A Tom Santangelo, microrganismi unicellulari chiamati archaea sono come antichi marinai, sopravvivere tra le condizioni più estreme della Terra, comprese le bocche vulcaniche nelle profondità dell'oceano.

Il ricercatore della Colorado State University studia come questi resistenti microbi – che costituiscono uno dei tre domini sopravvissuti della vita – esprimono i loro geni, produrre la loro energia, e prosperare nel caldo, ambienti senza luce.

Si scopre, non siamo così diversi – dal punto di vista biochimico, comunque – da archaea dopotutto.

Sant'angelo, professore associato presso il Dipartimento di Biochimica e Biologia Molecolare, faceva parte di un team che ha trovato sorprendenti paralleli tra come le cellule archeali e le cellule più complesse, compresi gli esseri umani e gli animali, confezionare e conservare il loro materiale genetico. Lo studio rivoluzionario, pubblicato su Science all'inizio di quest'anno, fornito prove che archaea e cellule eucariotiche condividono un meccanismo comune per compattare, organizzare e strutturare i propri genomi.

Lo studio è stato condotto da Karolin Luger, ora biologo strutturale presso l'Università del Colorado Boulder. La maggior parte dei risultati riportati in Science sono stati completati mentre Luger era un membro della facoltà della CSU, dal 1999 al 2015.

DNA, istoni, nucleosomi, cromatina

Una piccola rassegna di biologia del liceo:gli eucarioti sono cellule con un nucleo e organelli legati alla membrana, e includono funghi, cellule vegetali e animali, comprese quelle umane. Si distinguono dalle loro controparti meno complesse, procarioti, dall'assenza di un nucleo. Mentre archaea e batteri sono entrambi procarioti, sono solo lontanamente imparentati. Gli archaea sono i probabili progenitori degli eucarioti e condividono molte delle stesse proteine ​​che controllano l'espressione genica.

Uno dei processi più fondamentali della vita:la meccanica con cui il DNA si piega, si ripiega e si stipa in un nucleo cellulare – è comune a tutti gli eucarioti, dai microscopici protisti alle piante all'uomo.

All'interno del nucleo di ogni cellula eucariotica ci sono diversi metri di materiale genetico compattato in un modo molto specifico. Piccole sezioni di DNA sono avvolte, come filo intorno a un rocchetto, circa due volte circa otto piccole proteine ​​chiamate istoni. Questo intero complesso DNA-istone è chiamato nucleosoma, e una serie di nucleosomi compattati è chiamata cromatina. Nel 1997, Luger e colleghi hanno riportato per la prima volta l'esatta struttura dei nucleosomi eucariotici tramite cristallografia a raggi X.

Cristallografia 'Gnarly'

Il collaboratore della rivista scientifica John Reeve aveva scoperto negli anni '90 che le proteine ​​​​istoniche non erano limitate agli eucarioti, ma sono stati trovati anche in cellule archaea prive di nucleo. Reeves e Luger hanno iniziato una collaborazione per cristallizzare la cromatina arcaica a base di istoni e confrontare tale struttura con la cromatina eucariotica.

Dopo anni di arresti e ripartenze e problemi nella crescita di cristalli di istoni arcaici affidabili - Luger lo definì un "problema cristallografico nodoso" - gli scienziati riuscirono a risolvere la struttura della cromatina arcaica, rivelando la sua somiglianza strutturale con gli eucarioti.

Struttura "biologicamente significativa"

Nei dati, il DNA arcaico sembrava formarsi lungo, formosa, supereliche ripetute. I ricercatori non erano sicuri che la struttura fosse reale, o un artefatto dell'esperimento. È qui che il team di Santagelo alla CSU ha fornito competenze chiave.

"Il mio gruppo ha raccolto la sfida di determinare se la struttura risolta nei cristalli rappresentasse una struttura biologicamente significativa, " Egli ha detto.

Il team di Santangelo ha realizzato varianti degli istoni arcaici e testato come se la sono cavata le cellule, poiché hanno interrotto la superelica del DNA. Hanno scoperto che più destabilizzavano la struttura, più si ammalano le cellule. I loro sforzi hanno sottolineato i meriti della struttura che il gruppo di Luger aveva determinato.

Far parte di una squadra che ha fornito una visione così fondamentale come l'ascendenza delle nostre cellule è stato tra i momenti più gratificanti della carriera di Santangelo.

"Il grande impatto della carta, Penso, è che l'idea di compattare il DNA in quelle strutture è un'idea molto antica - probabilmente più di 1 miliardo di anni, "Santangelo ha detto. "Le proteine ​​istoniche sono entrate in scena, e una volta che sono entrati e hanno iniziato a confezionare i genomi, si sono resi in gran parte indispensabili a quelle cellule che li hanno codificati."

Santangelo continuerà a condurre studi sulla struttura, funzione e transazioni energetiche degli archaea – quegli antichi marinai che rappresentano ormai definitivamente un prototipo ancestrale dell'attività cellulare umana.