Cтабильность молекулы ДНК обеспечивается за счет рассеивания тепловой энергии, обусловленного двумя основными факторами:

1. Возникновение открытых состояний и пузырьков денатурации.

Известно, что открытые состояния (ОС) необходимы для реализации процессов транскрипции и репликации, но их роль в рассеивании энергии механических движений также важна.

2. Другим фактором, позволяющим рассеивать энергию механических движений молекулы ДНК, является взаимодействие с окружающей водной средой.

Отмеченные факторы 1 и 2 связаны с механическими деформациями ДНК, поэтому для количественного анализа их влияния на динамику молекулы ДНК необходимо использовать механические модели ДНК. Моделирование механических деформаций ДНК является мощным исследовательским методом для описания ее нелинейной динамики.

В нашей работе методом математического моделирования механических деформаций ДНК исследуется влияние вязкости внешней среды на ее внутреннюю динамику и стабильность. Ранее [1] были проведены исследования для малых значений внешних силовых воздействий, которые не приводили к возникновению открытых состояний (ОС). В данной работе рассматриваются силовые воздействия, приводящие к их появлению.

Математическая модель угловых движений азотистых оснований опирается на аналогию между молекулой ДНК и механической системой, состоящей из двух цепочек взаимосвязанных маятников. При этом вращающимся маятникам соответствуют азотистые основания, а упругой нити, к которой прикреплены эти маятники, - сахаро-фосфатные цепочки молекулы ДНК; водородной связи пары комплементарных азотистых оснований соответствует упругая связь соответствующей пары маятников [2-4]. Исследования проводились на примере гена, кодирующего интерферон alpha 17 [5].

Численные исследования, проведенные в нашей работе, показывают, что возникновение и динамика ОС в молекуле ДНК зависит не только от величины внешнего воздействия (в нашем случае это торсионный момент), но и в значительной степени от вязкости окружающей среды.

Установлено, что динамика зон ОС может иметь скачкообразный характер при малом изменении величины торсионного момента.

При воздействии торсионного момента на все 980 пар оснований гена интерферона альфа 17 наблюдается следующий эффект: увеличение вязкости среды приводит к увеличению значения торсионного момента, необходимого для возникновения ОС и расплетения ДНК, т.е. вязкость играет важную стабилизирующую роль в динамике ДНК.

Известно, что внешнее воздействие на молекулу ДНК, как правило, имеет локальный характер, поэтому в работе было проведено исследование влияния локализованного торсионного момента на различные (по содержанию A-T и G-C пар, а также по расположению) участки гена интерферона альфа 17. Обнаружено, что при локализованном воздействии величина внешнего торсионного момента, необходимого для возникновения ОС при всех расчетных значениях вязкости зависит от нуклеотидного состава.

При воздействии торсионного момента на участки, близкие к границам гена, наблюдается четкая зависимость величины торсионного момента, необходимого для возникновения ОС, от вязкости. При этом значимость концевого эффекта, ослабляющего ДНК, снижалась с увеличением вязкости среды.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук проект МК-2366.2022.1.4 и государственного задания ЮНЦ РАН № 122020100351-9.

1. Svidlov A., Drobotenko M., Basov A., Gerasimenko E., Elkina A., Baryshev M., Nechipurenko Y., Dzhimak S. Influence of Environmental Parameters on the Stability of the DNA Molecule // Entropy. 2021. Vol. 23(11). P. 1446. https://doi.org/10.3390/e23111446

2. Yakushevich L.V. Nonlinear Physics of DNA; JohnWiley & Sons: Hoboken, NJ, USA, 2007; 252p.

3. Svidlov A., Drobotenko M., Basov A., Gerasimenko E., Malyshko V., Elkina A., Baryshev M., Dzhimak S. DNA dynamics under periodic force effects // International Journal of Molecular Sciences. 2021. Vol.22. №15. P. 7873. https:// doi.org/10.3390/ijms22157873;

4. Dzhimak S., Svidlov A., Elkina A., Gerasimenko E., Baryshev M., Drobotenko M. Genesis of Open States Zones in a DNA Molecule Depends on the Localization and Value of the Torque // International Journal of Molecular Sciences. 2022; 23(8):4428. https://doi.org/10.3390/ijms23084428

5. Basov A, Drobotenko M, Svidlov A, Bezhenar M, Gerasimenko E, Moiseev A, Malyshko V, Dorohova A, Drozdov A, Baryshev M, Dzhimak S. Influence of Single Deuterium Replacement on Frequency of Hydrogen Bond Dissociation in IFNA17 under the Highest Critical Energy Range // International Journal of Molecular Sciences. 2022; 23(24):15487. https://doi.org/10.3390/ijms232415487

The stability of the DNA molecule is ensured by the dissipation of thermal energy, due to two main factors:

1. Occurrence of open states and denaturation bubbles.

It is known that open states (OS) are necessary for the implementation of transcription and replication processes, but their role in dissipating the energy of mechanical movements is also important.

2. Another factor that makes it possible to dissipate the energy of mechanical movements of the DNA molecule is the interaction with the surrounding aquatic environment.

The noted factors 1 and 2 are associated with mechanical deformations of DNA; therefore, for a quantitative analysis of their influence on the dynamics of the DNA molecule, it is natural to use mechanical models of DNA. Modeling mechanical deformations of DNA is a powerful research method for describing its nonlinear dynamics.

In our work, the influence of the viscosity of the external medium on its internal dynamics and stability is studied by the method of mathematical modeling of mechanical deformations of DNA. Previously [1], studies were carried out for small values of external force actions that did not lead to the occurrence of open states (OS). In this paper, we consider the force effects that lead to their appearance.

The mathematical model of the angular motions of nitrogenous bases is based on the analogy between a DNA molecule and a mechanical system consisting of two chains of interconnected pendulums. At the same time, nitrogenous bases correspond to the rotating pendulums, and the sugar-phosphate chains of the DNA molecule correspond to the elastic thread to which these pendulums are attached; the hydrogen bond of a pair of complementary nitrogenous bases corresponds to the elastic bond of the corresponding pair of pendulums [2-4]. Studies were carried out on the example of the gene encoding interferon alpha 17 [5].

Numerical studies carried out in our work show that the occurrence and dynamics of OS in a DNA molecule depends not only on the magnitude of the external action (in our case, this is the torsion moment), but also to a large extent on the viscosity of the environment.

It has been established that the dynamics of OS zones can have an abrupt character with a small change in the value of the torsion moment.

When a torsion moment is applied to all 980 base pairs of the interferon alpha 17 gene, the following effect is observed: an increase in the viscosity of the medium leads to an increase in the value of the torsion moment necessary for the occurrence of OS and DNA unwinding, i.e. viscosity plays an important stabilizing role in DNA dynamics.

It is known that the external effect on the DNA molecule, as a rule, has a local character, therefore, in this work, we studied the influence of a localized torsion moment on different (by the content of A-T and G-C pairs, as well as by location) regions of the interferon alpha 17 gene. It was found that under localized action, the value of the external torsion moment necessary for the occurrence of OS at all calculated values of viscosity depends on the nucleotide composition.

When a torsion moment is applied to areas close to the gene boundaries, there is a clear dependence of the torsion moment required for OS onset on viscosity. At the same time, the significance of the end effect, which weakens DNA, decreased with increasing viscosity of the medium.

This work was supported by the grant of the President of the Russian Federation for the state support of young Russian scientists - candidates of sciences project MK-2366.2022.1.4 and the state assignment of the SSC RAS No. 122020100351-9.

1. Svidlov A., Drobotenko M., Basov A., Gerasimenko E., Elkina A., Baryshev M., Nechipurenko Y., Dzhimak S. Influence of Environmental Parameters on the Stability of the DNA Molecule // Entropy. 2021. Vol. 23(11). P. 1446. https://doi.org/10.3390/e23111446

2. Yakushevich L.V. Nonlinear Physics of DNA; JohnWiley & Sons: Hoboken, NJ, USA, 2007; 252p.

3. Svidlov A., Drobotenko M., Basov A., Gerasimenko E., Malyshko V., Elkina A., Baryshev M., Dzhimak S. DNA dynamics under periodic force effects // International Journal of Molecular Sciences. 2021. Vol.22. №15. P. 7873. https:// doi.org/10.3390/ijms22157873;

4. Dzhimak S., Svidlov A., Elkina A., Gerasimenko E., Baryshev M., Drobotenko M. Genesis of Open States Zones in a DNA Molecule Depends on the Localization and Value of the Torque // International Journal of Molecular Sciences. 2022; 23(8):4428. https://doi.org/10.3390/ijms23084428

5. Basov A, Drobotenko M, Svidlov A, Bezhenar M, Gerasimenko E, Moiseev A, Malyshko V, Dorohova A, Drozdov A, Baryshev M, Dzhimak S. Influence of Single Deuterium Replacement on Frequency of Hydrogen Bond Dissociation in IFNA17 under the Highest Critical Energy Range // International Journal of Molecular Sciences. 2022; 23(24):15487. https://doi.org/10.3390/ijms232415487