Durante la divisione cellulare, attorno all'equatore cellulare si forma un anello che si contrae per dividere la cellula in due cellule figlie. Insieme ai ricercatori di Heidelberg, Dresda, Tubinga e Harvard, il professor Jan Kierfeld e Lukas Weise del Dipartimento di Fisica dell'Università TU di Dortmund sono riusciti per la prima volta a sintetizzare un simile anello contrattile con l'aiuto della nanotecnologia del DNA e a scoprirne il meccanismo di contrazione . I risultati sono stati pubblicati su Nature Communications .
Nella biologia sintetica, i ricercatori cercano di ricreare i meccanismi cruciali della vita in vitro, come la divisione cellulare. Lo scopo è essere in grado di sintetizzare cellule minime. Il gruppo di ricerca guidato dalla professoressa Kerstin Göpfrich dell'Università di Heidelberg ha ora riprodotto sinteticamente anelli contrattili per la divisione cellulare utilizzando anelli polimerici composti da nanotubi di DNA.
La formazione di un anello che restringe e separa le cellule in divisione è un passo importante nella divisione cellulare naturale. In natura, ciò si ottiene tramite un meccanismo di proteine:le proteine motrici alimentate dall'energia chimica derivante dall'idrolisi dell'ATP mettono insieme un anello di filamenti della proteina actina. L'adenosina trifosfato, o ATP, è una molecola presente in tutte le cellule viventi e fornisce l'energia per numerosi processi cellulari.
Il meccanismo di contrazione degli anelli del DNA sviluppato dai ricercatori non si basa più su proteine motrici alimentate dall'idrolisi dell'ATP. Invece, l'attrazione molecolare tra i segmenti dell'anello può innescare la contrazione degli anelli polimerici.
Questa attrazione molecolare può essere indotta in due modi:o reticolando molecole con due estremità "appiccicose" che possono collegare due segmenti polimerici, oppure mediante l'interazione di svuotamento, in cui i polimeri sono circondati da molecole "crowder" che premono insieme i segmenti . Questo meccanismo non consuma energia chimica, il che significa che non è necessario incorporare alcuna fonte di energia nella cellula sintetica affinché il meccanismo funzioni.
Nel campo della fisica biologica lavorano il professor Jan Kierfeld, professore di fisica teorica, e il dottorando ricercatore Lukas Weise. Come parte del loro lavoro di ricerca, hanno sviluppato una descrizione teorica e una simulazione della dinamica molecolare del meccanismo di contrazione, che corrisponde ai risultati sperimentali dei loro partner di ricerca.
A tal fine hanno ideato metodi speciali per simulare gli anelli del DNA su scala realistica. La teoria e la simulazione permettono di spiegare quantitativamente come si formano e si contraggono gli anelli polimerici.
"Ciò significa che siamo in grado non solo di prevedere che una maggiore concentrazione di molecole 'crowder' renderà l'anello più piccolo, ma anche di quanto più piccolo", afferma il professor Kierfeld. In questo modo è possibile determinare come controllare con precisione il diametro dell'anello del DNA, il che è molto importante per le future applicazioni degli anelli contrattili nella biologia sintetica.
I meccanismi di divisione cellulare rappresentano un passo importante verso una cellula artificiale, la cui costruzione facilita una migliore comprensione dei meccanismi funzionali delle cellule naturali e, quindi, dei fondamenti della vita.
Ulteriori informazioni: Maja Illig et al, Contrazione innescata di anelli di nanotubi di DNA autoassemblati su scala micron, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46339-z
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dall'Università TU Dortmund
