由橡树岭国家实验室制作
范德比尔特大学的研究人员在ORNL用中子揭示了水分子(蓝色显示)和DNA之间的氢键模式
这些发现有助于深入了解水是如何影响DNA功能的
信用:ORNL/吉尔·海曼 水在人体内扮演着几个重要的角色，甚至影响着我们细胞中的DNA
脱氧核糖核酸双螺旋的整个表面都包裹着水分子层
这层水鞘通过氢键附着在遗传物质上，氢键是由分子间共享氢原子形成的
通过氢键，水可以影响脱氧核糖核酸的形成和与其他分子的相互作用
在某些情况下，水可以帮助蛋白质识别DNA序列
科学家可以估计氢键在哪里发生，以及氢原子是如何共享的，但很难收集实验证据
范德比尔特大学领导的一个研究小组使用了一种方法，成功地捕捉到了迄今为止最详细的水在脱氧核糖核酸周围的氢键模式，为研究水如何影响脱氧核糖核酸功能开辟了新的可能性
方法和结果的细节，部分是通过能源部橡树岭国家实验室(ORNL)的中子散射产生的，发表在《核酸研究》杂志上
“水是脱氧核糖核酸和其他分子之间的媒介，即使是非常特殊的相互作用
范德比尔特大学生物化学教授、该研究的相应作者马丁·埃格利说:“在任何分子能够与一段DNA结合之前，它必须首先穿过这个水壳。”
“为了促进我们对DNA过程的理解，准确了解周围的水做什么以及它如何围绕分子排列是很重要的
" x射线衍射实验已经揭示了水分子在DNA周围的位置，但是这些分子之间的氢键模式仍然是隐藏的
另一方面，中子对轻元素更敏感，比如水中的氢原子，这使得研究人员能够确定氢键发生在哪里，以及它们来自哪个分子
“利用x光，水分子的典型电子密度是一个球体，就像一个足球
你看不到氢原子，所以分子没有方向性，”参与这项研究的ORNL科学家莱顿·科茨说
“然而，有了中子，水分子看起来更像回旋镖
你可以看到氢是如何定向的，并决定氢键模式
" 为了进行这项研究，研究小组使用了一个经过充分研究的DNA片段的结晶样本，该片段有六个碱基对，在胞嘧啶和鸟嘌呤之间交替
这个片段被称为d(CGCGCG)，是第一个在1979年确定其晶体结构的DNA序列
利用氧化氘溶液，科学家们用氘原子替换了碎片中的许多氢原子
氘是氢的一种同位素，与氢相比，中子“看”氘的方式不同，这使得研究人员可以利用氘来选择性地收集DNA和水结构的信息
研究小组使用ORNL散裂中子源的大分子中子衍射仪收集了这个碎片的中子衍射数据
为了减少水分移动，研究小组使用冷氮气将样品冷却至100 K(接近–280 F)
“通过降低我们样品中的水迁移率，我们可以将水分子保持在晶格状排列中，使我们能够锁定它们在哪里以及它们是如何定位的，”Egli说
“如果我们在室温下收集这些数据，许多水分子的位置基本上会被涂抹，分布在空间的不同位置
" 范德比尔特大学生物化学研究助理教授、该研究的合著者乔尔·哈普补充说:“有了中子，我们还可以根据氢键的数量来区分水分子，比如它们是参与多个键还是只参与一个键。”
在范德比尔特大学结构生物学中心的生物分子晶体学设施中，对类似的晶体进行了x射线衍射实验，以确定水分子的氧原子位于DNA片段周围的什么位置
通过结合这些互补技术，研究人员实现了迄今为止对DNA双螺旋周围水分子取向最详细的分析
他们捕捉到了64个水分子的方向，或者与DNA片段直接接触，或者在附近
这项研究揭示了氢键是如何被DNA结构中突出部分的水分子所贡献或接受的，包括其凹槽内部和磷酸糖骨架周围
一些氢键出乎意料，与之前的假设相反，证明这种方法可以帮助验证DNA水网络的分子动力学模型
研究小组现在正在使用这种方法来研究水如何围绕其他大分子(如核糖核酸)运动
“现在，我相信是时候将我们学到的东西应用到更具挑战性的项目中了，”Egli说
“水是这样一个生命的基本实体，还有很多东西有待发现
"
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