Badacze od lat obserwowali charakterystyczne zakłócenia w sygnałach elektrycznych podczas badań nanoporowych, automatycznie przypisując je splątaniom w podwójnej helisie. Dopiero najnowsze badania przeprowadzone przez zespół z University of Cambridge i National University of Singapore przyniosły zaskakujące wyjaśnienie tego zjawiska.
Plektonemy zamiast węzłów. Przełomowe odkrycie
Badanie opublikowane w periodyku Physics Review X ujawnia, że to, co interpretowano jako węzły, w rzeczywistości jest zupełnie innymi strukturami zwanymi plektonemami. Te spiralne formacje powstają pod wpływem naprężenia mechanicznego i mogą mieć fundamentalne znaczenie dla zrozumienia funkcjonowania DNA w żywych komórkach.
Różnica między tymi strukturami jest zasadnicza. Plektonemy to naturalne zwoje tworzące się gdy DNA skręca się pod wpływem naprężenia, podczas gdy węzły są ciasnymi splątaniami o zupełnie innym mechanizmie powstawania.
Mechanizm powstawania. Skręcanie jako napęd
Kluczową różnicą jest mechanizm powstawania tych struktur. Plektonemy tworzą się w wyniku przepływu rozpuszczalnika w nanoporze, co wywołuje rotację fragmentu DNA i propagację naprężenia skrętnego. W eksperymentach naukowcy przepuszczali DNA przez stożkowaty nanopor w roztworze soli o wysokim pH, gdzie generowany przepływ elektroosmotyczny powodował charakterystyczny ruch korkociągowy tworzący spirale.
Czytaj także: Nasze DNA przyspiesza. Mutacje zmieniają ludzkość szybciej, niż sądziliśmy
Różnica w rozmiarach jest uderzająca. Podczas gdy węzły mają średnio około 140 nanometrów średnicy, plektonemy osiągają rozmiary około 2100 nanometrów, co czyni je znacznie większymi i bardziej rozciągniętymi strukturami.
Dowody eksperymentalne. Kontrola naprężenia skrętnego
Najbardziej przekonujące dowody na rolę naprężenia skrętnego pochodzą z eksperymentów z DNA z nacięciami. Naukowcy wprowadzili małe przerwy w jednej nici podwójnej helisy, co umożliwiło łatwiejsze obracanie się DNA i uwalnianie nagromadzonego napięcia. Wyniki były jednoznaczne – DNA z nacięciami tworzyło znacznie mniej plektonemów, potwierdzając kluczową rolę naprężenia skrętnego w ich powstawaniu.
Dodatkowo, wraz ze wzrostem napięcia elektrycznego przyłożonego do systemu, plektonemy stawały się częstsze z powodu silniejszego momentu obrotowego. Symulacje dynamiki molekularnej odtworzyły cały proces tworzenia i translokacji plektonemów, pokazując, że ich nukleacja jest zdominowana przez przyłożony moment obrotowy, a czas translokacji zależy od sprzężenia momentu obrotowego i siły ciągnącej.
Znaczenie dla biologii komórkowej
Odkrycie plektonemów ma potencjalnie daleko idące konsekwencje dla zrozumienia procesów zachodzących w żywych komórkach. W komórkach DNA jest stale skręcane, kopiowane i rozdzielane, a skręcenia mogą wpływać na funkcjonowanie genów, decydując o tym, które z nich są aktywowane.
Chociaż nanopory znacznie różnią się od środowiska komórkowego, podobne plektonemy mogą tworzyć się podczas kluczowych procesów takich jak transkrypcja i replikacja DNA. Naprężenie skrętne powstające podczas tych procesów może prowadzić do formowania się struktur wtórnych DNA, takich jak i-motywy czy G-kwadrupleksy.
Dla diagnostyki medycznej szczególnie istotne jest rozróżnienie czasowe – plektonemy generują sygnały trwające w skali milisekund, podczas gdy węzły poniżej 100 mikrosekund. To umożliwia precyzyjną identyfikację różnych struktur DNA w badaniach nanoporowych.
Nowe możliwości diagnostyczne
Prawdopodobieństwo tworzenia się plektonemów może służyć jako miara integralności DNA, otwierając nowe możliwości wykrywania uszkodzeń genetycznych. DNA z nacięciami wykazuje zmniejszone tworzenie plektonemów, co sugeruje że nanopory mogłyby służyć jako narzędzie do wykrywania uszkodzeń.
Ta technologia może również pomóc w lepszym zrozumieniu organizacji genomu in vivo. W przyszłości naukowcy mogą być w stanie oddzielić naprężenie wywołane nanoporem od naturalnego nadzwinięcia już obecnego w DNA, co pozwoliłoby badać naturalne struktury w nowy sposób.
Czytaj także: Nie tylko podwójna helisa. Naukowcy odkrywają tajemnicze struktury DNA
Odkrycie to fundamentalnie zmienia sposób interpretacji danych z sekwencjonowania nanoporowego i otwiera nowe perspektywy dla zrozumienia dynamiki DNA pod wpływem naprężenia mechanicznego. Choć minie jeszcze trochę czasu zanim nowa wiedza znajdzie praktyczne zastosowania, samo odkrycie pokazuje, jak ważne jest kwestionowanie ustalonych założeń naukowych i ciągłe doskonalenie metod badawczych. To kolejny przykład tego, że w nauce nic nie jest tak pewne, jak mogłoby się wydawać – i właśnie to czyni ją tak fascynującą.