Proprio come qualsiasi lunga catena polimerica, Il DNA tende a formare nodi. Utilizzando una tecnologia che consente loro di allungare le molecole di DNA e di immaginare il comportamento di questi nodi, I ricercatori del MIT hanno scoperto, per la prima volta, i fattori che determinano se un nodo si muove lungo il filo o "inceppamenti" in atto.

"Le persone che studiano la fisica dei polimeri hanno suggerito che i nodi potrebbero essere in grado di incepparsi, ma non ci sono stati buoni sistemi di modelli per testarlo, "dice Patrick Doyle, il professore di ingegneria chimica Robert T. Haslam e autore senior dello studio. "Abbiamo mostrato che lo stesso nodo potrebbe passare dall'essere bloccato all'essere mobile lungo la stessa molecola. Cambiate le condizioni e improvvisamente si ferma, e poi cambiali di nuovo e improvvisamente si muove."

I risultati potrebbero aiutare i ricercatori a sviluppare modi per sciogliere i nodi del DNA, che aiuterebbe a migliorare l'accuratezza di alcune tecnologie di sequenziamento del genoma, o per favorire la formazione di nodi. Indurre la formazione di nodi potrebbe migliorare alcuni tipi di sequenziamento rallentando il passaggio delle molecole di DNA attraverso il sistema, dicono i ricercatori.

Il postdoc del MIT Alexander Klotz è il primo autore dell'articolo, che appare nel numero del 3 maggio di Lettere di revisione fisica .

Nodi in movimento

Doyle ei suoi studenti studiano da molti anni la fisica dei nodi polimerici come il DNA. Il DNA è adatto per tali studi perché è una molecola relativamente grande, rendendo semplice l'immagine con un microscopio, e può essere facilmente indotto a formare nodi.

"Abbiamo un meccanismo che fa collassare le molecole di DNA in una minuscola pallina, che quando ci stendiamo contiene nodi molto grossi, " dice Klotz. "È come infilarsi le cuffie in tasca e tirarle fuori piene di nodi."

Una volta formati i nodi, i ricercatori possono studiarli utilizzando uno speciale sistema microfluidico da loro progettato. Il canale ha la forma di una T, con un campo elettrico che diverge nella parte superiore della T. Una molecola di DNA situata nella parte superiore della T sarà tirata ugualmente verso ciascun braccio, costringendolo a rimanere al suo posto.

Il team del MIT ha scoperto che potevano manipolare i nodi in queste molecole di DNA appuntate variando la forza del campo elettrico. Quando il campo è debole, i nodi tendono a spostarsi lungo la molecola verso l'estremità più vicina. Quando raggiungono la fine, si svelano.

"Quando la tensione non è troppo forte, sembrano muoversi a caso. Ma se li guardi abbastanza a lungo, tendono a muoversi in una direzione, verso l'estremità più vicina della molecola, " dice Klotz.

Quando il campo è più forte, costringendo il DNA ad allungarsi completamente, i nodi si inceppano in posizione. Questo fenomeno è simile a quello che accade a un nodo in una collana di perline quando la collana viene tirata più strettamente, dicono i ricercatori. Quando la collana è allentata, un nodo può percorrerlo, ma quando è teso, le perline della collana si avvicinano e il nodo si incastra.

"Quando stringi il nodo allungando di più la molecola del DNA, avvicina i fili l'uno all'altro, e questo aumenta l'attrito, " Klotz dice. "Questo può sopraffare la forza motrice causata dal campo elettrico".

Rimozione del nodo

I nodi del DNA si verificano anche nelle cellule viventi, ma le cellule hanno enzimi specializzati chiamati topoisomerasi che possono districare tali nodi. Le scoperte del team del MIT suggeriscono un possibile modo per rimuovere i nodi dal DNA al di fuori delle cellule in modo relativamente semplice applicando un campo elettrico fino a quando i nodi non viaggiano fino alla fine della molecola.

Questo potrebbe essere utile per un tipo di sequenziamento del DNA noto come mappatura dei nanocanali, che comporta l'allungamento del DNA lungo un tubo stretto e la misurazione della distanza tra due sequenze genetiche. Questa tecnica viene utilizzata per rivelare cambiamenti genomici su larga scala come la duplicazione genica o i geni che si spostano da un cromosoma all'altro, ma i nodi nel DNA possono rendere più difficile ottenere dati accurati.

Per un altro tipo di sequenziamento del DNA noto come sequenziamento dei nanopori, potrebbe essere utile indurre nodi nel DNA perché i nodi fanno rallentare le molecole mentre viaggiano attraverso il sequenziatore. Ciò potrebbe aiutare i ricercatori a ottenere informazioni sulla sequenza più accurate.

Potrebbe essere utile anche utilizzare questo approccio per rimuovere i nodi da altri tipi di polimeri come quelli utilizzati per produrre la plastica, perché i nodi possono indebolire i materiali.

I ricercatori stanno ora studiando altri fenomeni legati ai nodi, compreso il processo di sciogliere nodi più complessi di quelli studiati in questo articolo, così come le interazioni tra due nodi in una molecola.