Το DNA έχει ένα φαινομενικά απλό πρόβλημα: οι έλικές του είναι αρνητικά φορτισμένες, άρα κανονικά θα έπρεπε να απωθούν η μία την άλλη. Μέσα στο κύτταρο, όμως, δύο μόρια DNA χρειάζεται μερικές φορές να πλησιάσουν και να αναγνωρίσουν αντίστοιχες αλληλουχίες. Ερευνητές από τα πανεπιστήμια York και Sheffield κατάφεραν τώρα να παρακολουθήσουν άμεσα αυτή τη συνάντηση και να δουν τις διπλές έλικες να ευθυγραμμίζονται αυλάκωση με αυλάκωση, σχεδόν σαν μοριακό φερμουάρ.
Η μελέτη στο Nucleic Acids Research συνδύασε μικροσκοπία ατομικής δύναμης υψηλής ανάλυσης με προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής. Η εικόνα έδειξε τι συνέβαινε· τα υπολογιστικά μοντέλα βοήθησαν να εξηγηθεί το γιατί. Ανάμεσα στα δύο μόρια βρίσκονταν θετικά φορτισμένα μεταλλικά ιόντα, τα οποία λειτουργούσαν σαν μικροσκοπικές γέφυρες και συγκρατούσαν ταυτόχρονα τις δύο έλικες.
Πώς πλησιάζουν δύο μόρια που κανονικά απωθούνται
Κάθε έλικα DNA διαθέτει έναν σκελετό φωσφορικών ομάδων με αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο. Γι’ αυτό η προσέγγιση δύο ελίκων δεν είναι αυτονόητη. Οι επιστήμονες υποψιάζονταν εδώ και περίπου δύο δεκαετίες ότι τα άλατα του κυτταρικού περιβάλλοντος μπορούν να αλλάξουν το τοπικό ηλεκτρικό τοπίο και να δημιουργήσουν σημεία έλξης. Η ιδέα ήταν γνωστή ως μοντέλο «DNA zipper», αλλά δεν είχε παρατηρηθεί απευθείας σε τέτοια λεπτομέρεια.
Η ομάδα τοποθέτησε μικρά τμήματα DNA σε υγρό περιβάλλον και τα σάρωσε με μικροσκόπιο ατομικής δύναμης. Σε αντίθεση με ένα κοινό οπτικό μικροσκόπιο, το όργανο χρησιμοποιεί μια εξαιρετικά λεπτή ακίδα για να χαρτογραφήσει την επιφάνεια σε νανομετρική κλίμακα. Όταν υπήρχαν δισθενή ιόντα, όπως μαγνήσιο ή ασβέστιο, τα μόρια πλησίαζαν και συχνά αποκτούσαν ακριβή, παράλληλη διάταξη.
Οι μικρές γέφυρες μέσα στις αύλακες
Οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι τα ιόντα δεν εξουδετερώνουν απλώς γενικά το φορτίο. Μπορούν να εγκαθίστανται στις μικρές αύλακες της διπλής έλικας και να σχηματίζουν γέφυρα DNA–ιόν–DNA. Με αυτόν τον τρόπο διατηρείται το «βήμα» της έλικας: οι δύο σπειροειδείς δομές συναντώνται στην ίδια γεωμετρική θέση, σαν δύο σκάλες που τοποθετούνται ακριβώς η μία δίπλα στην άλλη.
Η σύνδεση δεν ήταν ίδια για κάθε δείγμα. Ορισμένες αλληλουχίες σχημάτιζαν ισχυρότερα σημεία επαφής, ενώ η σταθερότητα άλλαζε ανάλογα με το είδος του ιόντος. Αυτό είναι σημαντικό επειδή υποδεικνύει ότι η αναγνώριση δεν εξαρτάται μόνο από το συνολικό φορτίο, αλλά και από τη συγκεκριμένη σειρά των βάσεων και τη μορφή που αυτή δίνει στην έλικα.
Τι γνωρίζουμε — και τι όχι ακόμη
Η εργασία δεν δείχνει ότι κάθε ζεύγος DNA ενώνεται έτσι μέσα σε ένα ζωντανό κύτταρο ούτε ότι βρέθηκε ένας μοναδικός μηχανισμός για όλες τις διαδικασίες του γονιδιώματος. Τα πειράματα έγιναν με ελεγχόμενα τμήματα DNA και συγκεκριμένες συγκεντρώσεις ιόντων. Παρέχουν, όμως, το πρώτο άμεσο δομικό πλαίσιο για μια παλιά υπόθεση.
Η ομόλογη αναγνώριση συμμετέχει στον ανασυνδυασμό, στην οργάνωση των χρωμοσωμάτων και σε διαδικασίες ρύθμισης των γονιδίων. Αν μεταλλάξεις αλλάζουν τα σημεία όπου οι έλικες ευθυγραμμίζονται πιο εύκολα, αυτό μπορεί να έχει συνέπειες για τη λειτουργία των κυττάρων. Οι ερευνητές βλέπουν επίσης μια πιθανή τεχνολογική εφαρμογή: αλληλουχίες που έχουν σχεδιαστεί ώστε να αλληλεπιδρούν επιλεκτικά θα μπορούσαν να λειτουργήσουν ως δομικά υλικά στη νανοβιοτεχνολογία.
Το DNA συνεχίζει να αποκαλύπτει ιστορίες πέρα από τον γνωστό ρόλο του ως φορέα κληρονομικότητας. Στο KIOMOS είδαμε πώς DNA ιών διατηρήθηκε μέσα σε μεσαιωνικές περγαμηνές και πώς θαλάσσια σφουγγάρια προετοιμάζουν το γονιδίωμά τους πριν από το ηλιοβασίλεμα. Η νέα εικόνα αφορά κάτι ακόμη πιο θεμελιώδες: τον τρόπο με τον οποίο δύο μόρια ξεπερνούν την ηλεκτρική άπωση και αναγνωρίζουν το ένα το άλλο.
Πηγές
- Nucleic Acids Research — Imaging and mechanism of DNA–DNA recognition mediated by divalent ions
- University of York — Scientists capture two DNA strands zipping together for the first time
Φωτογραφία αρχείου: Edward Jenner / Pexels Πηγή εικόνας
