В исследовании команда использовала новейшее компьютерное моделирование и квантово-механические методы для определения роли, которую играет чисто квантовое туннелирование протонов в спонтанных мутациях внутри ДНК.

Квантовая биология — это новая область науки, основанная в 1920-х годах, которая изучает, играет ли субатомный мир квантовой механики роль в живых клетках. Квантовая механика по своей природе является междисциплинарной областью, объединяющей физиков-ядерщиков, биохимиков и молекулярных биологов.

«Многие давно подозревали, что квантовый мир странный, нелогичный и замечательный, и он играет роль в организме. Но часть нашего организма может присутствовать в двух местах одновременно, потому что в квантовом мире это происходит постоянно, и наше исследование подтверждает, что квантовое туннелирование также происходит в ДНК при комнатной температуре». 

Доктор Марко Сакки, руководитель проекта и научный сотрудник Королевского общества Университета Суррея 

Протонное туннелирование включает спонтанное исчезновение протона из одного места и повторное появление того же протона поблизости. Исследовательская группа обнаружила, что очень легкие атомы водорода обеспечивают связи, которые удерживают вместе две нити двойной спирали ДНК. Но они могут при определенных условиях вести себя как распространяющиеся волны, которые могут существовать в нескольких местах одновременно благодаря протонному туннелированию. Это приводит к тому, что эти атомы иногда обнаруживаются не в той цепи ДНК, что приводит к мутациям. короткоживущих, но биологически значимых точечных мутаций, которые могут в дальнейшем привести к мутации гена и, возможно, к раку.

Команда ученых показала, что мутации могут выжить в механизме репликации ДНК внутри клеток и потенциально вызывают проблемы со здоровьем. Они короткоживущие, но они биологически значимые, хотя и точечные, которые могут в дальнейшем привести к мутации целого гена и, возможно, к раку. Все потому, что квантово-механическое туннелирование атомов водорода происходит внутри связей, связывающих дуплекс ДНК вместе, иначе говоря — внутри основания ДНК.

Облучение протонами оказалось безопаснее фотонов при борьбе с раком

Исследование онкологов из США показало, что при сочетании химиотерапии и облучения злокачественных опухолей протонами риск развития негативных побочных эффектов оказывается значительно ниже, чем при стандартной фотонной радиотерапии. Исследование опубликовано в журнале JAMA Oncology.

Параллельная химиолучевая терапия является стандартным способом лечения многих видов рака. Обычно при этом типе лечения используется облучение фотонами, однако применяется и протонная терапия.

Группа медиков под руководством Брайна Бауманна из отделения радиационной онкологии Университета Пенсильвании решила сравнить вероятность возникновения негативных побочных эффектов при использовании двух типов параллельной химиолучевой терапии. Исследование было проведено на основании анализа результатов лечения 1483 взрослых пациентов с неметастатическим местнораспространенным раком, прошедших курс терапии в 2011 — 2016 годах.

Анализ результатов лечения показал, что при протонной химиолучевая терапия значительно реже развивались острые негативные побочных эффектов, которые требовали госпитализации. При этом общая выживаемость при обоих типах терапии оказалась одинакова. Авторы отмечают, что для подтверждения этих выводов требуется проведение проспективного исследования.

РНК визуализировали в сверхвысоком разрешении в живых клетках

Рибонуклеиновая кислота (РНК) играет ключевую роль в различных фундаментальных биологических процессах. Он передает генетическую информацию, переводит ее в белки или поддерживает регуляцию генов. Чтобы достичь более подробного понимания точных функций, которые он выполняет, исследователи из Гейдельбергского университета и Технологического института Карлсруэ (KIT) разработали новый метод флуоресцентной визуализации, который позволяет визуализировать РНК живых клеток с беспрецедентным разрешением.

Метод основан на новом молекулярном маркере, называемом родамин-связывающим аптамером для методов визуализации сверхвысокого разрешения (RhoBAST). Этот маркер флуоресценции на основе РНК используется в сочетании с красителем родамином. Благодаря своим отличительным свойствам маркер и краситель взаимодействуют очень специфическим образом, что заставляет отдельные молекулы РНК светиться. Затем их можно сделать видимыми с помощью микроскопии локализации одиночных молекул (SMLM) — метода визуализации сверхвысокого разрешения. Из-за отсутствия подходящих флуоресцентных маркеров прямое наблюдение РНК с помощью оптической флуоресцентной микроскопии до настоящего времени строго ограничено.

RhoBAST разработан исследователями из Института фармации и молекулярной биотехнологии (IPMB) Гейдельбергского университета и Института прикладной физики (APH) в KIT. Созданный ими маркер является генетически кодируемым, что означает, что он может быть слит с геном любой РНК, продуцируемой клеткой. RhoBAST сам по себе не является флуоресцентным, но освещает проницаемый для клеток родаминовый краситель, связываясь с ним очень специфическим образом.

«Это приводит к резкому увеличению флуоресценции, достигаемому комплексом RhoBAST, что является ключевым требованием для получения превосходных флуоресцентных изображений. Однако для визуализации РНК сверхвысокого разрешения маркеру нужны дополнительные свойства». 

Мурат Зюнбюль из IPMB 

Исследователи обнаружили, что каждая молекула родаминового красителя остается связанной с RhoBAST только в течение примерно одной секунды, прежде чем снова отсоединиться. Через несколько секунд эта процедура повторяется с новой молекулой красителя. Довольно редко можно найти сильные взаимодействия, например, между RhoBAST и родамином в сочетании с исключительно быстрой кинетикой обмена. Поскольку родамин загорается только после связывания с RhoBAST, постоянная последовательность вновь возникающих взаимодействий между маркером и красителем приводит к непрерывному «миганию». Это «включение-выключение» — именно то, что нужно для визуализации.

В то же время система RhoBAST решает еще одну важную проблему. Флуоресцентные изображения собираются под воздействием лазерного излучения, которое со временем разрушает молекулы красителя. Быстрая замена красителя гарантирует, что фотообесцвеченные красители заменяются свежими. Это означает, что отдельные молекулы РНК можно наблюдать в течение более длительных периодов времени, что может значительно улучшить разрешение изображения.

Исследователи из Гейдельберга и Карлсруэ смогли продемонстрировать превосходные свойства RhoBAST, визуализировав структуры РНК внутри кишечных бактерий (Escherichia coli) и культивированных клеток человека с превосходной точностью локализации. Ученые смогли раскрыть детали ранее невидимых субклеточных структур и молекулярных взаимодействий с участием РНК, используя флуоресцентную микроскопию сверхвысокого разрешения. Это позволит получить принципиально новое понимание биологических процессов.