это демонстрация наших возможностей».
Но узлы — это больше, чем просто проявление силы. Они представляют собой способ имитировать то, что происходит с ДНК внутри клеток, и предлагают возможный инструмент для атаки на фермент, имеющий решающее значение для выживания раковых клеток."Суперспиральная" ДНКДНК — длинная молекула.
В живых клетках он должен скручиваться, чтобы соответствовать ядру клетки, и при этом он становится «суперспиральным» — эффект, подобный завязанному узлу. Подобно слишком туго скрученной нити, короткие сегменты скручиваются сами по себе, запутываются и отталкиваются в сторону от основной нити, нарушая способность ДНК функционировать.
Когда ДНК требуется репликация, фермент под названием ДНК-топоизомераза разрезает суперспирали и распутывает их, снимая напряжение в нити. Затем он снова соединяет отрезанные концы, чтобы ДНК могла функционировать. Это настолько сложный подвиг, что Джеймс Ван, первооткрыватель ферментов, назвал его «волшебником мира ДНК». Это также делает топоизомеразу главной мишенью для противораковых препаратов: если топоизомераза в раковой клетке не функционирует, раковая клетка погибнет.
Лю использует узловатую ДНК в качестве зонда для определения активности топоизомеразы. Сначала он заставляет узлы формироваться из стратегически разработанных последовательностей одноцепочечной ДНК и более коротких сегментов, которые он называет «скрепками». Четыре нуклеотида, которые образуют связь ДНК друг с другом в соответствии со строгими правилами: A связывается только с T; C связывается только с G. Таким образом, выбирая последовательность нуклеотидов на скобах, Лю может управлять тем, где каждый из них будет прикрепляться к длинной цепи.Используя этот метод, Лю стимулировал формирование девяти различных узловых структур, некоторые, как он признал, просто для интеллектуального удовлетворения от возможности сделать это.
После формирования структуры фермент запечатывает концы, а другой фермент удаляет скобки.Когда топоизомераза вводится во флакон, содержащий связанную ДНК, она разрезает узел, распутывает его и запечатывает его концы, образуя круг, «развязывая» узел.
Относительное количество узлов и кругов после добавления топоизомеразы показывает, насколько активен фермент в развязывании узлов: чем меньше кругов, тем меньше действие.Тестирование, повторное тестированиеЧтобы проверить потенциальное лекарство против топоизомеразы, исследователи могут запустить тест до и снова после введения лекарства и посмотреть, ингибирует ли лекарство действие фермента. Но метод, который химики обычно используют для таких анализов — гель-электрофорез — слишком медленный, чтобы быть практическим способом отбора кандидатов на лекарства.
Лю придумал альтернативу. Он понял, что ему не нужно видеть сами узлы; ему просто нужно было увидеть доказательства того, что фермент развязал их.
А поскольку круги ДНК могут реплицироваться, а узлы — нет, он искал репликацию, которую легко обнаружить с помощью флуоресцентного красителя, который связывается с ДНК.«Вы обнаруживаете активность топоизомеразы, потому что она может развязать узел в круг», — сказал Вейцман. «А если ДНК не имеет узлов, то вы можете обнаружить репликацию.
А поскольку этот метод не требует электрофореза, его можно использовать для высокопроизводительного скрининга лекарств против этого фермента».Лю и Вейцманн планируют начать тестирование библиотеки химических веществ, начиная с молекул, уже одобренных FDA. «Их сотни, — сказал Вейцманн. — Если вы во что-то попадаете, вы начинаете это изучать.
Если вы этого не сделаете, вы перейдете к другим. Это метод проб за ошибкой. Но у вас есть возможность просматривать сотни, потому что этот метод очень прост ».