二つのDNA分子は負に帯電しており、静電気学の法則に従えば反発し合うはずである。しかし細胞内では、それらは互いにほとんど密着するほど近づき、平行に並び、安定した接触を形成することができる。
今、研究者たちは初めてそのような接近の構造を直接見ることに成功した。
ヨーク大学とシェフィールド大学の科学者たちは、液体環境中での高分解能原子間力顕微鏡を用い、それを分子動力学のコンピュータシミュレーションと組み合わせた。画像上では、二本のDNA二重螺旋が数巻きにわたって並んで位置しており、しかもその幾何学的配置は驚くほど正確に一致していた。大溝は大溝と向かい合って整列し、小溝は小溝と向かい合って整列していた。
そこには、分子的なジッパーを思わせる構造が出来上がっていた。
イオンが橋となる
この過程で鍵となる役割を果たすのは、二価の金属イオン、とりわけマグネシウム、カルシウム、ニッケルである。
DNAのリン酸骨格は負の電荷を帯びているため、二つの分子は自然に反発し合う。正に帯電したイオンはこの相互作用を部分的に補償し、隣り合う螺旋の間に一種の橋を形成することができる。
しかしそのメカニズムは、単純な「電荷の中和」よりも興味深いものだった。
シミュレーションは、イオンがDNAの大溝と小溝の内部に位置し、空間的に組織化された接触のネットワークを形成できることを示した。これにより、二本の螺旋は単に接近するだけでなく、互いに対して一定の幾何学的配置で並ぶことが可能になる。
まさにこのような静電的な「DNAの稲妻」モデルを、およそ二十年前にアレクセイ・コルヌィシェフ教授とその同僚たちが提唱した。これまでそれは、大部分において理論的なものにとどまっていた。
今や研究者たちは、その直接的な構造的裏づけを得たのである。
すべてのイオンが同じようにはたらくわけではない
異なる金属は異なるタイプの接触をつくり出す。
ニッケルのイオンは、DNAの特定の部位とのより局在化した相互作用を示した。マグネシウムとカルシウムはより多様な結合のネットワークを形成し、小溝と大溝の双方における接触に関与しうる。
これは、化学的な環境が、二つのDNA分子がどれほど安定して隣り合うか、そして互いに対してどのように配向するかに影響を及ぼしうることを意味する。
しかしここで、あまり先走りすぎないことが重要である。この実験は、DNAがイオンのおかげだけによって同一の配列を自力で誤りなく認識することを示しているわけではない。
研究者たちは、類似した配列の間でも、異なる配列の間でも接触を観察した。著者たちは、配列の一致が正しいアラインメントを維持し、接触を分子に沿って広げるのを助けうると推測しているが、このメカニズムはさらに詳しく研究される必要がある。
そもそもDNAはなぜ接近するのか
このような相互作用は、細胞内の根本的な過程にとって重要でありうる。すなわち、染色体の組織化、ゲノムの部位どうしの相互作用、そしてDNA分子が類似した配列を見つけ出して照合しなければならないメカニズムである。
この研究はDNAナノテクノロジーにとっても興味深い。二本の螺旋を接近させる力は何か、そしてその過程にイオンがどう影響するかを研究者がよりよく理解すればするほど、DNAを基盤とした人工構造——たとえばDNAオリガミの構造体やその他のプログラム可能なナノ構造——をより精密に設計できるようになる。
しかし、おそらくこの研究で最も興味深い部分は別のところにある。
分子のレベルでは、生命は一見すると物理的に不可能に思える課題を絶えず解決している。二本の負に帯電した螺旋は離れ合うはずなのに、かえって隣り合い、溝を正確に噛み合わせている。
そして幾つかの微小なイオンが、反発を秩序ある接触へと変えるのを助けている。
