vestnik Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества Ecological Bulletin of Research Centers of the Black Sea Economic Cooperation 1729-5459 Кубанский государственный университет RU 958 10.31429/vestnik-18-3-46-55 Научная статья Original article Физика Physics Исследование вероятности возникновения пузырьков денатурации при 2H/1H обмене в молекуле ДНК Investigation of the probability of occurrence of denaturation bubbles during 2H/1H exchange in a DNA molecule Елкина А.А. Елкина Анна Анатольевна Elkina Anna A. 013194@mail.ru

младший научный сотрудник НИЧ Кубанского государственного университета, старший научный сотрудник лаборатории проблем распределения стабильных изотопов в живых системах Южного научного центра РАН

 Малышко В.В. Малышко Вадим Владимирович Malyshko Vadim V. intro-2@rambler.ru

канд. мед. наук, доцент кафедры общей хирургии Кубанского государственного медицинского университета, научный сотрудник лаборатории проблем распределения стабильных изотопов в живых системах Южного научного центра РАН

 Герасименко Е.О. Герасименко Евгений Олегович Gerasimenko Evgeniy O. rosmaplus@gmail.com

профессор, д-р техн. наук, профессор кафедры технологии жиров, косметики, товароведения, процессов и аппаратов Кубанского государственного технологического университета

 Литвинов Д.А. Литвинов Данил Андреевич Litvinov Danil A. litvi2003@gmail.com

учащийся МБОУ лицей № 4 города Краснодара

 Голдобин И.Н. Голдобин Иван Наумович Goldobin Ivan N. wody04@mail.ru

учащийся МБОУ лицей № 4 города Краснодара

 Джимак С.С. Джимак Степан Сергеевич Dzhimak Stepan S. jimack@mail.ru

канд. биол. наук, ведущий научный сотрудник лаборатории проблем распределения стабильных изотопов в живых системах Южного научного центра РАН, доцент кафедры радиофизики и нанотехнологий Кубанского государственного университета

 Кубанский государственный университет, КраснодарKuban State University, Krasnodar Юэный научный центр РАН, Ростов-на-ДонуFederal Research Center the Southern Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, Rostov-on-Don Kuban State Technological University, KrasnodarКубанский государственный технологический университет, Краснодар МБОУ лицей № 4 города Краснодара, КраснодарMBOU Lyceum No. 4 of the city of Krasnodar, Krasnodar Kuban State University, Krasnodar 30 09 2021 18 3 46 55 23 09 2021 28 09 2021 30 09 2021 Copyright (c) 2021 Елкина А.А., Малышко .В., Герасименко Е.О., Литвинов Д.А., Голдобин И.Н., Джимак С.С. 2021 Елкина А.А., Малышко .В., Герасименко Е.О., Литвинов Д.А., Голдобин И.Н., Джимак С.С. Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.

In this work, the role of single substitutions of protium for deuterium in the formation of bubbles was investigated using the methods of mathematical modeling. It is shown that the probability of the formation of bubbles of a certain length (from 8 to 27 nucleotides) depends on the localization of the deuterium atom in the DNA molecule and can differ significantly from the probability of the appearance of open states in general. It should be noted that, although in most cases the differences in the occurrence of open states in deuterium-free DNA in comparison with the same molecule, which includes a single 2H/1H substitution, is when exposed to Ecr (in the range from 270 to 290 10-25 Nm) a fairly low value: the maximum increase in the number of open states was about 4.1% (when replacing hydrogen isotopes in the 301st pair of nitrogenous bases), a decrease in the number of open states was observed by less than 2.7 % (when replacing hydrogen isotopes in 20th pair of nitrogenous bases); the change in the probability of occurrence of DNA bubbles of various lengths, in turn, was already a significantly more significant value: a decrease to 83% and an increase to 71% when replacing hydrogen isotopes in the 284th and 376th pairs of nitrogenous bases, respectively.

В работе методами математического моделирования исследована роль единичных замен протия на дейтерий в образовании пузырьков. Показано, что вероятность образования пузырей определенной длины (от 8 до 27 нуклеотидов) зависит от локализации атома дейтерия в молекуле ДНК и может существенно отличаться от вероятности возникновения открытых состояний в целом. Показано, что изменение вероятности возникновения пузырей ДНК различной длины составляет: уменьшение до 83 % и увеличение до 71 % при замене изотопов водорода в 284-й и 376-й парах азотистых оснований соответственно.

 дейтерий математическое моделирование открытых состояний ДНК ДНК пузырьки дентурации водородная связь deuterium mathematical modeling of open states of DNA DNA bubbles of denture hydrogen bond Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и администрации Краснодарского края в рамках научного проекта № 20-41-235002 и государственного задания ЮНЦ РАН (№ АААА-А19-119040390083-6). Grinevich A.A., Yakushevich L.V. The influence of the DNA torque on the dynamics of transcription bubbles in plasmid PTTQ18 // Journal of Theoretical Biology. 2018. Vol. 453. P. 68–77. DOI: 10.1016/j.jtbi.2018.04.036 von Hippel P.H., Johnson N.P., Marcus A.H. Fifty years of DNA "breathing": reections on old and new approaches // Biopolymers. 2013. Vol. 99. Iss. 12. P. 923–954. DOI: 10.1002/bip.22347 Krueger A., Protozanova E., Frank-Kamenetskii M.D. Sequence-dependent basepair opening in DNA double helix // Biophysical Journal. 2006. Vol. 90. Iss. 9. P. 3091–3099. DOI: 10.1529/biophysj.105.078774 Grinevich A.A., Yakushevich L.V. On the modeling of the motion of a transcription bubble under constant torque // Biophysics. 2016. Vol. 61. Iss. 4. P. 539–546. DOI: 10.1134/S0006350916040126 Poptsova M.S., Il'Icheva I.A., Nechipurenko D.Y., Panchenko L.A., Khodikov M.V., Oparina N.Y., Polozov R.V., Nechipurenko Y.D., Grokhovsky S.L. Non-random DNA fragmentation in next-generation sequencing // Scientific Reports. 2014. Vol. 4. P. 4532. Shigaev A.S., Ponomarev O.A., Lakhno V.D. Theoretical and experimental investigations of DNA open states // Mathematical Biology and Bioinformatics. 2013. Vol. 8. Iss. 2. P. 553–664. DOI: 10.17537/2018.13.t162 Manghi M., Destainville N. Physics of base-pairing dynamics in DNA // Physics Reports. 2016. Vol. 631. P. 1–41. DOI: 10.1016/j.physrep.2016.04.001 Basov A., Drobotenko M., Svidlov A., Gerasimenko E., Malyshko V., Elkina A., Baryshev M., Dzhimak S. Inequality in the frequency of the open states occurrence depends on single 2H/1H replacement in DNA // Molecules. 2020. Vol. 25. Iss. 16. P. 3753. DOI: 10.3390/molecules25163753 Джимак С.С., Свидлов А.А., Басов А.А., Барышев М.Г., Дроботенко М.И. Влияние единичных замен протия на дейтерий в молекуле ДНК на возникновение открытых состояний // Биофизика. 2018. Т. 63. № 4. С. 643–647. DOI: 10.1134/S0006302918040026 . Biofizika , 2018, vol. 63, no. 4, pp. 643–647. DOI: 10.1134/S0006302918040026 (In Russian)] Dzhimak S.S., Drobotenko M.I., Basov A.A., Svidlov A.A., Fedulova L.V., Lyasota O.M., Baryshev M.G. Mathematical Modeling of Open State in DNA Molecule Depending on the Deuterium Concentration in the Surrounding Liquid Media at Different Values of Hydrogen Bond Disruption Energy // Doklady Biochemistry and Biophysics. 2018. Vol. 483. P. 359–362. DOI: 10.1134/S1607672918060169 Halenova T., Zlatskiy I., Syroeshkin A., Maximova T., Pleteneva T. Deuterium-depleted water as adjuvant therapeutic agent for treatment of diet-induced obesity in rats // Molecules. 2020. Vol. 25. № 1. P. 23. DOI: 10.3390/molecules25010023 Козин С.В., Кравцов А.А., Елкина А.А., Злищева Э.И., Барышева Е.В., Шурыгина Л.В., Моисеев А.В., Барышев М.Г. Изотопное замещение дейтерия на протий в тканях головного мозга крыс изменяет его резистентность к гипоксии // Биофизика. 2019. Т. 64. № 2. C. 362–370. DOI: 10.1134/S0006302919020169 . Biofizika, , 2019, vol. 64, no 2, pp. 362–370. DOI: 10.1134/S0006302919020169 (In Russian)] Basov A., Fedulova L., Vasilevskaya E., Dzhimak S. Possible mechanisms of biological effects observed in living systems during 2H/1H isotope fractionation and deuterium interactions with other biogenic isotopes // Molecules. 2019. Vol. 24. Iss. 22. P. 4101. DOI:10.3390/molecules24224101 Яглова Н.В., Обернихин С.С., Тимохина Е.П., Яглов В.В. Реакция гипофизарно-тиреоидной оси на кратковременное изменение содержания дейтерия в организме // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2021. Т. 171. № 2. С. 232–234. DOI: 10.47056/0365-9615-2021-171-2-232-234 . Byulleten' eksperimental'noy biologii i meditsiny , 2021, vol. 171, no. 2, pp. 232–234. DOI: 10.47056/0365-9615-2021-171-2-232-234 (In Russian)] Лобышев В.И., Калиниченко Л.П. Изотопные эффекты D2О в биологических системах. М.: Наука, 1978. . Nauka, Moscow, 1978. (In Russian)] Kosenkov A.V., Gulyaev M.V., Lobyshev V.I., Yusubalieva G.M., Baklaushev V.P. The reversible effect of deuteration on tissue fluid and biopolymers in normal and tumor tissues of mice // Biophysics. 2018. Vol. 63. № 5. P. 820–824. DOI: 10.1134/S0006350918050111 Лобышева Н.В., Нестеров С.В., Скоробогатова Ю.А., Лобышев В.И. Функциональная активность митохондрий в водной среде с уменьшенным содержанием дейтерия // Биофизика. 2020. Т. 65. № 2. С. 315–319. DOI: 10.31857/S0006302920020131 . Biofizika , 2020, vol. 65, no. 2, pp. 315–319. DOI: 10.31857/S0006302920020131 (In Russian)] Zlatskiy I., Pleteneva T., Skripnikov A., Grebennikova T., Maksimova T., Antipova N., Levitskaya O., Makarova M., Selivanenko I., Syroeshkin A. Dependence of Biocatalysis on D/H Ratio: Possible Fundamental Differences for High-Level Biological Taxons // Molecules. 2020. Vol. 25. P. 4173. DOI: 10.3390/molecules25184173 Козин С.В., Кравцов А.А., Туроверов К.К., Фонин А.В., Чихиржина Е.В., Малышко В.В., Моисеев А.В., Чуркина А.В. Изменение функциональной активности пероксидазы хрена и бычьего сывороточного альбумина в средах с различным изотопным 2H/1H составом // Биофизика. 2020. Т. 65. № 2. С. 229–236. DOI: 10.31857/S0006302920020039 . Biofizika , 2020, vol. 65, no. 2, pp. 229–236. DOI: 10.31857/S0006302920020039 (In Russian)] Zhang X., Gaetani M., Chernobrovkin A., Zubarev R.A. Anticancer effect of deuterium depleted water - Redox disbalance leads to oxidative stress // Molecular and Cellular Proteomics. 2019. Vol. 18. № 12. P. 2373–2387. DOI: 10.1074/mcp.RA119.001455 Yaglova N.V., Obernikhin S.S., Yaglov V.V., Nazimova S.V. Time-dependent effect of deuterium depletion on tumor growth and metastasis // Russian Open Medical Journal. 2020. Vol. 9. Iss. 2. P. e0210. Basov A.A., Kozin S.V., Bikov I.M., Popov K.A., Moiseev A.V., Elkina A.A., Dzhimak S.S. Changes in prooxidant-antioxidant system indices in the blood and brain of rats with modelled acute hypoxia which consumed a deuterium-depleted drinking diet // Biology Bulletin. 2019. Vol. 46. Iss. 6. P. 531–535. DOI: 10.1134/S1062359019060049 Яглова Н.В., Обернихин С.С., Тимохина Е.П., Диатроптова М.А., Диатроптов М.Е., Яглов В.В. Влияние уменьшения поступления дейтерия в организм на процессы терморегуляции // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2021. Т. 171. № 5. С. 538–542. . Byulleten' eksperimental'noy biologii i meditsiny , 2021, vol. 171, no. 5, pp. 538–542. (In Russian)] Englander S.W., Kallenbach N.R., Heeger A.J., Krumhansl J.A., Litwin A. Nature of the open state in long polynucleotide double helices: possibility of soliton excitations // PNAS. 1980. Vol. 77. Iss. 12. P. 7222–7226. DOI: 10.1073/pnas.77.12.7222 Muto V., Scott A.C., Christiansen P.L. Microwave and thermal generation of solitons in DNA // Journal de Physique Colloques. 1989. Vol. 50. P. 217–222. Christiansen P.L., Lomdahl P.C., Muto V. On a Toda lattice model with a transversal degree of freedom // Nonlinearity. 1990. Vol. 4. P. 477–501. Ichikawa Y.H., Konno K., Wadati M. Non-linear transverse oscillation of elastic beam under tension // Journal of the Physical Society. 1981. Vol. 50. P. 1799–1802. Scott A.C. A nonlinear Klein-Gordon equation // American Journal of Physics. 1969. Vol. 37. P. 52–61. Gaeta G. Solitons in the Yakushevich model of DNA beyond the contact approximation // Physical Review E. 2006. Vol. 74. P. 021921. DOI: 10.1103/PhysRevE.74.021921 Yakushevich L.V., Krasnobaeva L.A. Forced Oscillations of DNA Bases // Biophysics. 2016. Vol. 61. Iss. 2. P. 241–250. Джимак С.С., Дроботенко М.И., Басов А.А., Свидлов А.А., Барышев М.Г. Математическое моделирование учета открытых состояний в зависимости от 2H/1H соотношения в двухцепочечной молекуле ДНК // Математическая биология и биоинформатика. 2019. Т. 14. Iss. 2. С. 612–624. DOI: 10.17537/2019.14.612 . Matematicheskaya biologiya i bioinformatika , 2019, vol. 14, iss. 2, pp. 612–624. DOI: 10.17537/2019.14.612 (In Russian)] Дроботенко М.И., Джимак С.С., Свидлов А.А., Басов А.А., Лясота О.М., Барышев М.Г. Математическая модель двухцепочечной молекулы ДНК с учетом открытых состояний // Биофизика. 2018. Т. 63. № 2. С. 258–264. . Biofizika , 2018, vol. 63, no. 2, pp. 258–264.] Yakushevich L. On the mechanical analogue of DNA // Journal of Biological Physics. 2017. Vol. 43. Iss. 1. P. 113–125. DOI: 10.1007/s10867-016-9437-0 Джимак С.С., Свидлов А.А., Барышев М.Г., Дроботенко М.И., Елкина А.А. Расчёт вероятности возникновения пузырьков денатурации в молекуле ДНК. Свидетельство о государственной регистрации программы ЭВМ № 2021618296. Опубликовано: 25.05.2021. . Svidetel'stvo o gosudarstvennoy registratsii programmy EVM № 2021618296 . Published: 25.05.2021. (In Russian)]