Біологи з Каліфорнійського університету досліджували процес реплікації ДНК біля кишкової палички, спостерігаючи за окремими її молекулами. З'ясувалося, що два ланцюги ДНК добудовуються незалежно один від одного, і цей процес не взаємопов'язаний, як вважалося раніше - обидві полімерази, що працюють з різною ефективністю, діють практично випадково, то прискорюючись, то зупиняючись, і саме завдяки цьому середня їх швидкість залишається постійною. Дослідження, що істотно змінює уявлення про механізми реплікації і пропонує цю стохастичну модель, опубліковано в.
Реплікація (подвоєння) ДНК відбувається наступним чином. Подвійна спіраль у певному місці розплітається ферментом хеліказою, після чого формується «реплікаційна вилка». Фермент праймаза синтезує на обох ланцюгах ДНК короткі РНК-затравки, на які сідають ДНК-полімерази і починають енерговитратний синтез дочірніх ДНК-ланцюгів на матриці вже наявних ланцюгів. Вони підставляють аденіни навпроти тимінів (і навпаки) і гуаніни навпроти цитозинів (і навпаки), і таким чином, два подвійні ланцюги в точності повторюють вихідний подвійний. Загалом у цьому процесі задіяно цілий комплекс ферментів, що забезпечують правильний рух реплікаційної вилки та належну геометрію ДНК-ланцюгів.
На одному з вихідних ланцюгів (що лідирує), потрібна тільки одна РНК-затравка, а на другий (відстає) постійно потрібні нові. Це відбувається тому, що ДНК-полімераза вміє рухатися по ланцюгу ДНК тільки в одному напрямку. Ланцюги ДНК антипаралельні, і полімерази рухаються, таким чином, в різні відносно один одного сторони. Таким чином, на відстаючому ланцюгу нова ДНК синтезується шматками (вони називаються фрагменти Оказаки). РНК-вставки видаляються потім спеціальним ферментом, і інша, менш ефективна ДНК-полімераза заповнює пробіли, що утворилися.
Раніше вважалося, що робота ферментів реплікаційної вилки - досить злагоджений процес, де все залежить від дій сусідів і кожен виконує свою функцію з певною швидкістю. При цьому було не зовсім зрозуміло, чому швидкість добудовування обох ланцюгів, в середньому, однакова - адже на одному ланцюгу синтез йде рівномірно, а на інший для побудови фрагментів Оказаки полімеразі постійно потрібно відкріплюватися і прикріплюватися і взаємодіяти з низкою допоміжних ферментів.
Вчені досліджували окремі молекули ДНК кишкової палички, прикріпленої всередині проточної камери так, що замкнута бактеріальна ДНК постійно перебувала у витягнутому вигляді (як полотно на вітрі), і тому на неї було зручно дивитися. Процес реплікації контролювався додаванням «палива» - АТФ, а спостерігати за ним дозволяли флуоресцентні барвники, які працювали на подвійних ланцюгах і залишали темними поодинокі. Спостереження велися за допомогою методів флуоресцентної мікроскопії повного внутрішнього відображення (TIRF).
З'ясувалося, що ДНК-полімерази працюють досить хаотично. Рухаючись по ланцюгу, вони можуть різко зупинятися, а потім заново починати синтез, змінивши свою швидкість, наприклад, у десять разів. При цьому ДНК-полімераза на одному ланцюгу може зупинятися, а на іншому продовжувати працювати. Ніякого взаємозв'язку між роботою полімераз не спостерігалося. Концентрація праймази, яка раніше вважалася потенційним регулятором процесу реплікації, на хід синтезу ДНК не впливала. При цьому середня швидкість полімераз по закінченні деякого часу, дійсно, вирівнюється. Вчені порівнюють це з рухом різних смуг на шосе - спочатку ти обганяєш сусіда, потім сусід тебе, але в підсумку ви приїжджаєте до мети одночасно.
Фермент хеліказу, який рухається в передній частині реплікаційної вилки і розплітає ланцюги ДНК, може після зупинки полімерази почати від неї віддалятися. Це могло б бути небезпечно, бо довгі «провислі» одиночні ланцюги схильні до руйнування, і відразу активують сигнал, що вимагає себе лагодити. Однак спостереження показали, що тут спрацьовує якийсь гальмуючий механізм - хеліказа якимось чином знає, що полімераза зупинилася, і сповільнюється приблизно в п'ять разів, чекаючи її.
Саме стохастичний принцип роботи полімераз, мабуть, дозволяє підтримувати постійну середню швидкість реплікації обох ланцюгів ДНК, що подвоюється, і парадокс різниці їх ефективності виявляється дозволеним не через чіткі детерміністичні схеми взаємозв'язків білків, а, фактично, завдяки наявності в їх роботі фактора випадковості. Такий погляд принципово змінює сформовану парадигму, що стосується реплікативних механізмів у живих системах.
А про роботу дзеркальних полімераз і плани про створення дзеркальних клітин можна прочитати тут.