Przez ponad 20 lat był to tylko model. Teraz mikroskop pokazał dwie helisy DNA zazębiające się niczym elementy zamka błyskawicznego.
DNA ma mały problem z prawami elektrostatyki. Jego cząsteczki są naładowane ujemnie, więc dwie podwójne helisy powinny się wzajemnie odpychać. Tymczasem w komórkach potrafią znaleźć podobną sekwencję, zbliżyć się do siebie i ułożyć niezwykle precyzyjnie. Naukowcy od ponad 20 lat mieli pomysł, jak to możliwe. Teraz po raz pierwszy zobaczyli takie połączenie bezpośrednio.
Dwie helisy powinny od siebie uciekać
DNA kojarzymy zwykle z charakterystyczną podwójną helisą: dwiema nićmi połączonymi parami zasad. Nowe badanie dotyczy jednak czegoś innego, bo naukowcy obserwowali, co dzieje się wtedy, gdy obok siebie znajdą się dwie kompletne podwójne helisy.
To istotne m.in. podczas organizowania DNA w chromosomach oraz rozpoznawania podobnych fragmentów materiału genetycznego. Takie kontakty mają znaczenie w procesach związanych z rekombinacją, wyciszaniem genów czy uporządkowaniem genomu.
Na pierwszy rzut oka fizyka jest jednak przeciwko takiemu spotkaniu, bo szkielet DNA zawiera ujemnie naładowane grupy fosforanowe. Dwie cząsteczki mają więc taki sam znak ładunku i powinny zachowywać się trochę jak dwa identyczne bieguny magnesów: gdy próbujemy je do siebie zbliżyć, odpychają się. Mimo to komórki od dawna udowadniają, iż DNA potrafi pokonać tę przeszkodę.
Wygląda to jak dwa zazębiające się suwaki
Zespół z University of Sheffield i University of York wykorzystał mikroskopię sił atomowych, czyli AFM. Zamiast soczewki i światła takie urządzenie używa niezwykle ostrej sondy przesuwającej się nad powierzchnią próbki. Dzięki temu można odtworzyć jej topografię w skali nanometrów.
Na obrazach naukowcy zobaczyli fragmenty podwójnych helis leżące obok siebie. Najciekawsze było tak naprawdę ich ustawienie. Rowki jednej helisy nie stykały się z drugą przypadkowo. Układały się bardzo precyzyjnie względem odpowiadających im rowków sąsiedniej cząsteczki.
Właśnie stąd bierze się porównanie do zamka błyskawicznego. Dwie spiralne struktury zachowują swoje wzajemne ustawienie na kolejnych fragmentach kontaktu, jak gdyby ząbki jednego suwaka trafiały dokładnie pomiędzy ząbki drugiego.
Nie jest to jednak nagranie dynamicznego procesu zapinania DNA od początku do końca. Mikroskop pokazał gotowe konfiguracje powstałe w roztworze. To, iż pierwszy raz zobaczyli oznacza więc pierwsze bezpośrednie zobrazowanie takiego sposobu parowania, a nie film przedstawiający ruch helis w czasie rzeczywistym.
Maleńkie jony robią za klamry
Żeby odpowiedzieć na pytanie, dlaczego to działa pomimo odpychania elektrostatycznego, zespół dołożył symulacje dynamiki molekularnej. najważniejsze okazały się dodatnio naładowane jony dwuwartościowe. W eksperymentach i symulacjach badano m.in. nikiel, magnez oraz wapń. Taki jon może znaleźć się w rowku jednej helisy i jednocześnie oddziaływać z drugą cząsteczką DNA.
Można wyobrazić go sobie jak maleńką klamrę z dwoma ramionami. Ujemne ładunki DNA odpychają się, ale dodatnio naładowany jon pomiędzy nimi tworzy mostek. Kolejne takie punkty mogą stabilizować coraz dłuższy kontakt między helisami.
Co istotne, symulacje wskazały podobny mechanizm także dla jonów magnezu i wapnia, które występują w biologicznych warunkach. Nie jest więc tak, iż zjawisko działa wyłącznie dzięki sztuczce z niklem.
DNA nie zapina się wszędzie równie dobrze
Okazuje się, iż nie każdy fragment DNA zachowywał się identycznie. Niektóre sekwencje tworzyły wyraźnie stabilniejsze miejsca kontaktu niż inne. Jony nie przyczepiają się bowiem do helisy całkowicie losowo. Układ zasad wpływa na kształt i adekwatności chemiczne rowków. W zależności od rodzaju jonu pojawiały się więc konkretne miejsca, w których mostek pomiędzy dwiema helisami był szczególnie korzystny.
W przypadku niklu badacze wskazali m.in. motyw GTAC. Wapń tworzył bardziej zróżnicowaną sieć połączeń, natomiast magnez potrafił stabilizować kontakty zarówno w mniejszym, jak i większym rowku helisy. To potencjalnie wyjaśnia coś znacznie ważniejszego niż samo sklejanie dwóch cząsteczek. DNA może mieć fizyczny sposób odróżniania fragmentów, które dobrze do siebie pasują, od tych, które pasują gorzej.
Pomysł czekał na zdjęcie ponad 20 lat
Co ciekawe, już ponad 20 lat temu zaproponowano tzw. elektrostatyczny model zamka błyskawicznego. Według niego jony zgromadzone wokół helis DNA mogą tworzyć odpowiedni rozkład ładunków i umożliwiać ich bardzo precyzyjne ustawienie.
Problem polegał na tym, iż teoria była niezwykle trudna do bezpośredniego sprawdzenia. DNA ma około 2 nm średnicy, a interesujące badaczy szczegóły są jeszcze mniejsze. Dopiero połączenie wysokorozdzielczej mikroskopii AFM z symulacjami atomistycznymi pozwoliło porównać obraz ze strukturą przewidywaną przez model.
Biologia coraz częściej schodzi zresztą właśnie na taki poziom: zamiast tylko odczytywać sekwencję DNA, próbujemy obserwować i projektować zachowanie całych układów molekularnych. W SpudCell badacze zbudowali system zdolny do kopiowania genomu i podziału. Tutaj krok jest bardziej podstawowy, ale równie ważny, bo chodzi o zrozumienie fizycznych reguł, według których sam materiał genetyczny układa się w przestrzeni.
To jeszcze nie znaczy, iż zobaczyli to samo w żywej komórce
Trzeba pamiętać, iż obserwacje AFM przeprowadzono na przygotowanych fragmentach DNA w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych. Nie oglądano parowania chromosomów wewnątrz żywej ludzkiej komórki. Autorzy pokazują więc molekularny mechanizm, który może wyjaśniać sposób bezpośredniego rozpoznawania i parowania DNA. To bardzo mocny krok naprzód, ale nie dowód, iż każdy proces rekombinacji albo każde spotkanie homologicznych chromosomów przebiega wyłącznie dzięki takim jonowym mostkom.
Zastosowania także pozostają na razie potencjalne. Lepsze poznanie miejsc szczególnie skłonnych do parowania może pomóc w badaniu organizacji genomu, procesów związanych z nowotworami oraz projektowaniu struktur z DNA w nanotechnologii.
*Źródło grafiki wprowadzającej: Alexas_Fotos, Pixabay, Canva Pro / Canva Pro
