I riccioli d'oro della fama delle fiabe sapevano qualcosa del porridge. Doveva essere giusto, né troppo caldo né troppo freddo. Lo stesso vale per i mobili:né troppo duri né troppo morbidi. In un contesto diverso, gli scienziati dell'UC San Diego sanno qualcosa sul DNA. Sanno che i filamenti del nostro codice genetico, se esteso, misurerebbe due metri, o circa sei piedi. Sanno anche che i filamenti si piegano e si muovono all'interno del nucleo cellulare delle dimensioni di circa un centesimo di millimetro. Ma non sanno come e in quale stato della materia ciò avvenga, così hanno deciso di controllare.

Ispirato dalle idee della fisica delle transizioni di fase e della fisica dei polimeri, i ricercatori delle divisioni di scienze fisiche e biologiche dell'UC San Diego si sono proposti specificamente di determinare l'organizzazione del DNA all'interno del nucleo di una cellula vivente. I risultati del loro studio, recentemente pubblicato in Comunicazioni sulla natura , suggeriscono che lo stato di fase del DNA genomico è "giusto":un gel in bilico al confine di fase tra gel e sol, la transizione di fase solido-liquido.

Pensa al budino, panna cotta o anche porridge. La consistenza di queste prelibatezze deve essere giusta per essere gustata idealmente. Proprio come la transizione di fase "sol-gel", secondo gli scienziati, sembra giusto per spiegare i tempi delle interazioni genomiche che dettano l'espressione genica e la ricombinazione somatica.

"Questa scoperta indica un principio fisico generale dell'organizzazione cromosomica, che ha importanti implicazioni per molti processi chiave in biologia, dalla produzione di anticorpi alla differenziazione dei tessuti, "ha detto Olga Dudko, un biofisico teorico e professore nel Dipartimento di Fisica dell'UC San Diego, che ha collaborato con il collega Cornelis Murre, un illustre professore della Sezione di Biologia Molecolare, sullo studio.

Insieme all'ex studente laureato di Dudko, Yaojun Zhang, ora ricercatore post-dottorato a Princeton, e lo studioso postdottorato di Murre, Nimish Khanna, il team ha raccolto e analizzato i dati sul movimento del DNA all'interno delle cellule B di mammiferi vivi dai topi per capire come le interazioni genomiche remote generano un pool diversificato di anticorpi da parte del sistema immunitario adattativo.

Nei mammiferi, come roditori e umani, i segmenti del gene dell'immunoglobina sono disposti in gruppi di variabili (V), diversità (D) e unione (J) dei segmenti. Questi V, I segmenti D e J si combinano casualmente attraverso il processo di ricombinazione somatica. Ciò si verifica prima del contatto con l'antigene e durante lo sviluppo delle cellule B nel tessuto linfoide del sistema immunitario, o midollo osseo. Queste interazioni genetiche casuali determinano diversi codici proteici che corrispondono agli antigeni che attivano i linfociti.

Gli scienziati hanno esaminato le varie interazioni tra i segmenti del gene V e DJ. Mentre esattamente come avvengono queste interazioni rimane sconosciuto, i ricercatori dell'UC San Diego hanno sviluppato una strategia per tracciare il movimento di V e DJ nei linfociti B. Hanno scoperto che i segmenti V e DJ erano intrappolati in configurazioni che consentivano solo il movimento locale, in altre parole, i segmenti sono rimasti spazialmente prossimali se inizialmente erano vicini o sono rimasti separati se inizialmente erano spazialmente distanti. I ricercatori hanno inoltre osservato, all'interno di un sottoinsieme di celle, bruschi cambiamenti nel movimento di V e DJ, plausibilmente causato da cambiamenti temporali nella cromatina.

Confrontando dati sperimentali e simulati, gli scienziati hanno concluso che il movimento vincolato è imposto da una rete di catene cromatiniche reticolate, o una rete di ponti tra i filamenti di DNA che sono caratteristici di una fase gel. Ancora, la quantità di questi legami incrociati è "giusta" per posizionare il DNA vicino alla fase sol, una fase liquida che descrive una soluzione di catene non reticolate.

Questo schema ha suggerito agli scienziati che esiste un certo principio organizzativo del DNA genomico, la vicinanza alla transizione di fase sol-gel, che spiega come il genoma possa possedere contemporaneamente stabilità e reattività all'interno del nucleo.

Questi risultati indicano che il modello di impacchettamento del DNA all'interno del nucleo di una cellula ha conseguenze sul destino di una cellula, sia che diventi una cellula viva o malata.

"Abbiamo teorie rigorose dalla fisica - principi astratti ed equazioni matematiche. Abbiamo esperimenti all'avanguardia sulla biologia - tracciamento innovativo di segmenti genici nei nuclei di cellule di mammiferi vivi, " ha osservato Zhang. "Mi stupisce davvero ed emoziona quando i due aspetti si fondono coerentemente in un'unica storia, dove la fisica non è solo uno strumento per descrivere la dinamica dei segmenti genici, ma aiuta a individuare lo stato fisico del genoma, e getta ulteriore luce sull'impatto delle proprietà fisiche di questo stato sulla sua funzione biologica."