Riassunto:
Secondo le leggi fondamentali della fisica, gli oggetti con la stessa carica elettrica dovrebbero respingersi. Poiché la molecola di acido desossiribonucleico (DNA) stessa generalmente trasporta una carica negativa, due filamenti a doppia elica del DNA solitamente producono una forte repulsione elettrostatica quando si avvicinano l'uno all'altro. Tuttavia, all’interno delle cellule viventi, le molecole di DNA devono spesso raggiungere uno stretto contatto e un accoppiamento preciso per guidare processi vitali di base come la ricombinazione genetica e il silenziamento genico.
Un gruppo di ricerca internazionale guidato congiuntamente dall'Università di York e dall'Università di Sheffield nel Regno Unito ha recentemente utilizzato la microscopia a forza atomica ad alta risoluzione e simulazioni di dinamica molecolare per osservare direttamente e rivelare per la prima volta il meccanismo microfisico mediante il quale le molecole di DNA superano la repulsione elettrostatica e si chiudono saldamente come una "cerniera".
Questa scoperta sperimentale fornisce la prima prova visiva diretta della microstruttura del "modello di cerniera elettrostatica del DNA" proposto circa 20 anni fa. Precedenti ipotesi teoriche suggerivano che gli ioni salini nella soluzione che circonda il DNA potessero indurre la formazione di uno schema alternato di cariche positive e negative sulla superficie dell'elica, creando due molecole di DNA parallele strettamente interconnesse come due scale a chiocciola intrecciate. Tuttavia, a causa delle forze estremamente deboli su scala molecolare e dei rapidi cambiamenti dinamici, questa ipotesi è sempre rimasta nella fase di deduzione teorica e non è stata direttamente verificata mediante imaging sperimentale.
In questo studio, il team di ricerca scientifica ha utilizzato un microscopio a forza atomica ad alta precisione per condurre una scansione superficiale fine su scala nanometrica su campioni di DNA a filamento corto e ha osservato chiaramente l'allineamento altamente preciso della scanalatura per scanalatura dei due filamenti di DNA. Simulazioni computerizzate simultanee di dinamica molecolare su larga scala hanno ulteriormente rivelato la forza trainante che sta dietro: minuscoli ioni metallici con doppie cariche positive (come i cationi bivalenti) svolgono un ruolo cruciale di "ponte molecolare" nella soluzione. Questi ioni caricati positivamente possono essere inseriti con precisione nei solchi elicoidali del DNA, estendendo una forza di interazione come bracci carichi e attirando due molecole di DNA caricate negativamente contemporaneamente, annullando così completamente e attraversando la barriera di repulsione elettrostatica che originariamente ne ostacolava l'avvicinamento.
Lo studio ha inoltre sottolineato che la forza di accoppiamento tra i filamenti di DNA non è distribuita uniformemente, ma mostra una significativa dipendenza dalla sequenza di basi. Sequenze specifiche di DNA hanno una maggiore capacità di legarsi agli ioni metallici, formando una serie di "punti caldi di accoppiamento" nel genoma che sono inclini all'allineamento fisico e al bloccaggio stretto.
Gli scienziati hanno affermato che la spiegazione di questo meccanismo microscopico ha un duplice significato guida per la medicina di base e la bioingegneria. A livello dei meccanismi della malattia, l’identificazione dei punti caldi dell’accoppiamento del DNA nel genoma può aiutare i ricercatori a capire come, quando mutazioni specifiche interrompono il normale assemblaggio della cromatina o l’accoppiamento di ricombinazione, possono causare anomalie cellulari e persino indurre il cancro; a livello biotecnologico, la padronanza delle leggi fisiche dell'autoassemblaggio del DNA mediante ponti ionici fornirà ai nanoingegneri nuove linee guida di progettazione per personalizzare nanostrutture di DNA artificiale programmabili e ad alta resistenza e trasportatori di farmaci.
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