Anche le cellule viventi hanno i loro intricati problemi da risolvere. Coinvolgono nodi che nascono accidentalmente nel DNA e che possono comprendere la sua funzionalità. I ricercatori ora suggeriscono che la propensione del DNA a essere superavvolto, proprio come i cavi telefonici, previene i nodi accidentali. Queste bobine possono mantenere i nodi del DNA bloccati in posizione abbastanza a lungo da essere sciolti da enzimi specializzati. Lo studio computazionale, basato su simulazioni di dinamica molecolare del DNA batterico, è appena stato pubblicato in Ricerca sugli acidi nucleici .

Un problema intricato

Superavvolto, contorto, e persino annodato, lontano dalle immagini eleganti e raffinate dei libri di testo, I filamenti di DNA nelle cellule viventi sono tutti accartocciati e aggrovigliati, e per essere funzionale, deve essere costantemente sbrogliato, proprio come i cavi telefonici che accumulano fastidiosi riccioli o superavvolgimenti con un uso incauto. I superavvolgimenti sono presenti nel DNA, pure, e si ritiene che siano strumentali per mantenere compatto il DNA ed esporre o nascondere informazioni genetiche al macchinario cellulare che può elaborarlo, secondo Lucia Coronel e Antonio Suma, giovani scienziati e primi autori di questo studio, che è stato coordinato da Cristian Micheletti.

Allo stesso tempo, è noto da tempo che i nodi possono formarsi accidentalmente nel DNA, con conseguenze negative per la cellula. Ciò che era rimasto inafferrabile fino ad ora era l'interazione dinamica o la coesistenza sugli stessi filamenti di DNA di nodi complessi e regioni superavvolte. Ed è quello che i ricercatori della SISSA si sono proposti di studiare utilizzando simulazioni al computer, indagando le implicazioni per la struttura del DNA e il suo cambiamento nel tempo, e se tale interazione potrebbe sbloccare nuove possibilità funzionali. Hanno anche cercato di capire come il comportamento complesso che ne deriva si adatta a ciò che è già noto sul mantenimento molecolare del DNA.

Per questo studio, gli scienziati hanno utilizzato simulazioni di dinamica molecolare dettagliate ed estese. Hanno notato per la prima volta che negli anelli di DNA superavvolti, i nodi si trovano probabilmente in una delle due posizioni:sulla punta delle superspire o in una posizione più centrale. Un esame più attento ha rivelato un effetto più sorprendente e inaspettato. Coronel e Suma scrivono, "Abbiamo studiato il filamento di DNA e abbiamo notato che senza superavvolgimenti, la regione annodata si muoverebbe relativamente velocemente lungo il filamento. Allo stesso modo, le regioni superavvolte possono cambiare rapidamente nel DNA privo di nodi. Però, quando sono presenti contemporaneamente nodi e superavvolgimento, quindi i punti di contatto cruciali nei nodi del DNA si bloccano in posizione, persistentemente. E questo effetto inaspettato è particolarmente interessante perché potrebbe essere la chiave per una funzionalità biologica specifica e inaspettata".

Gli autori scrivono, "Sappiamo che le cellule viventi si occupano abitualmente di nodi di DNA, e sappiamo anche che queste forme di entanglement sono solitamente dannose per la funzionalità biologica; ad esempio possono impedire che le informazioni genetiche vengano lette e tradotte in prodotti proteici. Enzimi specifici della famiglia delle topoisomerasi sono responsabili del districamento del DNA. Il loro modus operandi richiama l'efficiente, se non drastico, modo in cui Alessandro Magno sciolse il proverbiale nodo gordiano con un taglio di spada. Allo stesso modo, questi enzimi sciolgono i filamenti di DNA mediante una sofisticata azione di taglio e sigillatura".

C'è ancora un dibattito in corso su quali meccanismi molecolari possano guidare questi enzimi, che sono minuscole rispetto alla scala tipica dei filamenti di DNA, intervenire nei punti giusti dove il loro taglia e incolla può sciogliere i nodi. Gli autori concludono, "È stato suggerito che i luoghi target siano riconosciuti da specifiche caratteristiche geometriche, che è un meccanismo plausibile ed elegante. Però, non era chiaro come queste caratteristiche potessero persistere nonostante l'incessante movimento molecolare. Il nostro studio suggerisce che il superavvolgimento del DNA può favorire l'azione delle topoisomerasi mantenendo i nodi in una configurazione stabile per un lasso di tempo molto più lungo di altri riarrangiamenti molecolari. In questo modo, gli enzimi potrebbero avere tempo sufficiente per riconoscere i siti bersaglio e, a sua volta, la loro azione taglia e incolla sarebbe più semplice, più affidabile ed efficiente. Questa è attualmente un'ipotesi ma, poiché ha implicazioni così interessanti, che speriamo possa essere affrontato in futuri esperimenti."