|
ГЛАВНАЯ
> Вернуться к содержанию
Физика биологии и медицины
Правильная ссылка на статью:
Hore P.
Магнитный сенсор на основе ДНК
// Физика биологии и медицины.
2023. № 1.
С. 74-78.
DOI: 10.7256/2730-0560.2023.1.40610 EDN: SWLCAN URL: https://nbpublish.com/library_read_article.php?id=40610
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
|
|
 |
|
DOI: 10.7256/2730-0560.2023.1.40610
EDN: SWLCAN
Дата направления статьи в редакцию:
28-04-2023
Дата публикации:
08-06-2023
Аннотация:
Нижеприведенная статья, предлагаемая читателю в переводе на русский язык, написана известным английским исследователем, проф. Питером Хором (P. Hore). П. Хор координирует исследования за рубежом в области спин-химических механизмов, лежащих, как полагают, в основе способности некоторых видов животных, в частности некоторых перелетных птиц и морских черепах, ориентироваться в магнитном поле Земли и использовать геомагнитный ландшафт в сезонных миграциях. П. Хор является членом Королевского общества, профессором химии в Оксфордском университете и научным сотрудником Колледжа Корпус-Кристи в Оксфорде. П. Хор является автором многих научных статей и учебников, в первую очередь в области ЯМР, ЭПР, спиновой химии и магнитной ориентации, и навигации животных. Оригинальная статья П. Хора на английском языке – это статья в открытом доступе, опубликованная в соответствии с лицензией Американского химического общества (АХО) «Авторский выбор», которая разрешает копирование и распространение статьи или любых ее адаптаций в некоммерческих целях. Предлагаемый перевод является неофициальной адаптацией статьи, опубликованной АХО. АХО не изучал содержание этой адаптации или контекст ее использования с целью одобрения. Перевод на русский язык выполнен В. Бинги в соответствии с условиями Лицензии и является максимально дословным.
Ключевые слова:
магнитобиология, фотолиаза, репарация ДНК, магнитный компас, криптохром, спиновая химия, сетчатка глаза, магниторецепция, квантовая биология, радикальный парный механизм
Abstract: The following article, offered to the reader in Russian translation, was written by a famous English scientist, Professor Peter Hore coordinates research abroad in the field of spin-chemical mechanisms, which are believed to underlie the ability of some animal species to navigate in the Earth’s magnetic field and use the geomagnetic landscape in seasonal migrations. P. Hore, a Fellow of the Royal Society, is a British chemist. He is a Professor of Chemistry at the University of Oxford and fellow of Corpus Christi College, Oxford. P. Hore is the author of many research articles and textbooks, primarily in the area of NMR, EPR, spin chemistry, and magnetoreception during bird migration. Original article in English is an open access article published under an ACS AuthorChoice License, which permits copying and redistribution of the article or any adaptations for non-commercial purposes. This translation is an unofficial adaptation of an article that appeared in an ACS publication. ACS has not endorsed the content of this adaptation or the context of its use. The translation into Russian has been made by V. Binhi in accordance with the terms of the License and is as literal as possible.
Keywords: magnetobiology, photolyase, DNA repair, magnetic compass, cryptochrome, spin chemistry, retina, magnetoreception, quantum biology, radical pair mechanism
 
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].
|
Рис. 1. Механизм фотолиазной репарации ДНК, опосредованной FAD. Перепечатано с разрешения, см. [11]. Авторские права принадлежат Macmillan Publishers Limited, 2015 г.
|
Гиперссылка на Рис. 1:
https://www.nature.com/articles/ncomms8302/figures/1
|
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.
Библиография
1. Bairlein, F.; Norris, D. R.; Nagel, R.; Bulte, M.; Voigt, C. C.; Fox, J. W.; Hussell, D. J. T.; Schmaljohann, H. Cross-hemisphere migration of a 25 g songbird. Biol. Lett. 2012, 8, 505−507.
2. Hore, P. J.; Mouritsen, H. The radical pair mechanism of magnetoreception. Annu. Rev. Biophys. 2016, 45, 299−344.
3. Zwang, T. J.; Tse, E. C. N.; Zhong, D. P.; Barton, J. K. A compass at weak magnetic fields using thymine dimer repair. ACS Cent. Sci. 2018, DOI: 10.1021/acscentsci.8b00008.
4. Zhang, M.; Wang, L. J.; Zhong, D. P. Photolyase: dynamics and electron-transfer mechanisms of DNA repair. Arch. Biochem. Biophys. 2017, 632, 158−174.
5. Wang, J.; Du, X. L.; Pan, W. S.; Wang, X. J.; Wu, W. J. Photoactivation of the cryptochrome/photolyase superfamily. J. Photochem. Photobiol., C 2015, 22, 84−102.
6. Günther, A.; Einwich, A.; Sjulstok, E.; Feederle, R.; Bolte, P.; Koch, K. W.; Solov’yov, A. V.; Mouritsen, H. Double-cone localization and seasonal expression pattern suggest a role in magnetoreception for European robin cryptochrome 4. Curr. Biol. 2018, 28, 211−223.
7. Maeda, K.; Robinson, A. J.; Henbest, K. B.; Hogben, H. J.; Biskup, T.; Ahmad, M.; Schleicher, E.; Weber, S.; Timmel, C. R.; Hore, P. J. Magnetically sensitive light-induced reactions in cryptochrome are consistent with its proposed role as a magneto-receptor. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2012, 109, 4774−4779.
8. Zhong, D. P. Electron transfer mechanisms of DNA repair by photolyase. Annu. Rev. Phys. Chem. 2015, 66, 691−715.
9. Maeda, K.; Henbest, K. B.; Cintolesi, F.; Kuprov, I.; Rodgers, C. T.; Liddell, P. A.; Gust, D.; Timmel, C. R.; Hore, P. J. Chemical compass model of avian magnetoreception. Nature 2008, 453, 387−390.
10. Ritz, T.; Adem, S.; Schulten, K. A model for photoreceptor-based magnetoreception in birds. Biophys. J. 2000, 78, 707−718.
11. Tan, C.; Liu, Z.; Li, J.; Guo, X.; Wang, L.; Sancar, A.; Zhong, D. The molecular origin of high DNA-repair efficiency by photolyase. Nat. Commun. 2015, 6, 7302.
References
1. Bairlein, F., & Norris, D. R., & Nagel, R., & Bulte, M., & Voigt, C. C., & Fox, J. W., & Hussell, D. J. T., & Schmaljohann, H. (2012). Cross-hemisphere migration of a 25 g songbird. Biol. Lett, 8, 505−507.
2. Hore, P. J., & Mouritsen, H. (2016). The radical pair mechanism of magnetoreception. Annu. Rev. Biophys., 45, 299−344.
3. Zwang, T. J., & Tse, E. C. N., & Zhong, D. P., & Barton, J. K. (2018). A compass at weak magnetic fields using thymine dimer repair. ACS Cent. Sci. doi:10.1021/acscentsci.8b00008
4. Zhang, M., & Wang, L. J., & Zhong, D. P. (2017). Photolyase: dynamics and electron-transfer mechanisms of DNA repair. Arch. Biochem. Biophys., 632, 158−174.
5. Wang, J., & Du, X. L., & Pan, W. S., & Wang, X. J., & Wu, W. J. (2015). Photoactivation of the cryptochrome/photolyase superfamily. J. Photochem. Photobiol., 22, 84−102.
6. Günther, A., & Einwich, A., & Sjulstok, E., & Feederle, R., & Bolte, P., & Koch, K. W., & Solovyov, A. V., & Mouritsen, H. (2018). Double-cone localization and seasonal expression pattern suggest a role in magnetoreception for European robin cryptochrome 4. Curr. Biol., 28, 211−223.
7. Maeda, K., & Robinson, A. J., & Henbest, K. B., & Hogben, H. J., & Biskup, T., & Ahmad, M., & Schleicher, E., & Weber, S., & Timmel, C. R., & Hore, P. J. (2012). Magnetically sensitive light-induced reactions in cryptochrome are consistent with its proposed role as a magneto-receptor. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 109, 4774−4779.
8. Zhong, D. P. (2015). Electron transfer mechanisms of DNA repair by photolyase. Annu. Rev. Phys. Chem., 66, 691−715.
9. Maeda, K., & Henbest, K. B., & Cintolesi, F., & Kuprov, I., & Rodgers, C. T., & Liddell, P. A., & Gust, D., & Timmel, C. R., & Hore, P. J. (2008). Chemical compass model of avian magnetoreception. Nature, 453, 387−390.
10. Ritz, T., & Adem, S., & Schulten, K. (2000). A model for photoreceptor-based magnetoreception in birds. Biophys. J., 78, 707−718.
11. Tan, C., & Liu, Z., & Li, J., & Guo, X., & Wang, L., & Sancar, A., & Zhong, D. (2015). The molecular origin of high DNA-repair efficiency by photolyase. Nat. Commun., 6, 7302.
Результаты процедуры рецензирования статьи
Рецензия скрыта по просьбе автора
Ссылка на эту статью
Просто выделите и скопируйте ссылку на эту статью в буфер обмена. Вы можете также
попробовать найти похожие
статьи
|
|
