Hai phân tử DNA mang điện tích âm và theo các định luật tĩnh điện, chúng phải đẩy nhau. Nhưng bên trong tế bào, chúng có thể tiến lại gần nhau gần như sát nhau, xếp song song và tạo thành những tiếp xúc bền vững.
Giờ đây, lần đầu tiên các nhà nghiên cứu đã trực tiếp nhìn thấy cấu trúc của sự xích lại gần nhau như vậy.
Các nhà khoa học từ Đại học York và Sheffield đã sử dụng kính hiển vi lực nguyên tử độ phân giải cao trong môi trường lỏng và kết hợp nó với mô phỏng máy tính động lực học phân tử. Trên các hình ảnh, hai chuỗi xoắn kép DNA nằm cạnh nhau dọc theo vài vòng xoắn, hơn nữa hình học của chúng trùng khớp một cách đáng kinh ngạc: các rãnh lớn thẳng hàng đối diện với rãnh lớn, các rãnh nhỏ đối diện với rãnh nhỏ.
Kết quả là một cấu trúc giống như chiếc khóa kéo phân tử.
Các ion trở thành những cây cầu
Vai trò then chốt trong quá trình này thuộc về các ion kim loại hóa trị hai — trước hết là magiê, canxi và niken.
Vì khung phosphate của DNA mang điện tích âm, hai phân tử đương nhiên đẩy nhau. Các ion mang điện tích dương bù đắp một phần tương tác này và có thể tạo thành những cây cầu đặc biệt giữa các chuỗi xoắn lân cận.
Nhưng cơ chế hóa ra lại thú vị hơn việc chỉ đơn thuần «trung hòa điện tích».
Mô phỏng cho thấy các ion có thể nằm bên trong các rãnh lớn và rãnh nhỏ của DNA và tạo ra một mạng lưới tiếp xúc được tổ chức theo không gian. Nhờ đó, hai chuỗi xoắn không chỉ tiến lại gần nhau — chúng có được khả năng sắp xếp tương đối với nhau theo một hình học nhất định.
Chính mô hình «khóa kéo DNA» tĩnh điện này đã được giáo sư Alexei Kornyshev và các đồng nghiệp của ông đề xuất cách đây khoảng hai mươi năm. Cho đến nay, nó vẫn phần lớn chỉ mang tính lý thuyết.
Giờ đây, các nhà nghiên cứu đã thu được sự xác nhận cấu trúc trực tiếp của nó.
Không phải mọi ion đều hoạt động giống nhau
Các kim loại khác nhau tạo ra các loại tiếp xúc khác nhau.
Các ion niken thể hiện các tương tác khu trú hơn với các vùng nhất định của DNA. Magiê và canxi hình thành các mạng lưới liên kết đa dạng hơn và có thể tham gia vào các tiếp xúc ở cả rãnh nhỏ lẫn rãnh lớn.
Điều này có nghĩa là môi trường hóa học có thể ảnh hưởng đến mức độ bền vững mà hai phân tử DNA sẽ nằm cạnh nhau và cách chúng định hướng tương đối với nhau.
Tuy nhiên, ở đây điều quan trọng là không nên đi quá xa: thí nghiệm không cho thấy rằng DNA tự mình và không mắc lỗi nhận ra trình tự tương đồng chỉ nhờ các ion.
Các nhà nghiên cứu đã quan sát các tiếp xúc giữa cả những trình tự tương tự lẫn những trình tự khác biệt. Các tác giả cho rằng sự trùng khớp của các trình tự có thể giúp duy trì sự thẳng hàng đúng đắn và lan truyền tiếp xúc dọc theo phân tử, nhưng cơ chế này vẫn còn cần được nghiên cứu kỹ lưỡng hơn.
Tại sao DNA lại cần xích lại gần nhau?
Những tương tác như vậy có thể có ý nghĩa đối với các quá trình cơ bản bên trong tế bào: tổ chức nhiễm sắc thể, tương tác giữa các vùng của hệ gen và những cơ chế mà theo đó các phân tử DNA phải tìm ra và đối chiếu những trình tự tương tự.
Công trình này cũng thú vị đối với lĩnh vực công nghệ nano DNA. Các nhà nghiên cứu càng hiểu rõ những lực nào khiến hai chuỗi xoắn lại gần nhau và các ion ảnh hưởng đến quá trình này như thế nào, thì càng có thể thiết kế chính xác hơn các cấu trúc nhân tạo dựa trên DNA — chẳng hạn như các cấu trúc DNA origami và những cấu trúc nano có thể lập trình khác.
Nhưng có lẽ phần thú vị nhất của nghiên cứu lại nằm ở chỗ khác.
Ở cấp độ phân tử, sự sống không ngừng giải quyết những bài toán mà thoạt nhìn có vẻ bất khả thi về mặt vật lý. Hai chuỗi xoắn mang điện tích âm lẽ ra phải tách xa nhau — vậy mà chúng lại nằm cạnh nhau, khớp chính xác các rãnh của mình.
Và một vài ion bé nhỏ giúp biến lực đẩy thành một tiếp xúc có trật tự.
