Investigation of the probability of occurrence of denaturation bubbles during 2H/1H exchange in a DNA molecule

Authors

  • Elkina A.A. Kuban State University, Krasnodar, Russian Federation
  • Malyshko V.V. Federal Research Center the Southern Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, Rostov-on-Don, Russian Federation
  • Gerasimenko E.O. Кубанский государственный технологический университет, Краснодар, Russian Federation
  • Litvinov D.A. MBOU Lyceum No. 4 of the city of Krasnodar, Krasnodar, Russian Federation
  • Goldobin I.N. MBOU Lyceum No. 4 of the city of Krasnodar, Krasnodar, Russian Federation
  • Dzhimak S.S. Kuban State University, Krasnodar, Russian Federation

UDC

51-76; 53.01

EDN

XRRWCE

DOI:

10.31429/vestnik-18-3-46-55

Abstract

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.

Keywords:

deuterium, mathematical modeling of open states of DNA, DNA, bubbles of denture, hydrogen bond

Funding information

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).

Authors info

  • Anna A. Elkina

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

  • Vadim V. Malyshko

    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

  • Evgeniy O. Gerasimenko

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

  • Danil A. Litvinov

    учащийся МБОУ лицей № 4 города Краснодара

  • Ivan N. Goldobin

    учащийся МБОУ лицей № 4 города Краснодара

  • Stepan S. Dzhimak

    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

References

  1. 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
  2. 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
  3. 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
  4. 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
  5. 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.
  6. 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
  7. 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
  8. 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
  9. 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 [Dzhimak, S.S., Svidlov, A.A., Basov, A.A., Baryshev, M.G., Drobotenko, M.I. Vliyanie edinichnykh zamen protiya na deyteriy v molekule DNK na vozniknovenie otkrytykh sostoyaniy [Influence of single substitutions of protium for deuterium in the DNA molecule on the occurrence of open states]. Biofizika [Biophysics], 2018, vol. 63, no. 4, pp. 643–647. DOI: 10.1134/S0006302918040026 (In Russian)]
  10. 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
  11. 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
  12. 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 [Kozin, S.V., Kravtsov, A.A., Elkina, A.A., Zlishcheva, E.I., Barysheva, E.V., Shurygina, L.V., Moiseev, A.V., Baryshev, M.G. Izotopnoe zameshchenie deyteriya na protiy v tkanyakh golovnogo mozga krys izmenyaet ego rezistentnost' k gipoksii [Isotopic substitution of protium for deuterium in rat brain tissues changes its resistance to hypoxia]. Biofizika, [Biophysics], 2019, vol. 64, no 2, pp. 362–370. DOI: 10.1134/S0006302919020169 (In Russian)]
  13. 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
  14. 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 [Yaglova, N.V., Obernikhin, S.S., Timokhina, E.P., Yaglov, V.V. Reaktsiya gipofizarno-tireoidnoy osi na kratkovremennoe izmenenie soderzhaniya deyteriya v organizme [The reaction of the pituitary-thyroid axis to a short-term change in the content of deuterium in the body]. Byulleten' eksperimental'noy biologii i meditsiny [Bulletin of Experimental Biology and Medicine], 2021, vol. 171, no. 2, pp. 232–234. DOI: 10.47056/0365-9615-2021-171-2-232-234 (In Russian)]
  15. Лобышев В.И., Калиниченко Л.П. Изотопные эффекты D2О в биологических системах. М.: Наука, 1978. [Lobyshev, V.I., Kalinichenko, L.P. Izotopnye effekty D2O v biologicheskikh sistemakh [Isotope effects of D2O in biological systems]. Nauka, Moscow, 1978. (In Russian)]
  16. 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
  17. 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 [Lobysheva, N.V., Nesterov, S.V., Skorobogatova, Yu.A., Lobyshev, V.I. Funktsional'naya aktivnost' mitokhondriy v vodnoy srede s umen'shennym soderzhaniem deyteriya [Functional activity of mitochondria in an aquatic environment with a reduced deuterium content]. Biofizika [Biophysics], 2020, vol. 65, no. 2, pp. 315–319. DOI: 10.31857/S0006302920020131 (In Russian)]
  18. 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
  19. 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 [Kozin, S.V., Kravtsov, A.A., Turoverov, K.K., Fonin, A.V., Chikhirzhina, E.V., Malyshko, V.V., Moiseev, A.V., Churkina, A.V. Izmenenie funktsional'noy aktivnosti peroksidazy khrena i bych'ego syvorotochnogo al'bumina v sredakh s razlichnym izotopnym 2H/1H sostavom [Changes in the functional activity of horseradish peroxidase and bovine serum albumin in media with different isotopic 2H/1H composition]. Biofizika [Biophysics], 2020, vol. 65, no. 2, pp. 229–236. DOI: 10.31857/S0006302920020039 (In Russian)]
  20. 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
  21. 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.
  22. 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
  23. 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. [Yaglova, N.V., Obernikhin, S.S., Timokhina, E.P., Diatroptova, M.A., Diatroptov, M.E., Yaglov, V.V. Vliyanie umen'sheniya postupleniya deyteriya v organizm na protsessy termoregulyatsii [The effect of a decrease in the intake of deuterium in the body on the processes of thermoregulation]. Byulleten' eksperimental'noy biologii i meditsiny [Bulletin of Experimental Biology and Medicine], 2021, vol. 171, no. 5, pp. 538–542. (In Russian)]
  24. 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
  25. 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.
  26. 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.
  27. 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.
  28. Scott A.C. A nonlinear Klein-Gordon equation // American Journal of Physics. 1969. Vol. 37. P. 52–61.
  29. 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
  30. Yakushevich L.V., Krasnobaeva L.A. Forced Oscillations of DNA Bases // Biophysics. 2016. Vol. 61. Iss. 2. P. 241–250.
  31. 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 [Dzhimak, S.S., Drobotenko, M.I., Basov, A.A., Svidlov, A.A., Baryshev, M.G. Matematicheskoe modelirovanie uche [Mathematical modeling of accounting for open states depending on the 2H/1H ratio in a double-stranded DNA molecule]. Matematicheskaya biologiya i bioinformatika [Mathematical Biology and Bioinformatics], 2019, vol. 14, iss. 2, pp. 612–624. DOI: 10.17537/2019.14.612 (In Russian)]
  32. 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. [Drobotenko, M.I., Dzhimak, S.S., Svidlov, A.A., Basov, A.A., Lyasota, O.M., Baryshev, M.G. Matematicheskaya model' dvukhtsepochechnoy molekuly DNK s uchetom otkrytykh sostoyaniy [Mathematical model of a double-stranded DNA molecule taking into account open states]. Biofizika [Biophysics], 2018, vol. 63, no. 2, pp. 258–264.]
  33. 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
  34. 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. [Dzhimak, S.S., Svidlov, A.A., Baryshev, M.G., Drobotenko, M.I., Elkina, A.A. Raschet veroyatnosti vozniknoveniya puzyr'kov denaturatsii v molekule DNK [Calculation of the probability of the appearance of bubbles of denaturation in the DNA molecule]. Svidetel'stvo o gosudarstvennoy registratsii programmy EVM № 2021618296 [Certificate of state registration of the computer program No. 2021618296. Published: 25.05.2021.]. Published: 25.05.2021. (In Russian)]

Downloads

Download data is not yet available.

Downloads

Issue

Vol. 18 (2021) No. 3

Pages

46-55

Section

Physics

Dates

Submitted

September 23, 2021

Accepted

September 28, 2021

Published

September 30, 2021

How to Cite

[1]
Elkina, A.A., Malyshko, V.V., Gerasimenko, E.O., Litvinov, D.A., Goldobin, I.N., Dzhimak, S.S., Investigation of the probability of occurrence of denaturation bubbles during 2H/1H exchange in a DNA molecule. Ecological Bulletin of Research Centers of the Black Sea Economic Cooperation, 2021, т. 18, № 3, pp. 46–55. DOI: 10.31429/vestnik-18-3-46-55

License

Copyright (c) 2021 Елкина А.А., Малышко .В., Герасименко Е.О., Литвинов Д.А., Голдобин И.Н., Джимак С.С.

Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Similar Articles

1-10 of 157

You may also start an advanced similarity search for this article.

Most read articles by the same author(s)