vavilovВавиловский журнал генетики и селекцииVavilov Journal of Genetics and Breeding2500-3259Institute of Cytology and Genetics of Siberian Branch of the RASvavilov-332Research ArticleСтатьиArticlesЗАВИСИМОСТЬ РАЗМЕРОВ ГЛОБУЛЫ ДНК В ГАЗОВОЙ ФАЗЕ ОТ ДЛИНЫ ЦЕПИDEPENDENCE OF A GAS-PHASE DNA GLOBULE SIZE ON CHAIN LENGTHГорячковскаяТ. Н.GoryachkovskayaT. N.peltek@bionet.nsc.ruКозловА. С.KozlovA. S.ПопикВ. М.PopikV. M.КолчановН. А.KolchanovN. A.peltek@bionet.nsc.ruПельтекС. Е.PeltekS. E.peltek@bionet.nsc.ruФедеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук», Новосибирск, РоссияРоссияInstitute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, RussiaRussian FederationФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт кинетики и горения Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск, РоссияРоссияInstitute of Chemical Kinetics and Combustion SB RAS, Novosibirsk, RussiaRussian FederationФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск, РоссияРоссияBudker Institute of Nuclear Physics SB RAS, Novosibirsk, RussiaRussian FederationФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск, Россия Новосибирский национальный исследовательский государственный университет, Новосибирск, РоссияРоссияInstitute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia Novosibirsk National Research State University, Novosibirsk, RussiaRussian Federation201422012015184/210131021Copyright © Горячковская Т.Н., Козлов А.С., Попик В.М., Колчанов Н.А., Пельтек С.Е., 20152015Горячковская Т.Н., Козлов А.С., Попик В.М., Колчанов Н.А., Пельтек С.Е.Goryachkovskaya T.N., Kozlov A.S., Popik V.M., Kolchanov N.A., Peltek S.E.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vavilov.elpub.ru/jour/article/view/332

Современные тенденции использования ДНК в нано- и биотехнологиях ставят задачу разработки новых методов анализа молекул ДНК на основе развивающейся приборной базы. Нами разработан метод мягкой неразрушающей абляции для перевода молекул ДНК в аэрозольную фазу при помощи терагерцевого излучения. В настоящей работе с помощью диффузионного спектрометра аэрозолей были проведены измерения размеров наночастиц ДНК в газовой фазе. Изменения, происходящие с ДНК в газовой фазе, были визуализированы при помощи атомно-силовой микроскопии (АСМ). Сопоставление измерений диффузионных размеров аэрозольных частиц плазмиды pUC18 и измерений с применением АСМ дает основания предполагать, что в газовой фазе происходит процесс конденсации молекул ДНК. Построена модель согласно закономерностям, предложенным современными представлениями о процессе конденсации ДНК и формирования глобулы. Теоретические расчеты хорошо совпали с экспериментальными результатами. Экспериментально оцененная персистентная длина ДНК в газовой фазе составила около 0,5 нм, что свидетельствует об отсутствии распределенного заряда на поверхности ДНК в газовой фазе и неионизирующем характере терагерцевого излучения. Исследование конформационных состояний ДНК в газовой фазе позволит расширить знания о закономерностях компактизации ДНК в естественных и искусственных условиях.

Modern trends in using DNA in nano- and biotechnologies generated the need for new methods of analyzing DNA molecules with up-to-date equipment. We developed a method of mild nondestructive ablation with terahertz radiation for bringing DNA molecules to aerosol. DNA nanoparticles were measured in the gas phase with a diffusion aerosol spectrometer. Changes that happen to DNA in the gas phase were visualized by atomic force microscopy (AFM). Comparison of diffusion sizes of plasmid pUC18 aerosol particles with those obtained by AFM indicated that DNA molecules experienced condensation in the gas phase. We constructed a model on the base of modern concepts of DNA condensation and globule formation. The predictions matched well the experimental data. The persistence DNA length estimated in the gas phase was about 0.5 nm. This fact points to the absence of distributed charge on the DNA surface in the gas phase and the nonionizing habit of terahertz radiation. Study of DNA conformations in the gas phase will add to the understanding to DNA compactness under natural and artificial conditions.

конденсация ДНКперсистентная длинаупаковка ДНКдесорбция ДНКатомно-силовая микроскопияизмерение размеров аэрозольных частицDNA condensationpersistence lengthDNA packageDNA desorptionatomic force microscopyaerosol particle size measurementПрезидиум РАНReferencesАнкилов А.Н., Бакланов А.М., Козлов А.С., Малышкин С.Б. Определение концентрации аэрозолеобразующих веществ в атмосфере // Оптика атмосферы и океана. 2000. Т. 13. № 6-7. С. 644–647.Анкилов А.Н., Бакланов А.М., Козлов А.С., Малышкин С.Б. Определение концентрации аэрозолеобразующих веществ в атмосфере // Оптика атмосферы и океана. 2000. Т. 13. № 6-7. С. 644–647.Ветошкин А.Г., Таранцева К.Р. Технология защиты окружающей среды (теоретические основы). Пенза, 2004. 249 с.Ветошкин А.Г., Таранцева К.Р. Технология защиты окружающей среды (теоретические основы). Пенза, 2004. 249 с.Либенсон М.Н., Шандыбина Г.Д., Шахмин А.Л. Химический анализ продуктов абляции наносекундного диапазона // Журнал технической физики. 2000. Т. 70. Вып. 9. С. 124–127.Либенсон М.Н., Шандыбина Г.Д., Шахмин А.Л. Химический анализ продуктов абляции наносекундного диапазона // Журнал технической физики. 2000. Т. 70. Вып. 9. С. 124–127.Пельтек С.Е., Попик В.М., Горячковская Т.Н., Мордвинов В.А., Петров А.К. Способ абляции целевой ДНК с поверхности ДНК-биочипов. Патент РФ № 2410439. 2009.Пельтек С.Е., Попик В.М., Горячковская Т.Н., Мордвинов В.А., Петров А.К. Способ абляции целевой ДНК с поверхности ДНК-биочипов. Патент РФ № 2410439. 2009.Тейф В.Б., Ландо Д.Ю. Конденсация ДНК, вызванная адсорбцией лигандов // Молекулярная биология. 2001. Т. 35. № 1. С. 117–119.Тейф В.Б., Ландо Д.Ю. Конденсация ДНК, вызванная адсорбцией лигандов // Молекулярная биология. 2001. Т. 35. № 1. С. 117–119.Флори П.Д. Статистическая механика цепных молекул. М., 1971.Флори П.Д. Статистическая механика цепных молекул. М., 1971.Хохлов А.Р., Кучанов С.И. Лекции по физической химии полимеров. М., 2000.Хохлов А.Р., Кучанов С.И. Лекции по физической химии полимеров. М., 2000.Barbara A., Shehadeh-Masha’our R., Garzozi H.J. Laser ablation in eyes with congenital nystagmus // J. Refract. Surg. 2007. V. 23 (6). P. 623–625.Barbara A., Shehadeh-Masha’our R., Garzozi H.J. Laser ablation in eyes with congenital nystagmus // J. Refract. Surg. 2007. V. 23 (6). P. 623–625.Baumann C.G., Smith S.B., Bloomfi eld V.A., Bustamante C. Ionic effects on the elasticity of single DNA molecules // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1997. V. 94. P. 6185– 6190.Baumann C.G., Smith S.B., Bloomfi eld V.A., Bustamante C. Ionic effects on the elasticity of single DNA molecules // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1997. V. 94. P. 6185– 6190.Bloomfi eld V.A. DNA condensation // Curr. Opin. Struct. Biol. 1996. V. 6 (3). P. 334–341.Bloomfi eld V.A. DNA condensation // Curr. Opin. Struct. Biol. 1996. V. 6 (3). P. 334–341.Conwell C.C., Vilfan I.D., Hud N.V. Controlling the size of nanoscale toroidal DNA condensates with static curvature and ionic strength. // PNAS. 2003. V. 100 (16). P. 9296–9301.Conwell C.C., Vilfan I.D., Hud N.V. Controlling the size of nanoscale toroidal DNA condensates with static curvature and ionic strength. // PNAS. 2003. V. 100 (16). P. 9296–9301.Gavrilov N.G., Knyazev B.A., Kolobanov E.I. et al. Status of the Novosibirsk high-power terahertz FEL // Nuclear instruments and methods in physics research. Sec. A. 2007. V. 575 (1/2). P. 54–57.Gavrilov N.G., Knyazev B.A., Kolobanov E.I. et al. Status of the Novosibirsk high-power terahertz FEL // Nuclear instruments and methods in physics research. Sec. A. 2007. V. 575 (1/2). P. 54–57.Hagerman P.J. Flexibility of DNA // Ann. Rev. Biophys.Biophys. Chem. 1988. V. 17. P. 265–286.Hagerman P.J. Flexibility of DNA // Ann. Rev. Biophys.Biophys. Chem. 1988. V. 17. P. 265–286.Klimenko S.M., Tikchonenko T.I., Andreev V.M. Packing of DNA in the head of bacteriophage T2 // J. Mol. Biol. 1967. V. 23 (3). P. 523–533.Klimenko S.M., Tikchonenko T.I., Andreev V.M. Packing of DNA in the head of bacteriophage T2 // J. Mol. Biol. 1967. V. 23 (3). P. 523–533.Lyubchenko Y.L., Shlyakhtenko L.S. AFM for analysis of structure and dynamics of DNA and protein-DNA complexes // Methods. 2009. V. 47 (3). P. 206–213.Lyubchenko Y.L., Shlyakhtenko L.S. AFM for analysis of structure and dynamics of DNA and protein-DNA complexes // Methods. 2009. V. 47 (3). P. 206–213.Manning G.S. The molecular theory of polyelectrolyte solutions with applications to the electrostatic properties of polynucleotides // Q. Rev. Biophys. 1978. V. 11. P. 179–246.Manning G.S. The molecular theory of polyelectrolyte solutions with applications to the electrostatic properties of polynucleotides // Q. Rev. Biophys. 1978. V. 11. P. 179–246.Mazur A.K. Evaluation of Elastic Properties of Atomistic DNA Models // Biophysical J. 2006. V. 91. P. 4507–4518.Mazur A.K. Evaluation of Elastic Properties of Atomistic DNA Models // Biophysical J. 2006. V. 91. P. 4507–4518.Murphy L.D., Zimmerman S.B. Condensation and cohesion of lambda DNA in cell extracts and other media: implications for the structure and function of DNA in prokaryotes // Biophys. Chem. 1995. V. 57 (1). P. 71–92. Neidle S. DNA structure and recognition. Oxford: IRL Press, 1994. 147 p.Murphy L.D., Zimmerman S.B. Condensation and cohesion of lambda DNA in cell extracts and other media: implications for the structure and function of DNA in prokaryotes // Biophys. Chem. 1995. V. 57 (1). P. 71–92. Neidle S. DNA structure and recognition. Oxford: IRL Press, 1994. 147 p.Piacenza M., Grimme S. Systematic quantum chemical study of DNA-base tautomers // J. Comput Chem. 2004. V. 25 (1). P. 83–99.Piacenza M., Grimme S. Systematic quantum chemical study of DNA-base tautomers // J. Comput Chem. 2004. V. 25 (1). P. 83–99.Post C.B., Zimm B.H. Internal condensation of a single DNA molecule // Biopolymers. 1979. V. 18. P. 1487–1501.Post C.B., Zimm B.H. Internal condensation of a single DNA molecule // Biopolymers. 1979. V. 18. P. 1487–1501.Raspaud E., Olvera de la Cruz M., Sikorav J.-L., Livolant F. Precipitation of DNA by Polyamines: A Polyelectrolyte Behavior // Biophysical J. 1998. V. 74. P. 381 393.Raspaud E., Olvera de la Cruz M., Sikorav J.-L., Livolant F. Precipitation of DNA by Polyamines: A Polyelectrolyte Behavior // Biophysical J. 1998. V. 74. P. 381 393.Rouzina I., Bloomfi eld V. Force-Induced Melting of the DNA Double Helix 1. Thermodynamic Analysis // Biophysical Journal. 2001. V. 80. P. 882–893.Rouzina I., Bloomfi eld V. Force-Induced Melting of the DNA Double Helix 1. Thermodynamic Analysis // Biophysical Journal. 2001. V. 80. P. 882–893.Rueda M., Kalko S.G., Luque F.J., Orozco M. The structure and dynamics of DNA in the gas Phase // J. Am. Chem. Soc. 2003. V. 125 (26). P. 8007–8014.Rueda M., Kalko S.G., Luque F.J., Orozco M. The structure and dynamics of DNA in the gas Phase // J. Am. Chem. Soc. 2003. V. 125 (26). P. 8007–8014.Sarkar T., Vitoc I., Mukerji I., Hud N.V. Bacterial protein HU dictates the morphology of DNA condensates produced by crowding agents and polyamines // Nucleic Acids Research. 2007. V. 35 (3). P. 951–961.Sarkar T., Vitoc I., Mukerji I., Hud N.V. Bacterial protein HU dictates the morphology of DNA condensates produced by crowding agents and polyamines // Nucleic Acids Research. 2007. V. 35 (3). P. 951–961.Schmutz M., Durand D., Debin A. et al. DNA packing in stable lipid complexes designed for gene transfer imitates DNA compaction in bacteriophage // PNAS. 1999. V. 96 (22). P. 12293–12298.Schmutz M., Durand D., Debin A. et al. DNA packing in stable lipid complexes designed for gene transfer imitates DNA compaction in bacteriophage // PNAS. 1999. V. 96 (22). P. 12293–12298.Senkan S., Kahn M., Duan S., Ly A., Leidholm C. Highthroughput metal nanoparticle catalysis by pulsed laser ablation // Catalysis Today. 2006. V. 117. P. 291–296.Senkan S., Kahn M., Duan S., Ly A., Leidholm C. Highthroughput metal nanoparticle catalysis by pulsed laser ablation // Catalysis Today. 2006. V. 117. P. 291–296.Shotton M.W., Pope L.H., Forsyth T. et al. A high-angle neutron fi bre diffraction study of the hydration of deuterated ADNA // Biophys. Chem. 1997. V. 69. P. 85–96.Shotton M.W., Pope L.H., Forsyth T. et al. A high-angle neutron fi bre diffraction study of the hydration of deuterated ADNA // Biophys. Chem. 1997. V. 69. P. 85–96.Wang W., Lin J., Schwartz D. Scanning force microscopy of DNA molecules elongated by convective fluid flow in an evaporating droplet // Biophys J. 1998. V. 75 (1). P. 513–520.Wang W., Lin J., Schwartz D. Scanning force microscopy of DNA molecules elongated by convective fluid flow in an evaporating droplet // Biophys J. 1998. V. 75 (1). P. 513–520.Wilson R., Bloomfi eld V. Counterion-induced condensation of deoxyribonucleic acid. A light-scattering study // Biochemistry. 1979. V. 18. P. 2192–2196.Wilson R., Bloomfi eld V. Counterion-induced condensation of deoxyribonucleic acid. A light-scattering study // Biochemistry. 1979. V. 18. P. 2192–2196.Zheng J., Birktoft J.J., Chen Y. et al. From Molecular to Macroscopic via the Rational Design of a Self-Assembled 3D DNA Crystal // Nature. 2009. V. 461. P. 74–77.Zheng J., Birktoft J.J., Chen Y. et al. From Molecular to Macroscopic via the Rational Design of a Self-Assembled 3D DNA Crystal // Nature. 2009. V. 461. P. 74–77.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.