Quando il tasso di crescita è veloce, come quando i batteri vengono coltivati ad alta temperatura, compaiono oscillazioni nella velocità del replisoma. Ciò può essere dovuto al fatto che più copie del genoma vengono replicate contemporaneamente. A tassi di crescita lenti, quando viene copiato un solo genoma alla volta, le oscillazioni scompaiono. Credito:Istituto di scienza e tecnologia di Okinawa
La divisione cellulare è fondamentale per la vita, consentendo agli organismi di crescere, riparare i tessuti e riprodursi. Affinché una cellula si divida, tutto il DNA all'interno della cellula (il genoma) deve essere prima copiato, in un processo chiamato replicazione del DNA. Ma la dinamica precisa dei replisomi, il meccanismo proteico che copia il DNA, è stato difficile da determinare per gli scienziati.
Ora, i ricercatori dell'Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) in Giappone hanno sviluppato un nuovo modello in grado di determinare le variazioni della velocità con cui i replisomi copiano i genomi batterici. Il modello, combinato con gli esperimenti, mostra che alcune sezioni del DNA vengono copiate più velocemente di altre e rivela un legame intrigante tra velocità di replicazione e tasso di errore. La ricerca è stata pubblicata su eLife il 25 luglio 2022.
"Le macchine che copiano il DNA sono straordinarie:sono molto veloci e molto precise", ha affermato Simone Pigolotti, professore associato presso l'OIST che dirige l'Unità di complessità biologica. "Capire queste macchine può dirci cosa è importante per le cellule:quali errori sono tollerabili, quali errori no, quanto veloce dovrebbe essere la replicazione."
Il modello si basa sulla misurazione dell'abbondanza di diverse posizioni del DNA all'interno di una popolazione di cellule batteriche che si dividono costantemente. Nei batteri, per avviare la replicazione del DNA, due replisomi si attaccano al DNA in un punto di origine prestabilito e si dirigono in direzioni opposte lungo l'anello del DNA, copiando il DNA finché non si incontrano sull'altro lato. Ciò significa che il DNA più vicino al punto di origine viene copiato per primo, mentre il DNA più vicino al punto di terminazione viene copiato per ultimo.
"Se si lascia che una popolazione di batteri cresca liberamente, in un dato momento, la maggior parte delle cellule sarà nel processo di divisione cellulare. Poiché la replicazione del DNA inizia sempre dalla stessa posizione, ciò significa che se si sequenzia tutto il DNA , ci sarà una maggiore abbondanza di DNA che è più vicina al punto di origine e una quantità molto più bassa di DNA che è più vicina al punto finale", ha spiegato il Prof. Pigolotti.
Nello studio, i ricercatori dell'Unità di chimica e ingegneria degli acidi nucleici dell'OIST hanno coltivato batteri Escherichia coli (E. coli) a diverse temperature. La sezione di sequenziamento ha quindi sequenziato il DNA dei batteri.
Analizzando le caratteristiche della curva di distribuzione, i ricercatori sono stati in grado di determinare la velocità esatta del macchinario proteico. Hanno scoperto che all'aumentare della temperatura, la velocità di replicazione aumentava. Ancora più interessante, i ricercatori hanno scoperto che i replisomi variavano la loro velocità in diversi punti lungo il genoma.
Una potenziale ragione della loro velocità fluttuante, ipotizza il Prof. Pigolotti, è che potrebbero esserci limiti alle risorse necessarie per la replicazione, come i nucleotidi, i mattoni del DNA.
In E. coli, quando le condizioni sono buone, una singola cellula batterica può dividersi ogni 25 minuti. Ma il processo di replicazione del DNA richiede più tempo, circa 40 minuti. Pertanto, al fine di mantenere alti tassi di crescita, vengono replicate più copie del genoma contemporaneamente, il che aumenta il numero di replisomi al lavoro. La competizione per i nucleotidi potrebbe quindi far rallentare i replisomi.
Ulteriori prove supportano questa ipotesi. A basse temperature e in colture povere di nutrienti, quando il tasso di crescita dei batteri è basso e verrebbe copiato solo un genoma alla volta, queste fluttuazioni nella velocità di replicazione scompaiono.
Curiosamente, i ricercatori hanno anche scoperto che le oscillazioni osservate per la velocità di replica corrispondevano anche alle oscillazioni del tasso di mutazione documentate in altri studi. Quando hanno sovrapposto i due modelli, hanno scoperto che le aree del genoma che erano state copiate più velocemente avevano anche un tasso di mutazione più elevato.
"Questo sembra intuitivo:se pensiamo a un'azione, come la digitazione su una tastiera, più velocemente digitiamo, più è probabile che commettiamo un errore", ha affermato il prof. Pigolotti. "Quindi pensiamo che quando i replisomi vanno più veloci, il loro tasso di errore è più alto."
Per il Prof. Pigolotti, il passo successivo è determinare come cambia la velocità di replicazione nei ceppi mutanti di E. coli, come quelli privi di proteine che aiutano nella replicazione. È anche curioso di vedere se il modello regge in altri ceppi di batteri.
"È una direzione di ricerca davvero entusiasmante", ha affermato il Prof. Pigolotti. "E tutto il lavoro è stato svolto in collaborazione con altre unità qui. È il tipo di collaborazione interdisciplinare che può avvenire solo all'OIST". + Esplora ulteriormente
