O celulă umană adăposteşte aproximativ 2 metri de ADN, cuprinzând informaţiile genetice esenţiale ale unui individ. Dacă tot ADN-ul conţinut de o singură persoană ar fi derulat şi întins, acesta s-ar întinde pe o distanţă uluitoare, suficient pentru a ajunge la soare şi înapoi de 60 de ori. Pentru a gestiona un volum atât de mare de informaţii biologice, celula îşi compactează ADN-ul în cromozomi foarte bine împachetaţi. Acum, oamenii de ştiinţă danezi au descoperit o nouă metodă de împachetare a codului vieţii, ADN-ul, deschizând noi drumuri în cercetare.
O echipă de cercetători de la universitatea Aarhus, din Danemarca, a descoperit o nouă metodă de construire a formei ADN-ului, deschizând noi posibilităţi extraordinare de explorare în biologia moleculară, nanotehnologie şi nu numai.
„Imaginaţi-vă ADN-ul ca pe o bucată de hârtie pe care sunt scrise toate informaţiile noastre genetice", spune Minke A.D. Nijenhuis, coautoare a studiului.
„Hârtia este împăturită într-o structură foarte strânsă pentru a cuprinde toate aceste informaţii într-un mic nucleu celular. Totuşi, pentru a citi informaţiile, părţi ale hârtiei trebuie să fie desfăşurate şi apoi împăturite din nou. Această organizare spaţială a codului nostru genetic este un mecanism central al vieţii. Prin urmare, am vrut să creăm o metodologie care să permită cercetătorilor să inginerească şi să studieze compactarea ADN-ului bicatenar", a explicat cercetătorul.
Structura triplu elicoidală asigură protecţie şi compactitate
ADN-ul natural este adesea dublu catenar: o catenă pentru codificarea genelor şi o catenă de rezervă, împletite într-o buclă dublă (dublu helix).
Dublul helix este stabilizat de interacţiunile părinţilor geneticii moderne Watson-Crick (cei doi au descoperit în 1953 structura moleculei de ADN), care permit celor două catene să se recunoască şi să facă pereche una cu cealaltă.
Totuşi, există o altă clasă de interacţiuni mai puţin cunoscută între ADN.
Aceste aşa-numite perechi Hoogsteen normale sau inverse permit unui al treilea şir să se alăture, formând un triplu helix.
(Figura 1: Noile cercetări arată că, prin utilizarea unei noi metode numite triplex origami, se pot crea helixuri triple de ADN care pot îndoi sau „plia" ADN-ul în structuri compacte. Credit: Minke A. D. D. Nijenhuis)
Într-o lucrare recentă, publicată săptămâna trecută, în Advanced Materials, cercetătorii descriu o metodă generală de organizare a ADN-ului bicatenar, bazată pe interacţiunile Hoogsteen.
Studiul demonstrează fără echivoc faptul că şirurile care formează triplexul sunt capabile să „plieze" ADN-ul bicatenar pentru a crea structuri compacte.
Aspectul acestor structuri variază de la forme bidimensionale goale la construcţii 3D dense şi tot ce se află între acestea, inclusiv o structură care seamănă cu o floare în ghiveci.
Echipa a numit această metodă: triplex origami.
(Figura 2: plierea ADNdc - dublu catenar - mediată de triplex, a) O secvenţă de ADNdc care conţine domenii de formare a triplexului (colorate) este pliată de patru şiruri TFO, adică acţionează ca secvenţe scurte de ADN monocatenar, într-o structură în formă de ac de păr b) Imagini a două structuri în formă de ac de păr realizate cu ajutorul microscopiei cu forţă atomică (AFM). c) Structură în formă de S formată dintr-un ADN polipirinic. d) Asamblarea unui origami TFO mare, asemănător cu o structură de floare în ghiveci, dintr-o bucată de ADN bicatenar cu o lungime de 9000 de baze. ADN origami. Scara = 100 nm. Credit: Gothelf Lab, Aarhus University)
Cu ajutorul metodei triplex origami, oamenii de ştiinţă pot atinge un nivel de control artificial asupra formei ADN-ului bicatenar, de neimaginat până acum, deschizând astfel noi căi de explorare.
Recent, s-a sugerat că formarea triplexului joacă un rol în compactarea naturală a ADN-ului genetic, iar studiul actual poate oferi o perspectivă asupra acestui proces biologic fundamental.
Potenţial în terapia genică şi nu numai
Lucrarea demonstrează, de asemenea, că formarea triplexului mediat de perechile Hoogsteen protejează ADN-ul împotriva degradării enzimatice.
Prin urmare, capacitatea de a compacta şi de a proteja ADN-ul prin metoda origami triplex poate avea implicaţii enorme pentru terapia genică, în care celulele bolnave sunt reparate prin codificarea unei funcţii care le lipseşte, într-o bucată livrabilă de ADN bicatenar.
Această „minunăţie biologică" a secvenţei şi structurii ADN-ului a fost, de asemenea, aplicată în ingineria materialelor la scară nanometrică, producând aplicaţii în domeniul terapeutic, al diagnosticării şi în multe altele.
„În ultimele patru decenii, nanotehnologia ADN s-a bazat aproape exclusiv pe interacţiunile bazei Watson-Crick pentru a forma perechi de şiruri unice de ADN şi a le organiza în nanostructuri personalizate" afirmă profesorul Kurt V. Gothelf.
„Acum ştim că perechile Hoogsteen au acelaşi potenţial de organizare a ADN-ul dublu catenar, ceea ce reprezintă o extindere conceptuală semnificativă pentru acest domeniu",a precizat el.
Gothelf şi echipa sa au demonstrat că plierea mediată de interacţiunile Hoogsteen este compatibilă cu metodele de ultimă generaţie bazate pe metoda Watson-Crick.
Cu toate acestea, datorită rigidităţii comparative a ADN-ului bicatenar, structurile origami triplex necesită mai puţine materiale de pornire, ceea ce permite formarea unor structuri mai mari la un cost semnificativ mai mic.
O limitare a noii metode ar fi faptul că formarea triplexului necesită, de obicei, întinderi lungi de baze purinice în cadrul ADN-ului bicatenar şi, prin urmare, cercetătorii au folosit secvenţe artificiale de ADN, în loc de ADN genetic natural.
Cercetătorii speră însă că, în viitor, vor depăşi această limitare.
