La sede di una cellula eucariotica è il nucleo, e la maggior parte delle informazioni e delle istruzioni della cellula sono memorizzate lì sotto forma di DNA (acido desossiribonucleico). Il DNA, che è contorto, arrotolata e infagottata in una catena lunga due metri, insieme a molecole proteiche, costituisce la fibra di cromatina che si trova all'interno del nucleo. Per anni, gli scienziati erano curiosi di sapere come sono organizzati questi componenti. Com'è possibile che le proteine ​​necessarie nelle reazioni biochimiche si muovano in modo efficiente all'interno del nucleo pieno di DNA? Recenti studi hanno finalmente svelato il mistero. I risultati che lo descrivono in dettaglio sono stati pubblicati nel Journal of Physical Chemistry Letters il 21 dicembre, 2020.

Molecole in un nucleo affollato

Il nucleo di ogni cellula nasconde una catena lunga due metri di una molecola straordinaria e unica:il DNA. Insieme agli istoni e a varie proteine ​​correlate, Il DNA crea una struttura della cromatina riempita con un fluido viscoso che mostra un'eccellente diversità di composizione molecolare. Per decenni, la mobilità delle molecole nel nucleo non è stata sufficientemente esplorata, ma i recenti sviluppi hanno alterato questo status quo. Grazie alla ricerca approfondita di un gruppo di ricercatori dell'Istituto di chimica fisica dell'Accademia polacca delle scienze (IPC PAS) guidati dal professor Robert Hołyst, viene presentata in dettaglio la mobilità delle molecole su scale di lunghezza da singole a decine di nanometri nel nucleo.

Un superstore molecolare

A causa delle sue piccole dimensioni, si potrebbe supporre che il nucleo abbia una struttura semplice e una distribuzione casuale delle molecole. Non è affatto così. Il nucleo ha una struttura incredibilmente complessa e calibrata. Il DNA non assomiglia a un disordinato groviglio di spaghetti; è efficientemente imballato in strutture compatte. Anche la viscosità su scala nanometrica del nucleo determina la mobilità dei singoli oggetti all'interno. Per visualizzare meglio quanto sia ben organizzato tutto questo, il nucleo può essere descritto come un ipermercato. Le fibre di cromatina funzionano come scaffali, in possesso di un assortimento di informazioni genetiche necessarie (cioè, DNA) proprio come gli scaffali dei negozi sono pieni di prodotti. Questi scaffali non occupano l'intero spazio, ma piuttosto sono separati all'interno di una distanza simile a un corridoio che funge da canale. Le persone che attraversano i corridoi secondo schemi specifici mentre fanno acquisti potrebbero essere paragonate alle molecole proteiche che si muovono in modo un po' casuale all'interno dei canali del nucleo secondo le regole del moto browniano. Non importa quanto sia affollato il corridoio, le persone trovano sempre il modo di passare l'una accanto all'altra, mantenendo una certa distanza mentre vanno. Le molecole che attraversano i canali molecolari fanno lo stesso senza problemi di traffico lungo il loro percorso. Ciò consente a ciascuna molecola di viaggiare in modo efficiente, mantenendo l'ordine di un ipermercato.

Impatto della viscosità

Le molecole presenti nelle cellule eucariotiche hanno dimensioni diverse. Per esempio, gli ioni sono di dimensioni subnanometriche, i raggi delle proteine ​​sono tipicamente di pochi nanometri; il raggio di un nucleosoma è di circa 5,5 nm, mentre le fibre di cromatina ripiegate hanno un raggio di circa 15 nm. Per di più, anelli condensati di cromatina formano strutture compatte di livello superiore che vantano un raggio di circa 150 nm. Per comprendere la loro mobilità all'interno del nucleo, Il team del professor Hołyst ha proposto di posizionare oggetti di dimensioni nanometriche che coprissero l'intero spettro delle scale di lunghezza dei componenti naturali presenti nel nucleo. polimeri, proteine, e sono state considerate nanoparticelle aventi raggio da 1,3 a 86 nm in.

Per vedere questa intrigante organizzazione a livello di nanoscala, la mobilità di specifiche molecole è stata studiata utilizzando tecniche non invasive come la spettroscopia di correlazione di fluorescenza (FCS) e la spettroscopia di correlazione di immagini raster (RICS). Grazie a sostanze come la GFP (proteina fluorescente verde) o le nanoparticelle a base di rodamina in concentrazione nanomolare, è stato possibile osservare la mobilità di particolari molecole e determinare la viscosità del nucleoplasma senza causare alcuna interruzione dell'attività cellulare. Queste tecniche consentono agli scienziati di investigare anche i più piccoli cambiamenti a livello molecolare. La mobilità di grandi nanoparticelle è stata ridotta fino a 6 volte rispetto alla diffusione in un mezzo acquoso.

Però, la tipica diffusione di molecole di dimensioni proteiche è stata ridotta solo 2-3 volte. La mobilità diminuisce drasticamente quando il raggio degli oggetti iniettati è maggiore di 20, maggiore rilevanza sulle stime del coefficiente di diffusione, è possibile osservare più da vicino il movimento e l'interazione delle molecole che avvengono tra particolari oggetti nei canali del nucleo e all'interno della struttura impacchettata all'interno del nucleo. Queste misurazioni ampliano la nostra attuale comprensione della struttura del nucleo. Avere una buona comprensione della complessità dei canali all'interno dei nuclei è fondamentale in quanto contribuisce direttamente alla nostra conoscenza di come le grandi biostrutture, magari includendo la medicina del prossimo futuro, vengono trasportati all'interno della cellula.

Il primo autore, dott. Grzegorz Bubak osserva, "I nostri esperimenti hanno rivelato che il nucleo delle cellule eucariotiche è percolato da canali intercromosomici larghi ~ 150 nm riempiti con la soluzione proteica diluita acquosa a bassa viscosità".

Gli studi che quantificano l'affollamento all'interno dei nuclei delle cellule rivelano che la maggior parte delle molecole può passare liberamente attraverso questa struttura complessa. Sulla base di esperimenti supportati da modelli teorici, è stato possibile stimare la larghezza dei canali (~150 nm) tra la struttura della cromatina. I canali dei nuclei possono costituire fino al 34% del volume dei nuclei che è di circa 240 fL. Se fossero più stretti, le fibre di cromatina sarebbero più disperse, rendendo impossibile il movimento efficiente delle molecole all'interno. È affascinante che il nucleo possa contenere così grandi quantità di DNA e altri elementi chimici senza disturbare la migrazione delle molecole. Tutto questo grazie alle fibre di cromatina ben disposte realizzate dal DNA con proteine ​​strutturali che danno la forma alla doppia elica. La mobilità di particolari elementi chimici attraverso il fluido biologico nei canali molecolari è essenziale in molti processi, come la creazione di molecole specifiche e la formazione di nuove strutture complesse di proteine.

"Questi risultati possono essere di grande importanza quando si progettano farmaci biologici come proteine ​​terapeutiche, enzimi, e anticorpi monoclonali, che possono avere i raggi idrodinamici maggiori dei farmaci chimici convenzionali a base di composti sintetici, " conclude il dott. Bubak

Come risultato di questi studi, la mobilità delle molecole nei canali nucleari è ora descritta in dettaglio e ben compresa per la prima volta. Grazie alla ricerca presentata in questo lavoro, ora sappiamo come le fibre di cromatina governano l'organizzazione delle molecole, rivelando l'intrigante macchinario molecolare nascosto nel profondo del nucleo. Ora siamo un passo più vicini allo sviluppo di agenti terapeutici che possono essere efficacemente trasportati nel nucleo.