Due molecole di DNA sono cariche negativamente e, secondo le leggi dell'elettrostatica, dovrebbero respingersi. Ma all'interno della cellula esse sono in grado di avvicinarsi quasi fino a toccarsi, disporsi parallelamente e formare contatti stabili.
Ora i ricercatori sono riusciti per la prima volta a vedere direttamente la struttura di un simile avvicinamento.
Gli scienziati delle università di York e Sheffield hanno utilizzato la microscopia a forza atomica ad alta risoluzione in ambiente liquido e l'hanno combinata con la simulazione computerizzata della dinamica molecolare. Nelle immagini le due doppie eliche di DNA si disponevano l'una accanto all'altra per tutta la lunghezza di diversi avvolgimenti, e la loro geometria coincideva con sorprendente precisione: i solchi maggiori si allineavano di fronte ai solchi maggiori, quelli minori di fronte a quelli minori.
Ne risultava una struttura che ricorda una chiusura lampo molecolare.
Gli ioni diventano ponti
Un ruolo chiave in questo processo è svolto dagli ioni metallici bivalenti — soprattutto di magnesio, calcio e nichel.
Poiché lo scheletro fosfatico del DNA porta una carica negativa, due molecole si respingono naturalmente. Gli ioni carichi positivamente compensano in parte questa interazione e possono formare una sorta di ponti tra le eliche adiacenti.
Ma il meccanismo si è rivelato più interessante di una semplice «neutralizzazione della carica».
La modellazione ha mostrato che gli ioni sono in grado di disporsi all'interno dei solchi maggiori e minori del DNA e di creare una rete di contatti organizzata nello spazio. Grazie a ciò le due eliche non si limitano ad avvicinarsi — esse acquistano la possibilità di disporsi l'una rispetto all'altra in una determinata geometria.
Proprio un tale modello di «chiusura lampo del DNA» elettrostatica è stato proposto circa vent'anni fa dal professor Aleksej Kornyšev e dai suoi colleghi. Finora esso è rimasto in larga misura teorico.
Ora i ricercatori ne hanno ottenuto una conferma strutturale diretta.
Non tutti gli ioni agiscono allo stesso modo
Metalli diversi creano tipi diversi di contatti.
Gli ioni di nichel mostravano interazioni più localizzate con determinate regioni del DNA. Il magnesio e il calcio formavano reti di legami più varie e potevano partecipare ai contatti sia nei solchi minori sia in quelli maggiori.
Ciò significa che l'ambiente chimico è in grado di influire su quanto stabilmente due molecole di DNA resteranno vicine e su come saranno orientate l'una rispetto all'altra.
Tuttavia qui è importante non spingersi troppo oltre: l'esperimento non dimostra che il DNA riconosca da solo e senza errori una sequenza identica soltanto grazie agli ioni.
I ricercatori hanno osservato contatti sia tra sequenze simili sia tra sequenze differenti. Gli autori suppongono che la corrispondenza delle sequenze possa aiutare a mantenere il corretto allineamento e a propagare il contatto lungo la molecola, ma questo meccanismo deve ancora essere studiato più in dettaglio.
Perché mai il DNA dovrebbe avvicinarsi?
Interazioni simili possono avere importanza per i processi fondamentali all'interno della cellula: l'organizzazione dei cromosomi, l'interazione tra regioni del genoma e i meccanismi con cui le molecole di DNA devono trovare e confrontare sequenze simili.
Il lavoro è interessante anche per le nanotecnologie del DNA. Quanto meglio i ricercatori comprendono quali forze spingono due eliche ad avvicinarsi e come gli ioni influenzino questo processo, tanto più precisamente si possono progettare strutture artificiali a base di DNA — per esempio, costruzioni di DNA origami e altre nanostrutture programmabili.
Ma forse la parte più interessante della ricerca è un'altra.
A livello molecolare la vita risolve costantemente problemi che a prima vista sembrano fisicamente impossibili. Due eliche cariche negativamente dovrebbero allontanarsi — e invece si ritrovano vicine, allineando con precisione i loro solchi.
E alcuni minuscoli ioni aiutano a trasformare la repulsione in un contatto ordinato.
