БИОФИЗИКА, 2022, том 67, № 4, с. 638-651

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОФИЗИКА

УДК 573.7, 577.3, 577.1, 577.15

АРХИТЕКТУРА КОНДЕНСИРОВАННОЙ ДНК В НУКЛЕОИДЕ БАКТЕРИИ

Escherichia coli

А.В. Моисеенко*^, ***, Э.В. Терешкин*, О.С. Соколова***, К.Б. Терешкина*,

Г.И. Эль-Регистан**, А.Н. Попов****

*Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Cемёнова РАН,

ул. Косыгина, 4, Москва, 119991, Россия

^#E-mail: yufk@chph.ras.ru

**Федеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН,

Ленинский проспект, 33/2, Москва, 119071, Россия

***Биологический факультет Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова,

Ленинские горы, 1/12, Москва, 119234, Россия

****European Synchrotron Radiation Facility, avenue des Martyrs 71, CS 40220, 38043 Grenoble Cedex 9, France

Поступила в редакцию 11.04.2022 г.

После доработки 11.04.2022 г.

Принята к публикации 06.05.2022 г.

3D-архитектура генома определяет функцию клетки. Изучение конденсации ДНК в клетке важно

для понимания механизмов выживания бактерий и для медицины, поскольку упорядоченная кон-

денсация ДНК обеспечивает устойчивость патогенных бактерий к действию антибиотиков. В раз-

бавленном растворе длина ДНК составляет несколько сантиметров. Длина бактерии Escherichia coli

составляет около 2.0 мкм. Столь драматичное уменьшение объема, занимаемого ДНК - следствие

ее конденсации. Обнаружено, что ДНК организована в нуклеоиде иерархически с тремя уровнями

компактизации ДНК: нижний уровень (малый масштаб ≥ 1 кб п.о.) обеспечивается гистоноподоб-

ными NAP-белками. Бактерии при стрессе голодания, в отличие от активно растущих бактерий, ис-

пользуют энергонезависимый механизм поддержания порядка и защиты жизненно важных струк-

тур (ДНК), как в неживой природе. Изучение структуры ДНК в нуклеоиде бактерии E. coli проводи-

ли с помощью дифракции синхротронного излучения и просвечивающей электронной

микроскопии. Экспериментальные результаты позволили визуализировать структуры нижнего

иерархического уровня компактизации ДНК в нуклеоиде покоящихся клеток. Впервые проведен-

ная серия дифракционных экспериментов свидетельствует о наличии периодической упорядочен-

ной организации ДНК во всех изученных бактериях. Просвечивающая электронная микроскопия

позволила извлечь более тонкую визуальную информацию о типе конденсации ДНК в нуклеоиде

бактерии E. coli. Обнаружены внутриклеточные нанокристаллические, жидкокристаллические и

свернутые нуклеосомо-подобные структуры ДНК. Свернутая нуклеосомоподобная структура на-

блюдалась впервые, она является результатом множественного сворачивания длинных молекул

ДНК вокруг белка Dps и его ассоциатов.

Ключевые слова: ДНК, бактерия Escherichia coli, стресс голодания, внутриклеточные нанокристалличе-

ская, жидкокристаллическая, свернутая нуклеосомоподобная структуры.

DOI: 10.31857/S0006302922040020, EDN: ISJNCS

Светлой памяти Льва Александровича Блюменфельда посвящается

3D-архитектура генома определяет функцию

биотиков. Устойчивость к антибиотикам на

клетки. Изучение конденсации ДНК в клетке

сегодняшний день является одной из важнейших

важно также для понимания механизмов выжива-

медицинских проблем в мире.

ния бактерий и для медицины, поскольку упоря-

Бактерии Escherichia coli, как и другие микро-

доченная конденсация ДНК обеспечивает устой-

организмы, находятся в постоянно изменяющих-

чивость патогенных бактерий к действию анти-

ся условиях окружающей среды, часто неблаго-

Сокращения: ПЭМ - просвечивающая электронная микроскопия, Dps - ДНК-связывающий белок [впервые выделенный]

из голодающих клеток (DNA-binding protein from starved cells).

638

АРХИТЕКТУРА КОНДЕНСИРОВАННОЙ ДНК

639

приятных. Изменения параметров среды воспри-

шает 1 мкм³. Для размещения в нуклеоиде ДНК

нимаются ими как стресс. В ответ на любые

должна дополнительно компактизоваться

[4].

стрессовые воздействия клетки E. coli включают

Кроме этого, конденсированная в нуклеоиде

универсальные наследственные стратегии адап-

ДНК должна быть функциональной. Конденси-

тации, основанные на структурных, биохимиче-

рованная ДНК должна быть способна осуществ-

ских и генетических перестройках, позволяющие

лять такие процессы как репликация, рекомбина-

сохранить часть популяции и выжить в любых не-

ция, сегрегация и транскрипция. Структура бак-

благоприятных условиях [1]. В первую очередь

териального нуклеоида с высоким разрешением

эти стратегии направлены на защиту генетиче-

еще не определена. Однако исследования, начав-

ского материала клетки. Стресс голодания и пе-

шиеся еще в 1971 г., показали, что конденсиро-

реход бактерий в покоящееся состояние пред-

ванная ДНК в нуклеоиде имеет иерархическую

ставляет особый интерес, поскольку покоящиеся

структуру и что конденсация ДНК имеет некото-

клетки существенно более устойчивы к воздей-

рое сходство с фолдингом (самоорганизацией)

ствию антибактериальных препаратов, кроме

белка [4, 5]. Можно грубо выделить следующие

этого, бактерии приобретают способность выжи-

уровни структурной организации компактной

вать в самых агрессивных условиях.

бактериальной ДНК [6]. Низший уровень (малый

масштаб ~ 1 килобайт пар оснований (п.о.)) обес-

Данный обзор посвящен последним ориги-

печивается взаимодействием ДНК с ДНК-связы-

нальным (2017-2022 гг.) и литературным резуль-

вающими белками. На промежуточном уровне

татам экспериментальных исследований струк-

(средний масштаб ~ 10 килобайт п.о.) ДНК обра-

турной организации ДНК в покоящихся клетках

зует сверхспиральные петли. На самом высоком

E. coli с помощью дифракции синхротронного из-

лучения, просвечивающей электронной микро-

уровне (мега-масштаб ~ 10⁶ п.о.) ДНК образует

скопии (ПЭМ) при действии на бактерию стресса

шесть пространственно-организованных макро-

голодания. Приведены результаты молекулярно-

доменов с четкой территориальной организацией

динамического моделирования кристаллов Dps-

(как у фрактальной глобулы), на которые разде-

ДНК. Обсуждаются изменения в архитектуре

лен бактериальный нуклеоид.

нуклеоида при переходе от активно растущих к

Фрактальная (или складчатая) глобула - это

покоящимся клеткам, образующимся при стрессе

компактное полимерное состояние, которое воз-

голодания. Для лучшего понимания происходя-

никает при конденсации полимера в результате

щих изменений обсуждается архитектура нуклео-

топологических ограничений, препятствующих

ида в активно растущей клетке. Обсуждаются по-

переходу одной области цепи в другую. Это дол-

следние методические успехи в нано-визуализа-

гоживущее промежуточное состояние было вве-

ции и нано-томографии клеток с помощью

дено в 1988 году А.Ю. Гросбергом с соавт. [7].

синхротронного излучения и электронной мик-

Экспериментальное исследование свойств про-

роскопии, которые позволят в обозримом буду-

странственной организации хроматина в ядре

щем определять архитектуру нуклеоида с высо-

клетки человека с использованием набора новых

ким разрешением как в активно растущих, так и

методов молекулярной биологии, сокращенно

покоящихся бактериях.

называемых 3C (chromosome conformation cap-

ture) и Hi-C, привлекли внимание к фрактальной

глобуле как к структурной модели хроматина на

КОНДЕНСАЦИЯ ДНК В АКТИВНО

крупном масштабе ~10 Мб [8, 9].

РАСТУЩИХ КЛЕТКАХ.

Согласно работе [10], коллапс длинного поли-

ФРАКТАЛЬНАЯ ГЛОБУЛА

мера из-за топологических ограничений проис-

E. coli - широко распространенная грамотри-

ходит с образованием складок все увеличиваю-

цательная бактерия, являющаяся одним из важ-

щихся размеров. В первую очередь появляются

нейших инструментов биологической науки [2].

мелкие складки. Это приводит к образованию эф-

E. coli в этом смысле является аналогом атома во-

фективно более толстого складчатого полимера,

дорода для микробиологии.

который затем уже сам образует более крупные

Бактериальная геномная ДНК и ассоцииро-

складки и т. д. [7]. Авторы работы [7] продемон-

ванные с ней белки (nucleoid-associated proteins,

стрировали, что этот процесс должен приводить к

NAP-белки) расположены в клетке в сильно кон-

образованию долгоживущего состояния, которое

денсированной и функционально организован-

они назвали складчатой (впоследствии ее стали

ной форме в нуклеоиде. ДНК - длинный, сильно

называть фрактальной) глобулой. Было предпо-

заряженный гетерополимер. В разбавленном рас-

ложено, что такая глобула характеризуется иерар-

творе при термодинамическом равновесии ДНК

хией складок, образуя самоподобную структуру

бактерии E. coli образует стохастический клубок

[7].

[3] объемом около 500 мкм³. Объем нуклеоида

На рис. 1 показаны конформации фракталь-

E. coli, где располагается ДНК, в клетке не превы-

ной и равновесной глобул. Фрактальная глобула

БИОФИЗИКА том 67

№ 4

2022

640

КРУПЯНСКИЙ и др.

Рис. 1. Конформации фрактальной (а) и равновесной (б) глобул. Фрактальная глобула имеет четкую территориальную

организацию, которая сильно контрастирует со смешением, наблюдаемым в равновесной глобуле.

имеет поразительную территориальную органи-

цепочка ДНК не позволяет открыть петлю доста-

зацию цепочки, которая сильно контрастирует с

точного размера и доступ к сайтам ДНК ограни-

перемешанной организацией цепочки, наблюда-

чен.

емой в равновесной глобуле. Хромосомные кон-

такты в клетках человека были охарактеризованы

с помощью экспериментов Hi-C. При сравнении

РОСТ БАКТЕРИЙ. СТРЕСС ГОЛОДАНИЯ.

с экспериментом было решено, что фрактальная

БЕЛОК Dps

глобула достаточно хорошо описывает свойства

хромосомы человека на мега-масштабах, или тре-

Бактериальный рост - это деление клетки бак-

тьем уровне структурной организации ДНК. По-

терии на две дочерние клетки. Если не происхо-

этому фрактальная глобула была предложена в

дит мутационного события, полученные дочер-

качестве модели сворачивания ДНК внутри клет-

ние клетки генетически идентичны исходной

ки на крупном масштабе. Фрактальная глобула

клетке. Динамику роста бактериальной популя-

обладает несколькими важными свойствами, ко-

ции подразделяют на четыре фазы [11]. Первая

торые делают ее привлекательным способом ор-

фаза роста называется лаг-фазой, это период мед-

ганизации хроматина. У фрактальной глобулы

ленного роста, когда клетки адаптируются к сре-

нет узлов. Динамика раскрытия хроматина в не-

де, богатой питательными веществами, За лаг-

заузленной конформации фрактальной глобулы

фазой следует логарифмическая или экспонен-

циальная фаза, во время которой происходит

очень сильно отличается от динамики раскрытия

ДНК в чрезвычайно запутанной конформации

быстрый экспоненциальный рост популяции. В

равновесной глобулы [9].

ходе экспоненциальной фазы питательные веще-

ства потребляются с максимальной скоростью до

Для осуществления функции нужен легкий

тех пор, пока одно из необходимых соединений

доступ к каждому кусочку цепочки ДНК. Очевид-

не закончится и не начнет подавлять рост. Третья

но преимущество модели, описываемой фрак-

фаза роста называется стационарной, она начи-

тальной глобулой, поскольку эта глобулярная

нается при нехватке питательных веществ для

структура позволяет практически безболезненно

быстрого роста. Скорость метаболизма падает, и

открыть любую петлю ДНК, открывая доступ к

клетки начинают расщеплять белки, не являю-

любому сайту ДНК [9]. В работе [9] моделирова-

щиеся строго необходимыми. Финальная фаза

лось флуктуационное открытие области разме-

роста - фаза смерти, при которой запас питатель-

ром около 3 Мб в двух глобулах - складчатой и

ных веществ исчерпывается и бактерии погиба-

равновесной. Во фрактальной глобуле область

ют. В экспоненциальной фазе роста меняется от-

раскрывается, образуя большую петлю. В равно-

носительное содержание ДНК-ассоциированных

весной глобуле такая же область не открывается

гистоноподобных белков (NAP-белков). Напри-

из-за перепутывания цепи. В модели хроматина,

мер, если в фазе роста содержание белка Dps

описываемого равновесной глобулой, заузленная

(DNA-binding protein from starved cells, ДНК-свя-

БИОФИЗИКА том 67

№ 4

2022

АРХИТЕКТУРА КОНДЕНСИРОВАННОЙ ДНК

641

Рис. 2. Зависимость интенсивности рассеяния от угла 2Θ для образца голодающих бактерий E. coli штамма BL21-

Gold(DE3). На врезке - дифракционная картина для этого образца. Повышенная интенсивность свидетельствует о

наличии периодической упорядоченной организации (близкой к нанокристаллической) ДНК с ДНК-ассоциированными

белками.

зывающий белок [впервые выделенный] из голо-

становятся покоящимися. Большинство клеток

дающих клеток) составляет около 6000 молекул

(до 99.98%) в голодающих долгое время популя-

белка на клетку, то в стационарной и в поздней

циях подвергаются автолизу. Остальные клетки

стационарной фазе содержание белка Dps стано-

развиваются в покоящиеся формы, которые су-

вится подавляющим по сравнению с другими

щественно отличаются по структурной организа-

белками и составляет 180000-200000 молекул

ции от растущих клеток [21].

белка на клетку. В поздней стационарной фазе

Для покоящихся клеток можно ожидать обна-

решающим для конформации ДНК (архитектуры

ружение совершенно новых структур конденси-

бактериального нуклеоида) становится взаимо-

рованной ДНК по сравнению с активно растущи-

действие ДНК с Dps. Dps играет регулирующую и

ми клетками. Одним из механизмов структурного

защитную роль в клетках E. coli [12-15]. При голо-

ответа на стресс голодания является внутрикле-

дании Dps очень активен и может сильно изме-

точная нано(био)кристаллизация ДНК с Dps.

нять структуру бактериальной ДНК. Его структу-

Внутриклеточная нано(био)кристаллизация поз-

ра [16] и взаимодействие с ДНК недавно были

воляет защитить ДНК от повреждений и потен-

изучены in vitro [16, 17] и in silico [18, 19]. Dps пред-

циальную способность возобновления метаболи-

ставляет собой додекамер и состоит из 12 иден-

ческой активности бактериальных клеток в све-

тичных цепей [16]. Структура депонирована в

жей среде. Другие виды структурного ответа на

Protein Data Bank (1dps.pdb).

стресс голодания изложены в разделе «АЛЬТЕР-

НАТИВНЫЕ ВИДЫ КОНДЕНСАЦИИ ДНК В

КЛЕТКЕ».

ПОКОЯЩИЕСЯ КЛЕТКИ. СТРУКТУРНЫЙ

ОТВЕТ НА СТРЕСС. ВНУТРИКЛЕТОЧНАЯ

Были проведены эксперименты по измерению

НАНОКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ НУКЛЕОИДА

рассеяния синхротронного излучения на образ-

цах, содержащих клетки бактерий E. coli штамма

При стрессе голодания поддержание упорядо-

BL21-Gold (DE3), трансформированного плаз-

ченности динамическим способом становится

мидой pET-Dps и подвергнутого индукции повы-

невозможным (практически отсутствует метабо-

шенной экспрессии белка Dps [22, 23]. Для попу-

лизм), и бактерии задействуют другой, энергоне-

ляции клеток под действием стресса голодания

зависимый механизм поддержания упорядочен-

зарегистрированы дифракционные картины ви-

ности и защиты жизненно важных структур

да, показанного на врезке на рис. 2. С целью

(ДНК) - создание устойчивых молекулярных

детального анализа этих данных построены зави-

структур, как в неживой природе [20]. Клетки

симости интенсивности рассеяния от угла рассе-

БИОФИЗИКА том 67

№ 4

2022

642

КРУПЯНСКИЙ и др.

Рис. 3. ПЭМ. Последовательная внутриклеточная кристаллизация ДНК-Dpsв клетках E. coli при стрессе голодания: (а) -

при 24-часовом голодании (образование тороидов); (б) - при 36-часовом голодании, наблюдаются структуры ДНК

(черные стрелки) в непосредственной близости от растущего кристалла ДНК-Dps (белая стрелка); (в) - сильно

увеличенная область из рис. (б), показывающая рост кристаллов (белые линии); (г) - модель внутриклеточной сборки

ДНК-Dps, которая изображает первоначально сформированную тороидальную структуру, действующую как шаблон для

кристалла ДНК-Dps. Взято с разрешения из работы [25].

яния 2θ с помощью усреднения 2D-дифракцион-

Просвечивающая электронная микроскопия

ных картин по азимутальному углу. Обнаружены

позволяет визуализировать структуру конденси-

рованной в нуклеоиде ДНК. Ниже приведены ре-

зоны повышенной интенсивности с периодами

зультаты исследований, полученные на сверхтон-

кристаллической структуры приблизительно 90 и

ких срезах с помощью просвечивающего элек-

45 Å, в отличие от контрольных образцов расту-

тронного микроскопа JEM-2100 (Jeol, Япония) с

щих клеток, где области повышенной интенсив-

ускоряющим напряжением 200 кВ. Томограммы

ности не были замечены. Первый широкий пик

получали на полутолстых (300-400 нм) срезах.

лежит в области 90-93 Å. Диаметр Dps-додекаме-

Аналитическую электронную микроскопию

ра около 90 Å, поэтому этот пик может соответ-

(энергодисперсионные рентгеновские спектры и

ствовать расстоянию между слоями Dps. Второй

элементный анализ) проводили на аналитиче-

пик в 45 Å может соответствовать второму поряд-

ском просвечивающем электронном микроскопе

ку дифракции Dps-Dps или расстояниям ДНК-

JEM-2100 (Jeol, Япония).

ДНК в плотно упакованном ансамбле ДНК [24].

Электронная микроскопия и электронно-

микроскопическая томография позволили до-

Приведенные на рис. 2 результаты дифракци-

биться существенного прогресса в визуализации

онных экспериментов свидетельствуют о нали-

упорядоченных ДНК-Dps образований in vivo. В

чии периодической упорядоченной организации

стационарной фазе при 24-часовом стрессе голо-

(скорее всего нанокристаллической) нуклеоида

дания ДНК образует тороидальные структуры

бактерий с указанными выше периодами.

(рис. 3а). Для тороидов, возникающих в клетках

БИОФИЗИКА том 67

№ 4

2022

АРХИТЕКТУРА КОНДЕНСИРОВАННОЙ ДНК

643

Рис. 4. Данные ПЭМ для клеток E. coli. (а) - Экспоненциально растущие клетки E. coli. Темные частицы - рибосомы;

пространство, свободное от рибосом, содержит ДНК. (б) - Просвечивающая электронная микроскопия клетки после 48 ч

голодания, выявляющая плотно упакованные кристаллы ДНК-Dps; Взято с разрешения из работы [25]. (в) - Полутолстый

срез томограммы клетки E. coli с нанокристаллической структурой, на врезке - Фурье-преобразование области с белой

рамкой. (г) - Отфильтрованный кристалл ДНК-Dps, на врезке - профиль интенсивности вдоль белой линии на основном

изображении. Черным выделены плотности, соответствующие межслойным цепям ДНК.

E. coli, данные методы позволили определить

На рис. 4а приведены результаты, полученные

форму и размеры тороидальных структур

с помощью просвечивающей электронной мик-

(внешний диаметр - около 150 нм, внутренний

роскопии (ПЭМ) для экспоненциально растущей

диаметр - около 50 нм (рис. 3а) [25]. Далее (при

клетки. Темные частицы обозначают рибосомы.

36-часовом стрессе голодания) наряду с торои-

Место, свободное от рибосом, содержит хрома-

дальными структурами появляются кристалличе-

тин [25]. На рис. 4б представлены результаты для

ские структуры ДНК-Dps (рис. 3б,в). Это позво-

клетки, испытавшей стресс 48-часового голода-

лило предположить, что тороиды играют роль

ния. Тороидальные структуры исчезают, наблю-

подложки для последующего образования кри-

даются достаточно большие кристаллы ДНК-

сталлов ДНК-Dps. Авторы работы [25] выдвину-

Dps [25]. На рис. 4в показан срез томограммы

ли гипотезу о том, что ДНК локализована между

клетки с нанокристаллической структурой; на

гексагонально упакованными слоями Dps в кри-

врезке на рис. 4в - результат Фурье-анализа на-

сталле (рис. 3г). Это означает, что характерное

нокристаллической области клетки, очерченной

расстояние между цепочками ДНК-ДНК будет

белой каймой [21], свидетельствующий о нали-

около 90 Å, а не 45 Å, как предполагалось выше.

чии нанокристалла в этой области клетки [21].

БИОФИЗИКА том 67

№ 4

2022

644

КРУПЯНСКИЙ и др.

Отфильтрованный кристалл ДНК-Dps представ-

Таким образом, несмотря на малость размеров

лен на рис. 4г; на вставке к рис. 4г изображен про-

монокристаллов, низкую симметрию (P1), отно-

филь интенсивности электронной плотности

сительно большие параметры решетки и слабые

вдоль белой линии основного изображения. Чер-

рефлексы, программные комплексы Mesh&Col-

ным выделены плотности, видимо, соответству-

lect и ccCluster, позволили определить структуру

ющие межслойным цепям ДНК [21]. Вопрос о

белка Dps [26] (в процессе определения структу-

точной локализации и форме укладки ДНК в на-

ры оказалось, что ДНК не образовала комплекс

нокристаллах в комплексе с Dps остается откры-

ДНК-Dps, а вышла из кристалла). Структура де-

тым. Приведенные результаты электронно-мик-

понирована в Protein Data Bank как 6QVX [26].

роскопических исследований не визуализируют

Для проведения электронно-микроскопиче-

ДНК напрямую, поэтому предполагаемая кон-

ских исследований in vitro были выращены тон-

формация ДНК в нанокристаллах является гипо-

кие монокристаллические комплексы из неболь-

тетической.

шой ДНК (длиной 165 п.о.) с белком Dps. Были

изучены проекционные структуры кристаллов

Экспериментальные данные, полученные с

Dps-Dps и Dps-ДНК [28]. Электронно-микро-

помощью дифракции синхротронного излучения

скопические исследования позволяют увидеть

и ПЭМ, не согласованы друг с другом полностью

следы ДНК в тонких (2D) кристаллах ДНК-Dps.

и не дают четкого ответа на вопрос о конформа-

Чтобы объяснить противоречие с данными рент-

ции ДНК в нанокристаллических областях клет-

геноструктурного анализа на массивных моно-

ки. Для того чтобы найти ответ на этот вопрос,

кристаллах, мы предположили, что тонкие 2D-

было решено действовать следующим образом.

кристаллы ДНК-Dps имеют увеличенную по

Мы предположили, что ДНК-Dps легко образу-

сравнению с массивным кристаллом постоянную

ют кристаллы in vitro и что конформация ДНК в

решетки, поэтому в тонких кристаллах есть про-

этих кристаллах идентична конформации ДНК

странство для ДНК.

во внутриклеточных кристаллах. Для изучения

Также было предпринято молекулярно-дина-

конформации ДНК в кристаллах in vitro были вы-

мическое моделирование, с помощью которого

браны две методики: рентгеновская кристалло-

изучались однослойные и многослойные кри-

графия, использующая в качестве источника син-

сталлы белка Dps [18, 19, 28, 29] на траекториях

хротронное излучение и электронно-микроско-

0.6 мкс, адсорбция ДНК (длиной 165 п.о.) на по-

пические исследования.

верхности однослойных двумерных (2D) и кон-

Опишем результаты, полученные методом

денсация в трехмерных (3D) кристаллах. Показа-

но, что механизм адсорбции ДНК на поверхности

макромолекулярной кристаллографии [26]. Для

двумерного кристалла зависит от его локальных

проведения экспериментов были синтезированы

свойств (область N-концов, область остова) и

кристаллические комплексы ДНК (длиной

расположения ДНК относительно главных на-

3000 п.о.) с белком Dps. Синтезированные кри-

правлений кристалла. Нити ДНК распределяют-

сталлы оказались небольшими по размеру (≈ 3-

ся на поверхности кристаллов неупорядоченно,

7 мкм). Полученные малые монокристаллы пло-

образуя изгибы в процессе укладки (рис. 5а).

хо отражали излучение, обладали низкой симмет-

рией и неизвестной пространственной группой.

В многослойных (трехмерных, 3D) кристаллах

Из-за этого автоматическая обработка данных,

белка Dps за счет шарообразной формы молекул

хорошо работающая в случае больших кристал-

белка формируются многочисленные каналы.

лов, в данном случае оказалась неуспешной. Ав-

Предположительно, в этих каналах может укла-

томатическая обработка данных для синтезиро-

дываться ДНК. Скорее всего, кристалл ДНК-Dps

ванных кристаллов выдала шесть пространствен-

образуется постепенно, поэтому ДНК внутри

ных групп, более или менее подпадающих под

кристалла располагается нелинейно, изгибаясь и

экспериментальные данные. Поэтому основной

проходя через каналы различных направлений.

задачей стала задача определения пространствен-

Для проверки этой гипотезы была построена мо-

ной группы кристалла. Для продвижения дальше

дель участка геномной ДНК E. coli (513 пар осно-

и определения пространственной группы при-

ваний, ген dps). На основании проведенных моле-

шлось объединять общие рефлексы от разных ма-

кулярно-динамических расчетов было показано,

что кристаллы белка Dps остаются стабильными в

лых монокристаллов. Первым шагом вперед яв-

присутствии ДНК (рис. 5б). Образование изгибов

лялось определение кластера, состоящего из наи-

внутри при переходе между каналами кристалла

более изоморфных монокристальных данных.

не нарушает структуру ДНК. Значит, ДНК в кри-

Для выбора удобного набора данных и их объеди-

сталлах Dps может располагаться и, скорее всего,

нения был использован иерархический кластер-

располагается неупорядоченно.

ный анализ с помощью программы ccCluster [27].

Оказалось, что объединение данных, принадле-

Таким образом, изучение кристаллов in vitro не

жащих группе Р1, наиболее успешно.

оправдало ожиданий. Четкого ответа о конфор-

БИОФИЗИКА том 67

№ 4

2022

АРХИТЕКТУРА КОНДЕНСИРОВАННОЙ ДНК

645

Рис. 5. 2D- и 3D-кристаллы белка Dps E. coli: (а) - линейные молекулы ДНК на поверхности 2D-кристалла белка Dps в

начальный момент времени (слева), образование изгибов ДНК на поверхности 2D-кристалла Dps в процессе динамики

(посередине - вид сверху, справа - вид сбоку); (б) - участок 3D кристалла Dps с изогнутой нитью ДНК внутри каналов

(слева), конформация ДНК внутри кристалла (справа). Серые сферы - молекулы белка Dps, темные линии - нити ДНК.

мации ДНК в монокристаллах ДНК-Dps полу-

жуточным инженерным решением между прак-

чить не удалось. Молекулярно-динамические

тически свободной от белка упаковки ДНК в

расчеты подтверждают этот вывод. Поэтому пока

вирусах и определяемой белками-гистонами упа-

что остаются лишь гипотетические модели уклад-

ковки ДНК в эукариотах [30].

ки ДНК как в нанокристаллах Dps in vitro, так и в

Несколько слов об упаковке ДНК в вирусах.

клетках бактерий.

Обнаружено [31], что в вирусе-бактериофаге ɸ6

двойная спираль ДНК (dsDNA) хранится внутри

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ВИДЫ КОНДЕНСАЦИИ

капсида в виде катушки, которая имеет различ-

ДНК В КЛЕТКЕ

ные типы намотки, приводящие к различным ти-

пам жидкокристаллической упаковки. Упаковки

До сих пор был рассмотрен один из основных

могут меняться от гексагональной к холестериче-

механизмов структурного ответа, каким является

ской и изотропной на разных этапах функциони-

внутриклеточная нано(био)кристаллизация ДНК

рования бактериофага ɸ6 [31].

с Dps. Рассмотрим другие конденсированные со-

стояния ДНК в клетке. Вспомним, что конденса-

Перейдем к покоящимся бактериальным клет-

ция ДНК в нуклеоиде бактерий является проме- кам. Примечательно, что жидкокристаллические

БИОФИЗИКА том 67

№ 4

2022

646

КРУПЯНСКИЙ и др.

Рис. 6. (а)-(в) - Жидкокристаллические ансамбли ДНК-Dps в покоящихся клетках E. сoli; (г) - видно, что содержание

фосфора (P) сильно превышает концентрацию серы (S).

структуры были обнаружены во всех популяциях

с избыточной продукцией Dps, так и без нее, ци-

клеток E. coli - как с геном dps, так и без гена dps

топлазма от 5 до 25% клеток наполнена множе-

(Dps-null), то есть в отсутствие белка Dps в клет-

ством сферических структур (рис. 7а-в) со сред-

ке. В некоторых клетках ДНК имеет вид холесте-

ним диаметром 30 нм. Томографические исследо-

рического жидкого кристалла (рис. 6а,в). ДНК

вания (рис. 7г) демонстрируют, что эти структуры

расположена в виде вложенных дуг, характерных

не являются тороидами (см. рис. 3а), а представ-

для холестерической фазы, рибосомы выглядят

ляют собой почти сферические образования. С

как темные частицы и находятся на периферии

учетом того, что бактериальный нуклеоид пред-

клетки [20, 21]. Упаковка ДНК в жидкокристалли-

ставляет собой промежуточное инженерное ре-

ческой фазе снижает доступность молекул ДНК к

шение между свободной от белка упаковкой ДНК

различным повреждающим факторам, включая

в вирусах и определяемой белками-гистонами

облучение, окислители и нуклеазы [20, 21].

упаковкой ДНК в эукариотах, данный тип кон-

денсации ДНК был назван нами «свернутой нук-

Особый интерес представляет третий тип упо-

леосомоподобной структурой».

рядоченной структуры: свернутая нуклеосомопо-

добная структура, обнаруженная в покоящихся

Элементный анализ показал [21], что сфериче-

клетках E. coli впервые в работе [21]. Во всех изу-

ские агрегаты действительно содержат пики, со-

ченных популяциях (кроме мутанта Dps-null) как

ответствующие сере и фосфору и указывающие

БИОФИЗИКА том 67

№ 4

2022

АРХИТЕКТУРА КОНДЕНСИРОВАННОЙ ДНК

647

Рис. 7. Свернутая нуклеосомоподобная структура ДНК-Dps в покоящихся клетках E. coli. (а) - Томограмма клетки E. coli

(штамм Top10/pBAD-Dps), растущей на среде М9, без индукции производства Dps, возраст 7 месяцев. (б) - Томограмма

клетки E. coli (штамм BL21-Gold (DE3) /pET-Dps), растущей на среде M9, с индуцированной продукцией Dps в фазе

линейного роста, возраст 7 месяцев. (в) - Часть рисунка (а) с большим увеличением. (г) - Трехмерная реконструкция

сферических ассоциатов Dps.

на присутствие ассоциатов ДНК-Dps. В бактери-

структуры можно увидеть на рис. 8. Внешние мо-

альных клетках сферические образования моле-

лекулы Dps могут налипать на глобулу и дополни-

кул Dps (см. рис. 8) могут действовать аналогично

тельно защищать ДНК [21].

гистонам, на которые накручивается ДНК (гисто-

ноподобное поведение). ДНК может также про-

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ И ВЫВОДЫ

ходить сквозь сферические образования бусинок

В данном кратком обзоре представлены ори-

Dps, образуя «бусинки на нитке» (рис. 8). Для

гинальные и литературные результаты по изуче-

противодействия внешним стрессовым факторам

нию архитектуры нуклеоида покоящихся клеток

эти образования должны располагаться на бакте-

с помощью дифракции синхротронного излуче-

риальной ДНК достаточно плотно. Кроме того,

ния и просвечивающей электронной микро-

как и в случае эукариотических клеток, где нукле-

скопии.

осомы сворачиваются, чтобы образовать фибрил-

Результаты дифракционных экспериментов

лы, которые, складываясь дальше, образуют хро-

свидетельствуют о наличии периодической упо-

матин хромосомы, «бусинки на нитке» могут пу-

рядоченной организации (скорее всего нанокри-

тем множественного складывания образовать

сталлической) в нуклеоиде бактерий E. coli.

компактную структуру, похожую на складчатую

Более тонкую визуальную информацию о типе

глобулу (рис. 8). Схематическое изображение об-

конденсации ДНК в нуклеоиде дает просвечива-

разования свернутой нуклеосомоподобной

ющая электронная микроскопия. В результате

БИОФИЗИКА том 67

№ 4

2022

648

КРУПЯНСКИЙ и др.

Рис. 8. Сравнение схем компактизации ДНК в прокариотических и эукариотических клетках. Верхняя схема - нуклеосомы

эукариот (гистоновые белки, обернутые ДНК) складываются в 30-нанометровые фибриллы, которые, в свою очередь,

складываются, образуя волокна и хроматин, тем самым защищая ДНК от внешних факторов. Нижняя схема - прокариоты

не имеют гистонов, но ДНК обвивается вокруг молекул Dps или проходит через ассоциаты белков Dps, чтобы сначала

сформировать «бусинки на нитке», которые затем могут складываться в сферические агрегаты диаметром 30 нм и далее,

путем множественного складывания, переходит в глобулу ДНК-Dps - структуру, которая эффективно защищает

нуклеоидную ДНК от внешних воздействий.

исследований с помощью ПЭМ удалось показать,

следования не могли дать и не дали сведения с

что нет единого способа конденсации ДНК в по-

хорошим пространственным разрешением о

пуляции покоящихся клеток E. coli. В экспери-

структуре нуклеоида [6]. Однако они показали,

менте наблюдались внутриклеточные нанокри-

что конденсированная ДНК в нуклеоиде имеет

сталлические, жидкокристаллические и сверну-

иерархическую структуру [6], состоящую из трех

тые нуклеосомоподобные структуры ДНК. Доля

уровней организации. Первый, низший уровень

специфической структуры зависит от штамма и

структурной организации, обеспечивается взаи-

условий культивирования. Свернутая нуклеосо-

модействием ДНК с ДНК-ассоциированными

моподобная структура наблюдалась и описана в

белками. На втором уровне структурной органи-

оригинальных исследованиях авторов впервые в

зации образуются плектонемичные сверхспи-

работе [21]. Конформация ДНК хорошо визуали-

ральные петли ДНК. На мега-масштабе ДНК об-

зируется в жидкокристаллических структурах, где

разует шесть пространственно организованных

нет экранирования ДНК белком Dps. В нанокри-

доменов (макродоменов) с четкой территориаль-

сталлических и свернутых нуклеосомоподобных

ной организацией, на которые разделен бактери-

структурах ДНК визуализируeтся плохо, белок

альный нуклеоид. Описана популярная теорети-

Dps не только снижает доступность молекул ДНК

ческая модель пространственной организации

к различным повреждающим факторам, включая

ДНК в клетке - фрактальная глобула, которая об-

облучение, окислители и нуклеазы [20], но и ме-

ладает поразительной территориальной органи-

шает визуализации ДНК.

зацией цепочки, как и ДНК в клетке на мега-мас-

В первом разделе описаны результаты пятиде-

штабе (шесть пространственно организованных

сятилетнего экспериментального изучения архи-

доменов). Кроме этого, упаковка ДНК, описыва-

тектуры нуклеоида бактерий, находящихся в ста-

емая фрактальной глобулой, позволяет практиче-

дии активного экспоненциального роста. Эти ис-

ски безболезненно открыть любую петлю ДНК,

БИОФИЗИКА том 67

№ 4

2022

АРХИТЕКТУРА КОНДЕНСИРОВАННОЙ ДНК

649

открывая доступ к любому сайту ДНК, что важно

наличии или отсутствии упорядочения в клетке,

для ее функционирования.

позволяет грубо оценить размеры нанокристал-

лов. Затрагивают ли обнаруженные нанокристал-

При переходе от активно растущих клеток к

лы макродомены? На эти многочисленные во-

покоящимся, образующимся при стрессе голода-

просы исследования, приведенные в обзоре, не

ния, ситуация радикально меняется. Химия и

дают ответа.

структура живых систем поддерживаются исклю-

чительно энергозависимым динамическим по-

рядком [20, 32]. В растущей клетке (наличие ме-

ПЕРСПЕКТИВЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

таболизма) упорядоченность поддерживается ди-

намическим способом. При стрессе голодания

XX век был веком рентгеноструктурного ана-

лиза. С помощью рентгеноструктурного анализа

поддерживать упорядоченность динамическим

была определена структура многих молекул, в том

способом становится невозможным (практиче-

числе макромолекул белков и ДНК. Все молеку-

ское отсутствие метаболизма) и бактерии задей-

лы, которые можно было закристаллизовать в

ствуют другой, энергонезависимый механизм

сравнительно большие кристаллы, исследованы

поддержания упорядоченности и защиты жиз-

и их структура определена. Однако для макромо-

ненно важных структур (в частности, ДНК) - со-

лекул, образующих малые кристаллы размерами в

здание устойчивых молекулярных структур, как в

несколько микрон, определение структуры уже

неживой природе [20]. Клетки становятся покоя-

представляет трудную задачу. Сейчас на первое

щимися. Изменения в окружающей среде долж-

место выходят исследования структур некристал-

ны влиять на архитектуру нуклеоида. Поэтому мы

лических объектов: вирусов и клеток. Последние

ожидали обнаружить в покоящихся клетках со-

достижения в методике визуализации дают на-

вершенно новые по сравнению с растущими

дежду, что путь к трехмерной (3D) визуализации

клетками устойчивые молекулярные структуры,

архитектуры нуклеоида in vivo с высоким разре-

подобные тем, что встречаются в неживой приро-

шением будет найден и пройден в обозримое вре-

мя. Методы нановизуализации и нанотомогра-

де. В эксперименте действительно обнаружены

фии, используемые на синхротроне ESRF-EBS

три новых вида стабильной конденсации ДНК в

(Гренобль, Франция), позволяют количественно

покоящихся клетках E. coli, отличные от структу-

оценивать 3D-структуру и элементный состав об-

ры ДНК в растущих клетках. Первые две - нано-

разцов в их естественном состоянии [33]. С помо-

кристаллическая и жидкокристаллическая струк-

щью нанофлуоресцентной спектроскопии и на-

туры - типичны для неживой природы (рис. 4-6).

нотомографии можно изучать 3D-распределение

Третий тип - свернутая нуклеосомоподобная

фосфора, а, следовательно, и ДНК по всей клетке

структура - может быть результатом сложного

[34]. К сожалению, пространственное разреше-

взаимодействия и множественного сворачивания

ние этого метода в настоящий момент не превы-

длинных молекул ДНК вокруг додекамеров Dps и

шает 20 нм. Развитие метода нановизуализации

их ассоциатов (рис. 7 и 8). Таким образом, обна-

ведет к созданию рентгеновского микроскопа.

ружены новые структуры в покоящихся клетках

Пока это картина будущего, но исследователи в

[17, 20-23]. Изменения в окружающей среде по-

данной области уже сейчас вместо термина

влияли на архитектуру нуклеоида. Однако эти из-

«ренттгеновская дифракция» употребляют тер-

мин «рентгеновская микроскопия».

менения, скорее всего, не затрагивают саму

иерархию структуры ДНК в нуклеоиде. Возника-

Быстро развиваются методы электронной

ет вопрос, структуры какого уровня наблюдались

микроскопии. В них начинают использовать за-

в описанных экспериментах и приведены на рис.

мораживание образцов под высоким давлением

3-8. Можно ли обнаружить структуры второго и

для сохранения естественной структуры. Такие

третьего уровней компактизации методами, из-

образцы можно разделить на замороженные гид-

ложенными в данной работе? Методом ПЭМ изу-

ратированные срезы и анализировать их с помо-

чается структура ДНК, находящаяся в тонких 2D-

щью криоэлектронной микроскопии [35]. Срезы

срезах. Этого, конечно, недостаточно, чтобы

можно также изготавливать сфокусированным

ионным пучком, после чего (срез за срезом) визу-

описать объемную 3D-структуру нуклеоида. Ме-

ализировать архитектуру клетки в трех измерени-

тодом ПЭМ, использованным в работе, видимо,

ях (3D-архитектуру) [36]. В работе [37] для визуа-

можно визуализировать лишь структуры, при-

лизации хроматина in situ был использован улуч-

надлежащие нижнему первому уровню компак-

шенный метод обнаружения ДНК с помощью

тизации ДНК.

флуоресцентного красителя. Метод получил на-

С помощью синхротронного излучения извле-

звание томография ChromEM или ChromEMT.

кается информация о структуре целой клетки, од-

ChromEMT позволил определить структуру и

нако эта информация бедна, она говорит лишь о

трехмерную организацию нитей хроматина, ор-

БИОФИЗИКА том 67

№ 4

2022

650

КРУПЯНСКИЙ и др.

ганизацию крупномасштабных (мегабазных) до-

11. M. H. Zwietering, I. Jongenburger, F. M. Rombouts,

менов.

and K. T. Riet, Appl. Environ. Microbiol., 56 (6), 1875

(1990).

Очевидно, что наибольший успех принесет ис-

пользование комбинации методов, использую-

12. E. Chiancone, Front. Biosci., 15, 122 (2010).

щих синхротронное излучение и электронную

13. M. de Martino, D. Ershov, P. J. van den Berg, et al., J.

микроскопию. Описанные выше методические

Bacteriol., 198, 1662 (2016).

успехи обещают в ближайшем будущем визуали-

14. M. Almirón, A. J. Link, D. Furlong, and R. Kolter,

зировать архитектуру нуклеоида с высоким разре-

Genes. Dev., 6, 2646 (1992).

шением. Сначала это будет сделано для активно

15. L. N. Calhoun and Y. M. Kwon, J. Appl. Microbiol.,

растущей клетки. Далее будет дан ответ на один

110, 375 (2011).

из наиболее интересных вопросов, каким обра-

зом внешняя среда (например, стресс голодания)

16. R. A. Grant, D. J. Filman, S. E. Finkel, et al., Nat.

влияет на 3D-архитектуру нуклеоида.

Struct. Biol., 5, 294 (1998).

17. D. Frenkiel-Krispin and A. Minsky, J. Struct. Biol.,

156, 311 (2006).

БЛАГОДАРНОСТИ

18. E. Tereshkin, K. Tereshkina, N. Loiko, et al., J. Bio-

Авторы выражают благодарность ЕSRF за

mol. Struct. Dyn., 37, 2600 (2019).

предоставленную возможность проведения экс-

19. Э. В. Терешкин, К. Б. Терешкина, В. В. Коваленко

периментов. Аналитическая электронная микро-

и др., Хим. физика, 38 (40), 48 (2019).

скопия и двухосная томография были выполнены

20. A. Minsky, E. Shimoni, and D. Frenkiel-Krispin, Nat.

в Центре пользователей «Электронная микроско-

Rev. Mol. Cell., 3, 50 (2002).

пия в науках о жизни» МГУ имени М.В. Ломоно-

сова. Расчеты проводили на высокопроизводи-

21. N. Loiko, Y. Danilova, A. Moiseenko, et al., PLoS

тельной вычислительной системе МВС-10П в

One, 15 (10), e0231562 (2020).

Межведомственном суперкомпьютерном центре

22. Y. F. Krupyanskii, N. G. Loiko, D. O. Sinitsyn, et al.,

РАН.

Crystallogr. Reports, 63, 594 (2018).

23. D. O. Sinitsyn, N. G. Loiko, S. K. Gularyan, et al.,

Russ. J. Phys. Chem. B, 11, 833 (2017).

ФИНАНСИРОВАНИЕ

24. Z. Reich, E. Wachtel, and A. Minsky, Science, 264

Авторы благодарят за финансовую поддержку

(5164), 1460 (1994).

Министерство науки и высшего образования

25. D. Frenkiel-Krispin, I. Ben-Avraham, J. Englander, et

Российской Федерации. Работа выполнена в рам-

al., Mol. Microbiol., 51, 395 (2004).

ках Госзадания для ФИЦ химической физики им.

Н.Н. Cемёнова РАН (№ государственной реги-

26. V. Kovalenko, A. Popov, G. Santoni, et al., Acta Cryst.,

страции 122040400089-6).

F76, 568 (2020).

27. G. Santoni, U. Zander, Ch. Muleller-Dieckmann, et

al., J. Appl. Crystallography, 50, 1844 (2017).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

28. A. Moiseenko, N. Loiko, K. Tereshkina, et al., Bio-

1. О. В. Бухарин, А. Л. Гинцбург, Ю. М. Романова и

chem. Biophys. Res. Commun., 517 (3), 463 (2019).

Г. И. Эль-Регистан, Механизмы выживания бакте-

рий (Медицина, М., 2005).

29. E. V. Tereshkin, K. B. Tereshkina, and Y. F. Krupyan-

skii, J. Physics: Conf. Ser., 2056 (1), 012016 (2021).

2. К. Циммер, Микрокосм: E. coli и новая наука о жиз-

30. V. B. Teif and K. Bohinc, Progr. Biophys. Mol. Biol.,

ни (ООО «Альпина нон-фикшн», М., 2013).

105, 208 (2011).

3. A. Y. Grosberg and A. R. Khokhlov, Statistical physics of

macromolecules (AIP, New York, 1994).

31. S. L. Ilca, X. Sun, K. El Omari, et al., Nature, 570, 252

(2019).

4. V. A. Bloomfield, Curr. Opin. Struct. Biol., 6, 334

(1996)

32. Э. Шрёдингер, Что такое жизнь с точки зрения

физики? (РИМИС, М., 2009).

5. Ю. Ф. Крупянский и В. И. Гольданский, Успехи

физ. наук, 172 (11), 1247 (2002).

33. A. Procopio, E. Malucelli, A. Pacureanu, et al., ACS

6. S. C. Verma, Z. Qian, and S. L. Adhya, PLoS Genet.,

Central Sci., 5, 1449 (2019).

15 (12), e1008456 (2019).

34. S. Santos, Y. Yang, M. Rosa, et al., Sci. Rep., 9, 17217

7. A. Y. Grosberg, S. K. Nechaev, and E. I. Shakhnovich,

(2019).

J. Phys., 49, 2095 (1988).

35. D. Vanhecke, W. Graber, and D. Studer, Methods Cell

8. E. Lieberman-Aiden, N. L. Van Berkum, L. Williams,

Biol., 88, 151 (2008).

et al., Science, 326, 289 (2009).

36. K. Narayan and S. Subramaniam, Nat. Methods, 12

9. L. A. Mirny, Chromosome Res., 19, 37 (2011).

(11), 1021 (2015).

10. P. G. D. Gennes, Scaling concepts in polymer physics

37. H. D. Ou, S. Phan, T. J. Deerinck, et al., Science, 357

(Cornell University Press, Ithaca, 1979).

(6349), eaag0025 (2017).

БИОФИЗИКА том 67

№ 4

2022

АРХИТЕКТУРА КОНДЕНСИРОВАННОЙ ДНК

651

Architecture of Condensed DNA in the Escherichia coli Nucleoid

Y.F. Krupyanskii*, V.V. Kovalenko*, N.G. Loiko*^, **, A.A. Generalova*, A.V. Moiseenko*^, ***,

E.V. Tereshkin*, O.S. Sokolova***, K.B. Tereshkina*, G.I. El’-Registan**, and A.N. Popov****

*Semenov Federal Research Center for Chemical Physics, Russian Academy of Sciences,

ul. Kosygina, 4, Moscow, 119991 Russia

**Federal Research Centre “Fundamentals of Biotechnology”, Russian Academy of Sciences,

Leninskiy prosp. 33/2, Moscow, 119071 Russia

***Faculty of Biology, Lomonosov Moscow State University, Leninskie Gory, 1/12, Moscow, 119234 Russia

****European Synchrotron Radiation Facility, 71, avenue des Martyrs, CS 40220, 38043 Grenoble Cedex 9, France

Three-dimensional (3D) architecture of the genome determines the function of the cell. Condensation stud-

ies of DNA in a cell can provide important information about the mechanisms that enable the bacteria to sur-

vive. This information can be also valuable for medicine, since ordered DNA condensation ensures the resis-

tance of pathogenic bacteria to antibiotics. The length of DNA in dilute solution is a few centimeters long.

Escherichia coli cell is about 2.0 μm long. Such a dramatic decrease in the volume occupied by DNA is a con-

sequence of its condensation. It was found that DNA in the nucleoid is hierarchically organized folding into

a three-level compact structure: the primary level (on the scale of ≥ 1 kbp) is provided by histone-like NAP

proteins. Unlike actively growing bacteria, bacteria upon stress starvation use an energy-independent mech-

anism to maintain the order and protect vital structures (DNA), as in nature inspired inorganic material. The

study of the DNA structure in the E. coli nucleoid was carried out using synchrotron X-ray diffraction and

transmission electron microscopy (TEM). The experimental results made it possible to visualize the struc-

tures of the primary organizational level in the hierarchical process by which DNA is packaged in the nucleoid

of dormant cells. A series of diffraction experiments performed for the first time provide evidence of the pres-

ence of a periodic ordered organization of DNA in all studied bacteria. TEM was used for providing detailed

information about the type of DNA condensation in the E. coli nucleoid. Intracellular nanocrystalline, liq-

uid-crystalline and folded nucleosome-like structures of DNA were visualized. The folded nucleosome-like

structure was observed for the first time and is the result of multiple folding of long DNA molecules around

the Dps protein and its associates.

Keywords: DNA, Escherichia coli, stress starvation, intracellular nanocrystalline, liquid crystalline, folded nucle-

osome-like structures

БИОФИЗИКА том 67

№ 4

2022