Dwie cząsteczki DNA są naładowane ujemnie i zgodnie z prawami elektrostatyki powinny się odpychać. Jednak wewnątrz komórki potrafią zbliżyć się do siebie niemal na styk, ustawić równolegle i utworzyć trwałe kontakty.
Teraz badaczom po raz pierwszy udało się bezpośrednio zobaczyć strukturę takiego zbliżenia.
Naukowcy z uniwersytetów w Yorku i Sheffield wykorzystali mikroskopię sił atomowych wysokiej rozdzielczości w środowisku ciekłym i połączyli ją z komputerowym modelowaniem dynamiki molekularnej. Na obrazach dwie podwójne helisy DNA znajdowały się obok siebie na przestrzeni kilku skrętów, a ich geometria pokrywała się zadziwiająco dokładnie: duże rowki ustawiały się naprzeciwko dużych, a małe — naprzeciwko małych.
Powstawała struktura przypominająca molekularny zamek błyskawiczny.
Jony stają się mostkami
Kluczową rolę w tym procesie odgrywają dwuwartościowe jony metali — przede wszystkim magnezu, wapnia i niklu.
Ponieważ szkielet fosforanowy DNA ma ładunek ujemny, dwie cząsteczki w naturalny sposób się odpychają. Dodatnio naładowane jony częściowo kompensują to oddziaływanie i mogą tworzyć swoiste mostki między sąsiednimi helisami.
Mechanizm okazał się jednak ciekawszy niż prosta „neutralizacja ładunku”.
Modelowanie wykazało, że jony potrafią umiejscawiać się wewnątrz dużych i małych rowków DNA i tworzyć przestrzennie zorganizowaną sieć kontaktów. Dzięki temu dwie helisy nie tylko się zbliżają — zyskują możliwość ustawienia się względem siebie w określonej geometrii.
Właśnie taki model elektrostatycznej „błyskawicy DNA” zaproponował około dwudziestu lat temu profesor Aleksiej Kornyszew wraz ze współpracownikami. Do tej pory pozostawał on w znacznym stopniu teorią.
Teraz badacze uzyskali jego bezpośrednie potwierdzenie strukturalne.
Nie wszystkie jony działają tak samo
Różne metale tworzą różne typy kontaktów.
Jony niklu wykazywały bardziej zlokalizowane oddziaływania z określonymi fragmentami DNA. Magnez i wapń tworzyły bardziej zróżnicowane sieci wiązań i mogły uczestniczyć w kontaktach zarówno w małych, jak i w dużych rowkach.
Oznacza to, że środowisko chemiczne może wpływać na to, jak stabilnie dwie cząsteczki DNA będą znajdować się obok siebie i w jaki sposób będą zorientowane względem siebie.
Nie należy jednak posuwać się zbyt daleko: eksperyment nie pokazuje, że DNA samodzielnie i bezbłędnie rozpoznaje identyczną sekwencję wyłącznie dzięki jonom.
Badacze obserwowali kontakty zarówno między podobnymi, jak i między różniącymi się sekwencjami. Autorzy przypuszczają, że zgodność sekwencji może pomagać w utrzymaniu prawidłowego ustawienia i w rozprzestrzenianiu kontaktu wzdłuż cząsteczki, ale mechanizm ten wymaga jeszcze dokładniejszego zbadania.
Po co DNA w ogóle ma się zbliżać?
Takie oddziaływania mogą mieć znaczenie dla fundamentalnych procesów wewnątrz komórki: organizacji chromosomów, współdziałania fragmentów genomu oraz mechanizmów, w których cząsteczki DNA muszą odnajdować i porównywać podobne sekwencje.
Praca jest również interesująca dla nanotechnologii DNA. Im lepiej badacze rozumieją, jakie siły skłaniają dwie helisy do zbliżenia się i jak na ten proces wpływają jony, tym precyzyjniej można projektować sztuczne struktury oparte na DNA — na przykład konstrukcje origami DNA i inne programowalne nanostruktury.
Ale chyba najciekawsza część badania kryje się w czymś innym.
Na poziomie molekularnym życie nieustannie rozwiązuje zadania, które na pierwszy rzut oka wydają się fizycznie niemożliwe. Dwie ujemnie naładowane helisy powinny się rozejść — a zamiast tego znajdują się obok siebie, dokładnie dopasowując swoje rowki.
I kilka maleńkich jonów pomaga zamienić odpychanie w uporządkowany kontakt.
