Mecanismele moleculare ale vieţii: cum helicazele desfac ADN-ul pas cu pas. Vizualizarea enzimelor la scară atomică ar putea schimba biologia şi tehnologia viitorului, după ce oamenii de ştiinţă au surprins pentru prima dată momentul în care ADN-ul începe să se desfacă pentru replicare. Cercetătorii de la KAUST (Universitatea King Abdullah de Ştiinţă şi Tehnologie, din Arabia Saudită) dezvăluie, în premieră, mecanismele moleculare care stau la baza vieţii, cu potenţial de aplicaţie în nanotehnologie.
ADN-ul (acid dezoxiribonucleic) este molecula care conţine informaţia genetică necesară pentru dezvoltarea, funcţionarea, creşterea şi reproducerea tuturor organismelor vii şi a multor virusuri. Este „manualul de instrucţiuni” al celulei, codificând toate caracteristicile unui organism.
Cercetători de la KAUST au reuşit să surprindă momentul în care ADN-ul începe să se desfacă, dezvăluind modul în care helicazele utilizează ATP pentru a iniţia replicarea. Această descoperire evidenţiază mecanisme eficiente energetic care ar putea inspira viitoare aplicaţii în nanotehnologie.
Studiul revoluţionar, publicat recent în revista Nature, a fost realizat de cercetători de la KAUST şi oferă noi perspective asupra modului în care celulele îşi duplică cu precizie materialul genetic – un proces vital pentru viaţă, creştere şi reproducere.
Utilizând microscopie crio-electronică avansată, combinată cu tehnici de învăţare automată, echipa KAUST a examinat modul în care enzima helicază Simian Virus 40 Large Tumor Antigen* interacţionează cu ADN-ul - *Antigen tumoral mare al virusului simian 40 este o proteină produsă de virusul simian 40 (SV40), un poliomavirus care infectează maimuţele, dar care a fost intens studiat pentru rolul său în biologia moleculară şi oncogeneză, fiind utilizat în experimente ca model pentru înţelegerea mecanismelor de replicare a ADN-ului şi de transformare celulară.
Cercetătorii KAUST au identificat 15 stări distincte la nivel atomic, care detaliază cum helicaza iniţiază şi susţine desfăşurarea dublului helix. Această realizare reprezintă un progres semnificativ atât în înţelegerea funcţiei helicazelor, cât şi în vizualizarea dinamicii enzimelor la rezoluţie atomică – un pas fără precedent în biologia moleculară.
Helicaza şi rolul său în replicarea ADN-ului
Deşi rolul helicazelor în replicarea ADN-ului este cunoscut de mult timp, „nu se ştia exact cum ADN-ul, helicazele şi ATP-ul colaborează într-un ciclu coordonat pentru a desface dublul helix al ADN-ului”, a explicat profesorul asistent Alfredo De Biasio.
Odată cu descoperirea structurii dublu-helix de către Watson şi Crick în 1953, comunitatea ştiinţifică a obţinut o înţelegere fundamentală a modului în care informaţia genetică este stocată şi copiată. Pentru ca ADN-ul să se poată replica, el trebuie mai întâi desfăcut în două catene simple.
În momentul legării, helicazele „topesc” ADN-ul – rup legăturile chimice care menţin împreună catenele helixului dublu/structura în spirală dublă – şi le separă, permiţând altor enzime să continue procesul de replicare. Fără această etapă iniţială, replicarea ADN-ului nu ar fi posibilă. Din acest motiv, helicazele sunt considerate adevărate „maşini moleculare” – sau, datorită dimensiunilor, „nanomaşini”.
ATP: combustibilul care alimentează desfacerea ADN-ului
Dacă helicazele sunt nanomaşini, atunci ATP (adenozin trifosfat) este combustibilul. Asemenea benzinei care pune în mişcare pistoanele unui motor, ATP-ul – aceeaşi moleculă de energie utilizată şi de muşchii umani – alimentează mişcările helicazei. Studiul arată că, pe măsură ce ATP-ul este consumat, el reduce constrângerile fizice care permit helicazei să avanseze de-a lungul ADN-ului, desfăcând progresiv catenele.
„Helicaza nu rupe ADN-ul dintr-o mişcare bruscă, ci trece printr-o serie de transformări structurale care destabilizează treptat dublul helix. Hidroliza ATP-ului funcţionează ca o capcană cu arc pentru şoareci: eliberează tensiune şi împinge helicaza înainte, separând catenele”, a explicat De Biasio.
Printre descoperirile echipei de la KAUST se numără şi faptul că două helicaze acţionează simultan în două puncte distincte ale ADN-ului pentru a iniţia desfacerea moleculei genetice de ADN. Datorită structurii chimice a ADN-ului, helicazele pot avansa într-o singură direcţie pe o catena. Sincronizarea acestora permite desfăşurarea în ambele direcţii, cu o eficienţă energetică remarcabilă, specifică acestor nanomaşini naturale.
Această eficienţă ridicată face ca studierea helicazelor să fie nu doar esenţială pentru înţelegerea vieţii la nivel molecular, ci şi o sursă de inspiraţie pentru ingineria nanotehnologică.
„Din perspectiva designului, helicazele reprezintă sisteme mecanice extrem de eficiente energetic. Nanomaşinile artificiale bazate pe comutatoare entropice ar putea folosi principii similare pentru a realiza sarcini complexe, ce necesită forţă şi precizie,” a adăugat De Biasio.
Pentru prima dată, oamenii de ştiinţă au observat direct momentul iniţial în care ADN-ul începe să se desfăşoare – un eveniment molecular esenţial pentru funcţia sa de purtător al informaţiei genetice. O reconstrucţie 3D a unei helicaze care interacţionează cu ADN. ADN-ul se află în canalul central, în timp ce helicaza este formată din şase monomeri coloraţi diferit care îl înconjoară. Credit: KAUST, 24 martie 2025
Helicaza (numită şi ADN-helicază) este o enzimă (de tip hidrolază) vitală pentru toate organismele vii, fiind implicată în procesul de replicare al ADN-ului. Alături de ADN-topoizomerază, helicaza desface cele două catene ale moleculei de ADN.
Despre ADN
ADN-ul este o moleculă complexă aflată în nucleul celulelor eucariote (şi în mitocondrii) şi în citoplasma celulelor procariote, care stochează instrucţiunile pentru sinteza proteinelor şi coordonează activitatea celulară.
Structura ADN-ului
ADN-ul are o structură în spirală dublă (dublă elice), descrisă în 1953 de Watson şi Crick. Structura sa este alcătuită din:
- Două catene (lanţuri) polinucleotidice răsucite una în jurul celeilalte, ca o spirală.
- Fiecare catenă este formată din unităţi numite nucleotide. O nucleotidă conţine:
- un grup fosfat;
- un zahăr (dezoxiriboză);
- o bază azotată.
Există patru tipuri de baze azotate:
- Adenină (A)
- Timină (T)
- Citozină (C)
- Guanină (G)
Baze complementare se leagă între cele două catene prin punţi de hidrogen:
- Adenina se leagă cu timina (două punţi de hidrogen);
- Citozina se leagă cu guanina (trei punţi de hidrogen).
Cele două catene au orientare antiparalelă, adică sunt orientate în direcţii opuse, ceea ce permite legarea complementară a bazelor.
Funcţia ADN-ului
- stochează informaţia genetică;
- transmite informaţia de la o generaţie la alta;
- controlează sinteza proteinelor, prin intermediul ARN-ului mesager;
- reglează activitatea genelor şi procesele celulare.
