Магнитный сенсор на основе ДНК

Hore Peter ORCID: 0000-0002-8863-570X PhD, Fellows of the Royal Society, Professor, University of Oxford ., Великобритания, г. Oxford, ул. South Parks Road, . Hore Peter PhD, Fellows of the Royal Society, Professor, University of Oxford ., Great Britain, Oxford, South Parks Road, . peter.hore@chem.ox.ac.uk

Это статья в открытом доступе, опубликованная в соответствии с лицензией ACS AuthorChoice License, которая разрешает копирование и распространение статьи или любых ее адаптаций в некоммерческих целях.

Опубликовано 13 марта 2018 г.

DOI: 10.1021/acscentsci.8b00091
ACS Cent. Sci. 2018, 4, 318−320

Как цитировать эту статью:

ACS Cent. Sci. 2018, 4, 3, 318–320
Publication Date: March 13, 2018
https://doi.org/10.1021/acscentsci.8b00091
Copyright © 2018 American Chemical Society

Чувствительность ферментов репарации ДНК к слабым магнитным полям может иметь отношение к механизму, с помощью которого птицы ощущают магнитное поле Земли.

Северные каменки – мелкие перелетные певчие птицы, вес которых примерно равен весу батареи АА, ежегодно пролетают 30000 км с Аляски через Азию в Кению и обратно ^[1]. Их способность делать это в решающей степени зависит от наличия внутреннего магнитного компаса, с помощью которого можно ощущать магнитное поле Земли. Похоже, что у всех перелетных птиц есть такой светозависимый компас. Хотя ясно, что первичные магниторецепторы расположены в сетчатке глаза птиц, химическая идентичность сенсоров и биофизический сенсорный механизм остаются загадкой ^[2]. Недавно Жаклин Бартон и ее коллеги из Калифорнийского технологического института в сотрудничестве с Дунпином Чжуном из Университета штата Огайо интригующе предположили, что за это может быть ответственен фермент репарации ДНК ^[3].

Рассматриваемым ферментом является фотолиаза, фотоактивный белок, содержащий флавинадениндинуклеотид (FAD) в качестве основного хромофора. Фотолиазы восстанавливают повреждения ДНК, например, путем расщепления димеров циклобутан-пиримидина (CPD), которые могут образовываться соседними тиминовыми основаниями после поглощения ультрафиолетового света (рис. 1). Механизм репарации включает фотовозбуждение FADH^- синим светом, — это полностью восстановленное состояние кофактора, — за которым следует перенос электрона от флавина к поврежденной ДНК с образованием пары радикалов, с одним неспаренным электроном на CPD и другим на флавине (FADH^*). Затем циклобутановые связи, связывающие два тимина, последовательно рвутся, и электрон возвращается к флавину. Весь процесс завершается в течение наносекунды ^[4].

Новое исследование Zwang et al. ^[3] использует тонкий электрохимический метод для мониторинга репарации повреждений CPD в монослоях дуплексов ДНК из 29 пар оснований, связанных с фотолиазой Escherichia coli. Примечательно, что скорость репарации, или восстановления, зависит от интенсивности и направления внешнего магнитного поля, создаваемого соседним магнитом из сплава Nd-Fe-B. Даже более слабые магнитные поля, чем земные (около 40 мкТл в лаборатории Бартон), оказывают заметное влияние на эффективность восстановления.

Отдельные молекулы настолько слабо магнитны, что их взаимодействие с магнитным полем в 40 мкТл обычно полностью подавляется их хаотическими тепловыми движениями, энергия которых в миллион раз больше. Однако радикальные пары обладают уникальными свойствами: они могут существовать в долгоживущих когерентных спиновых состояниях и вступать в спин-селективные химические реакции. Эти особенности делают их чувствительными к мельчайшим магнитным взаимодействиям ^[2]. Действительно, популярная в настоящее время гипотеза механизма компасной магниторецепции основана на индуцированных светом парах радикалов в близкородственном белке, криптохроме ^[5]. Криптохромы широко встречаются в природе, в том числе в сетчатке птиц ^[6], имеют набор функций и обычно считаются эволюционными потомками фотолиаз. Они также содержат хромофор FAD, но образуют магниточувствительные радикальные пары другим светозависимым путем: переносом электрона от ароматических остатков аминокислот на полностью окисленный FAD ^[7]. По большей части криптохромы не обладают функцией репарации ДНК.

Исследование Бартона — первое, в котором сообщается о влиянии магнитного поля на репарацию ДНК, опосредованную фотолиазой, и результаты, похоже, согласуются с магнетохимическим механизмом радикальных пар. Магнитное поле ингибирует репарацию ДНК, как и следовало ожидать от радикальной пары, созданной в синглетном состоянии, и эффект достигает насыщения при правдоподобной напряженности поля (∼3 мТл). Также, как и ожидалось, изменение скорости репарации не зависит от инверсии магнитного поля, но во всем остальном чувствительно к углу между вектором поля и осью выравнивания комплексов белок-ДНК. Что важно для потенциального компасного сенсора, магнитный эффект Бартон значительно больше, чем все, о чем сообщалось ранее для криптохромов, где эффекты наблюдались только для магнитных полей более 1 мТл ^[7].

Тем не менее, есть некоторые загадочные аспекты. Учитывая время жизни и разделение радикалов в фотолиазе, удивительно, что эффект магнитного поля вообще можно наблюдать. Все радикалы исчезают в течение 1 нс, и в частности радикальная пара, наиболее вероятно являющаяся магниточувствительной. Это пара, содержащая радикал FAD и молекулу CPD, в которой разорвана связь C5-C5', но не связь C6-C6'. Согласно сверхбыстрым спектроскопическим измерениям, она живет менее 100 пс ^[8]. Но чтобы существенно реагировать на магнитное поле 40 мкТл, радикальная пара должна существовать не менее 1 мкс ^[9].

Более того, два радикала расположены достаточно близко друг к другу: край изоаллоксазинового кольца FAD удален на ∼0,8 нм от 5′-стороны CPD и всего на ∼0,43 нм от 3′-стороны ^[8]. На этих расстояниях можно ожидать сильного электронного обменного взаимодействия, которое запирало бы радикальную пару в ее исходном синглетном спиновом состоянии и блокировало бы любой эффект гораздо более слабых взаимодействий, которые вызывают зависимость от магнитного поля. Эта проблема становится еще более серьезной, если, как предполагается ^[3], пара радикалов ограничена пиримидиновым димером. Например, бирадикал 1,4, образующийся в результате гомолитического разрыва связи C5-C5' (рис. 5 в Zwang et al. ^[3]), будет иметь даже большее обменное взаимодействие, чем более традиционная пара FADH^* + CPD^*-.

Одним из способов разрешения некоторых из этих неопределенностей может быть использование фемтосекундных методов Д. Чжуна ^[3] для поиска влияния магнитного поля как на время жизни ~100-пс состояния FADH^*+[T—T]^*-, так и на коэффициент ветвления его прямой (-> FADH^*+T+T^*-) и обратной (-> FADH^-+[T—T]) стадий реакции. Кроме того, если это еще не известно, возможно, стоило бы установить наличие и распределение фотолиаз в сетчатке перелетных певчих птиц.