Deux molécules d'ADN sont chargées négativement et, selon les lois de l'électrostatique, devraient se repousser. Mais à l'intérieur de la cellule, elles peuvent s'approcher presque au contact, s'aligner parallèlement et former des contacts stables.
Désormais, les chercheurs sont parvenus pour la première fois à observer directement la structure d'un tel rapprochement.
Des scientifiques des universités de York et de Sheffield ont utilisé la microscopie à force atomique à haute résolution en milieu liquide et l'ont combinée à la modélisation informatique de la dynamique moléculaire. Sur les images, les deux doubles hélices d'ADN se disposaient côte à côte sur plusieurs tours, et leur géométrie coïncidait avec une précision étonnante : les grands sillons s'alignaient face aux grands, les petits face aux petits.
Il en résultait une structure rappelant une fermeture à glissière moléculaire.
Les ions deviennent des ponts
Dans ce processus, un rôle clé revient aux ions métalliques divalents — avant tout au magnésium, au calcium et au nickel.
Comme le squelette phosphate de l'ADN porte une charge négative, les deux molécules se repoussent naturellement. Les ions chargés positivement compensent partiellement cette interaction et peuvent former de véritables ponts entre les hélices voisines.
Mais le mécanisme s'est révélé plus intéressant qu'une simple « neutralisation de la charge ».
La modélisation a montré que les ions peuvent se loger à l'intérieur des grands et des petits sillons de l'ADN et créer un réseau de contacts organisé dans l'espace. Grâce à cela, les deux hélices ne font pas que se rapprocher — elles acquièrent la possibilité de s'agencer l'une par rapport à l'autre selon une géométrie déterminée.
C'est précisément ce modèle de « fermeture à glissière d'ADN » électrostatique que le professeur Alexeï Kornychev et ses collègues ont proposé il y a une vingtaine d'années. Jusqu'à présent, il était resté dans une large mesure théorique.
Les chercheurs en ont désormais obtenu la confirmation structurelle directe.
Tous les ions n'agissent pas de la même manière
Différents métaux créent différents types de contacts.
Les ions nickel présentaient des interactions plus localisées avec certaines régions de l'ADN. Le magnésium et le calcium formaient des réseaux de liaisons plus variés et pouvaient participer à des contacts aussi bien dans les petits que dans les grands sillons.
Cela signifie que l'environnement chimique est capable d'influencer la stabilité avec laquelle deux molécules d'ADN resteront côte à côte et la manière dont elles seront orientées l'une par rapport à l'autre.
Il importe toutefois de ne pas aller trop loin : l'expérience ne montre pas que l'ADN reconnaît de lui-même et sans erreur une séquence identique grâce aux seuls ions.
Les chercheurs ont observé des contacts aussi bien entre séquences similaires qu'entre séquences différentes. Les auteurs supposent que la concordance des séquences peut aider à maintenir un alignement correct et à propager le contact le long de la molécule, mais ce mécanisme reste encore à étudier plus en détail.
Pourquoi l'ADN doit-il d'ailleurs se rapprocher ?
De telles interactions peuvent avoir de l'importance pour des processus fondamentaux au sein de la cellule : l'organisation des chromosomes, l'interaction de régions du génome et les mécanismes par lesquels les molécules d'ADN doivent trouver et apparier des séquences similaires.
Ce travail présente également un intérêt pour les nanotechnologies de l'ADN. Mieux les chercheurs comprennent quelles forces amènent deux hélices à se rapprocher et comment les ions influencent ce processus, plus il devient possible de concevoir avec précision des structures artificielles à base d'ADN — par exemple des constructions d'origami d'ADN et d'autres nanostructures programmables.
Mais la partie la plus intéressante de l'étude réside peut-être ailleurs.
Au niveau moléculaire, la vie résout constamment des problèmes qui, à première vue, semblent physiquement impossibles. Deux hélices chargées négativement devraient s'écarter — et au lieu de cela, elles se retrouvent côte à côte, en alignant exactement leurs sillons.
Et quelques minuscules ions aident à transformer la répulsion en un contact ordonné.
