В журнале “International Journal of Molecular Sciences” опубликована статья “Structural-Scaling Transitions and Criticality Cascade in DNA with Open States”. Авторы — сотрудники Института механики сплошных сред Пермского ФИЦ УрО РАН доктор физико-математических наук, профессор Олег Наймарк и кандидаты физико-математических наук Александр Никитюк и Юрий Баяндин. Работа выдвинута редакцией на конкурс Best Researcher Award.

Исследование посвящено тому, как локальные перестройки в молекуле ДНК могут приводить к глобальным изменениям в ее работе, то есть фактически менять «состояние» клетки. Авторы предлагают модель, описывающую поведение так называемых открытых состояний ДНК — участков, где двойная спираль частично разомкнута, а основания выходят из состояния перекрытия. Это обеспечивает механизм экспрессии — считывания последовательности оснований и синтеза белка.

Впервые показано, что открытые состояния обнаруживают коллективную динамику трех типов, характерную для особого класса неравновесных критических явлений: динамику бризеров, автоволновых и так называемых обостряющихся структур. С этими типами связаны качественно различные сценарии экспрессии и, в конечном итоге, поведение клетки. Присутствие всех типов структур (коллективных мод открытых комплексов) обеспечивает устойчивую пластичную динамику клетки, способной проходить естественные стадии митоза — деления. Напротив, «притяжение» динамики к структурам обострения является признаком «охрупчивания» клетки и ее неконтролируемого деления.

Полученные теоретические результаты подтверждены экспериментально с использованием оригинального лазерного микроскопа МИМ-Н, созданного совместно с АО «Уральский оптико-механический завод» (Холдинг «Швабе», ГК «Ростех»). Этот прибор позволяет регистрировать динамику открытых комплексов и выделять установленные типы коллективных мод для представительных ансамблей нормальных и раковых клеток. Развиваемые представления также позволили предложить интерпретацию влияния микрогравитации на разделение фенотипов клеток. Эти результаты вызвали интерес ГК «Роскосмос» применительно к анализу поведения биологических систем при долгосрочных пилотируемых полетах.

Ученые отмечают, что дальнейшие шаги связаны с проверкой модели на живых клетках и поиском способов управлять такими переходами. В перспективе это может открыть путь к новым терапевтическим подходам, направленным на восстановление нормального поведения клеток. Работа уральских исследователей — пример того, как идеи физики помогают по-новому взглянуть на процессы в живых системах и приблизиться к пониманию того, как работает молекула жизни.

Подготовил 
В. МЕЛЬНИКОВ