Twee DNA-moleculen zijn negatief geladen en zouden volgens de wetten van de elektrostatica elkaar moeten afstoten. Maar binnen de cel kunnen ze bijna tegen elkaar aan komen, zich parallel uitlijnen en stabiele contacten vormen.
Nu zijn onderzoekers er voor het eerst in geslaagd de structuur van een dergelijke toenadering rechtstreeks waar te nemen.
Wetenschappers van de universiteiten van York en Sheffield gebruikten hogeresolutie-atoomkrachtmicroscopie in een vloeibaar milieu en combineerden die met computermodellering van moleculaire dynamica. Op de beelden lagen twee DNA-dubbele spiralen over meerdere windingen naast elkaar, waarbij hun geometrie verbazingwekkend nauwkeurig overeenkwam: de grote groeven tegenover de grote, de kleine tegenover de kleine.
Er ontstond een structuur die deed denken aan een moleculaire ritssluiting.
Ionen worden bruggen
Een sleutelrol in dit proces is weggelegd voor tweewaardige metaalionen — vooral magnesium, calcium en nikkel.
Omdat het fosfaatruggengraat van DNA een negatieve lading draagt, stoten twee moleculen elkaar van nature af. Positief geladen ionen compenseren deze wisselwerking gedeeltelijk en kunnen als het ware bruggen vormen tussen naburige spiralen.
Maar het mechanisme bleek interessanter dan een simpele ‘neutralisatie van de lading’.
De modellering toonde aan dat ionen zich binnen de grote en kleine groeven van DNA kunnen bevinden en een ruimtelijk georganiseerd netwerk van contacten kunnen vormen. Daardoor naderen de twee spiralen niet alleen elkaar — ze krijgen de mogelijkheid zich in een bepaalde geometrie ten opzichte van elkaar uit te lijnen.
Precies een dergelijk model van een elektrostatische ‘DNA-ritssluiting’ stelde professor Aleksej Kornysjev ongeveer twintig jaar geleden samen met zijn collega’s voor. Tot nu toe bleef het grotendeels theoretisch.
Nu hebben onderzoekers er een rechtstreekse structurele bevestiging van gekregen.
Niet alle ionen werken hetzelfde
Verschillende metalen zorgen voor verschillende soorten contacten.
Nikkelionen vertoonden meer gelokaliseerde wisselwerkingen met bepaalde delen van het DNA. Magnesium en calcium vormden meer gevarieerde netwerken van bindingen en konden zowel in de kleine als in de grote groeven aan contacten deelnemen.
Dit betekent dat de chemische omgeving van invloed kan zijn op hoe stabiel twee DNA-moleculen bij elkaar blijven en hoe ze ten opzichte van elkaar georiënteerd raken.
Toch is het hier belangrijk niet te ver te gaan: het experiment toont niet aan dat DNA zelfstandig en foutloos een identieke sequentie herkent louter dankzij ionen.
De onderzoekers namen contacten waar tussen zowel gelijksoortige als verschillende sequenties. De auteurs veronderstellen dat overeenkomst in sequentie kan helpen de juiste uitlijning te behouden en het contact langs het molecuul te verspreiden, maar dit mechanisme moet nog nader worden bestudeerd.
Waarom zou DNA eigenlijk nader tot elkaar komen?
Dergelijke wisselwerkingen kunnen van belang zijn voor fundamentele processen binnen de cel: de organisatie van chromosomen, de wisselwerking tussen delen van het genoom en mechanismen waarbij DNA-moleculen vergelijkbare sequenties moeten vinden en met elkaar moeten vergelijken.
Het werk is ook interessant voor DNA-nanotechnologie. Hoe beter onderzoekers begrijpen welke krachten twee spiralen naar elkaar toe drijven en hoe ionen dit proces beïnvloeden, des te nauwkeuriger kunstmatige structuren op basis van DNA kunnen worden ontworpen — bijvoorbeeld DNA-origamiconstructies en andere programmeerbare nanostructuren.
Maar misschien wel het interessantste deel van het onderzoek is iets anders.
Op moleculair niveau lost het leven voortdurend vraagstukken op die op het eerste gezicht fysiek onmogelijk lijken. Twee negatief geladen spiralen zouden uit elkaar moeten gaan — maar in plaats daarvan komen ze naast elkaar te liggen en sluiten hun groeven nauwkeurig op elkaar aan.
En een paar minuscule ionen helpen om afstoting om te zetten in een geordend contact.
