ثبت نخستین تصاویر از اتصال زیپ مانند مولکول های DNA فرضیه بیست ساله دانشمندان را تایید کرد - مجله راهدیو

اتصال زیپ مانند DNA بیش از دو دهه پیش در محاسبات نظری فیزیکدانان زیستی پیش بینی شده بود، اما پژوهشگران دانشگاه شفیلد (University of Sheffield) و دانشگاه یورک (University of York) انگلستان توانستند این پدیده را با میکروسکوپ مشاهده نمایند. دو مارپیچ دوگانه در محیط مایع طوری کنار هم می نشینند که شیارهای سطحی آن ها مانند دندانه های یک زیپ به درون فرورفتگی های یکدیگر می لغزند.

تصویربرداری زیر مایع با میکروسکوپ نیروی اتمی

مشاهده چنین ساختار شنماینده ای بدون آسیب زدن به مولکول کار بسیار دشواری بود. پژوهشگران برای ثبت این چیدمان، میکروسکوپ نیروی اتمی (Atomic Force Microscopy) با تفکیک پذیری بسیار بالا را به کار بستند. این دستگاه به جای تاباندن پرتوهای مخرب، با یک سوزن بی مقدار ظریف پستی بلندی های سطح مولکول را در محیطی مایع لمس می نماید و نقشه برآمدگی های آن را با دقت آنگستروم بیرون می کشد.

تصاویر به دست آمده شیارهای بزرگ و کوچک مارپیچ را با شفافیت نشان دادند. آزمایشگران برای رسیدن به این تفکیک پذیری، یون های نیکل را به محیط افزودند تا مولکول ها در جای خود پایدار بمانند. در ادامه کار، پای یون های منیزیم و کلسیم هم به آزمایش ها باز شد تا محققان ببینند پیوند مولکول ها در مایعات فیزیولوژیک متنوع چه رفتاری از خود نشان می دهد.

شبیه سازی های رایانه ای توانستند جابه جایی تک تک اتم ها را در طول زمان دنبال نمایند. این پردازش ها پیوستن تدریجی دو رشته به یکدیگر را مثل یک فیلم ضبط شده پیش چشم محققان مجسم کردند.

پل های یونی و خنثی شدن دافعه بارها

ستون فقرات هر رشته ژنتیکی از پیوندهای فسفودی استر تشکیل شده است که بار منفی خالصی دارند. بر اساس قوانین فیزیک، این بارهای همنام نیروی رانش شدیدی فراوری می نمایند که مانع از نزدیک شدن مارپیچ ها می گردد. در اتصال زیپ مانند DNA، یون های فلزی با بار دو مثبت نقشی مشابه یک رابط پیونددهنده بر عهده می گیرند.

این یون ها فاصله خالی میان دو مارپیچ را پر می نمایند و پل نمکی (Salt bridge) به وجود می آورند. در لحظه ای که شیارهای کوچک دو رشته درست روبه روی هم جفت می شوند، یون ها همزمان با اکسیژن های باردار فسفات در هر دو سمت ارتباط می گیرند و شکاف میان دو مارپیچ را کوتاه می نمایند.

مقایسه یون های دوظرفیتی در چفت کردن رشته های ژنتیکی

جدول زیر تفاوت عملکرد و ویژگی یون های به کار رفته در اتصال شیارهای DNA را نشان می دهد:

نقاط داغ و وابستگی پیوند به توالی ژن ها

ساختار ژنتیکی در تمام طول خود به یک مقدار مستعد این درهم تنیدگی نیست و چینش حروف ژنتیکی نقشی معین نماینده دارد. محاسبات دقیق اتمی نشان داد که توالی های ویژه ای پیوندهای بسیار محکم تری به وجود می آورند. توالی نوکلئوتیدی GTAC در حضور یون های نیکل مانند یک لولای پایدار رفتار کرد و مارپیچ ها را با چسبندگی بالایی کنار هم نگه داشت.

شواهد به دست آمده نشان می دهد ژنوم موجودات زنده نقاط داغ (Hotspots) معینی دارد که در آن ها اتصال زیپ مانند DNA با سهولت بیشتری اتفاق می افتد. شناسایی این کانون ها فهم ما را از روند نوترکیبی ژنتیکی (Genetic Recombination) غنی تر می نماید، مرحله حساسی که در آن کروموزوم های همتا پیش از تقسیم میوز باید جفت خود را در شلوغی هسته پیدا نمایند و تبادل قطعه انجام دهند.

از لوله آزمایش تا واقعیت درون هسته

تحقیقات فعلی روی نمونه های خالص آزمایشگاهی و به دور از سایر اجزای سلول پیش رفته است. درون سلول زنده، پروتئین های کروی متعددی به نام هیستون (Histone) وجود دارند که رشته ها دور آن ها می پیچند و واحدهایی موسوم به نوکلئوزوم (Nucleosome) به وجود می آورند.

این آزمایش ها رفتار تک مولکول ها را در محیط شبیه سازی شده آشکار نموده است. محققان به این حقیقت اشاره می نمایند که تماس فیزیکی صرف لزوماً به هم پوشانی کامل ختم نمی گردد، بلکه یون ها نخست جرقه های اتصال موضعی را می زنند و اگر ترادف ژنتیکی در ادامه اش هماهنگ باشد، قفل شدن سرتاسری صورت می گیرد. ارزیابی این رویداد در محیط پرتراکم سلولی و ربط احتمالی آن به مهار جهش های منجر به بدخیمی نیازمند تحقیقات بیشتری است.

مهندسی فشرده سازی و جا دادن دو متر رشته در فضایی میکروسکوپی

اگر کلاف وراثتی درون یک تک سلول انسانی را از هم باز کنیم، طولی نزدیک به 2 متر پیدا می نماید. جای دادن این طول در حبابی به قطر 5 تا 10 میکرومتر همچون جمع کردن 40 کیلومتر نخ درون یک توپ کوچک تنیس است، کاری که باید بدون هرگونه گره خوردگی کور انجام پذیرد تا آنزیم ها بتوانند اطلاعات حیاتی را بدون مانع بخوانند.

دانشمندان در گذشته تصور می کردند پروتئین های داربستی به تنهایی مسولیت این جمع آوری فشرده را به دوش می کشند. اما یافته های تازه روشن ساخت که خود ساختار مارپیچ به مدد یون های باردار محیط، گرایشی درونی برای درهم تنیدگی دارد. این ویژگی خودسامان دهی نمونه ای بی نظیر از به کارگیری قوانین بنیادین فیزیک برای مدیریت حجم عظیمی از داده های بیولوژیک است.

مکانیسم اسکن سریع در ترمیم شکست های ژنتیکی

رشته های حیات در طول شبانه روز بارها بر اثر تابش نور خورشید یا عوامل شیمیایی دچار پارگی های خطرناک دو رشته ای می شوند. سلول برای ترمیم دقیق این گسستگی ها نیازمند آن است که نسخه سالم همان ژن را روی کروموزوم همتا پیدا کند و از روی آن رونوشت بردارد.

سرعت حیرت انگیز سلول در پیدا کردن یک قطعه معین از میان 3 میلیارد جفت باز همیشه پرسشی بی پاسخ بود. به نظر می رسد تماس های گذرا و زیپ مانند به رشته ها فرصت می دهند در کسری از ثانیه بخش های مجاور را اسکن نمایند و پس از تایید تطابق، فرایند ترمیم را به کار بیندازند. شناخت دقیق این پدیده می تواند راهکارهای نوین دارویی علیه سلول های سرطانی ایجاد کند و مانع ترمیم اتوماتیک تومورها گردد.

منبع: Nucleic Acids Research

For the first time, scientists from the Universities of Sheffield and York have successfully captured high-resolution microscopic images confirming the 20-year-old theory of DNA zipping structure.

Using advanced Atomic Force Microscopy (AFM) in liquid, researchers observed how two double helices slide into each others grooves like the teeth of a zipper.

The study reveals that positive divalent metal ions, such as Nickel, Magnesium, and Calcium, act as salt bridges to counteract the natural electrical repulsion of the negatively charged genetic strands.

These findings provide critical insights into how two meters of DNA pack tightly inside a microscopic cell nucleus and offer new potential pathways for cancer therapy by understanding genetic repair mechanisms.