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Che forma ha il DNA?

Come possono 3 miliardi di paia di basi stare nel nucleo di una cellula? Compattandosi in una grande varietà di forme, analizzate nel dettaglio grazie a sofisticate tecniche di microscopia.
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Facile, direte voi. È una doppia elica destrorsa costituita da due filamenti che a loro volta solo formati dai nucleotidi, i mattoni degli acidi nucleici. Impossibile dimenticare la foto che ritrae James Watson e Francis Crick davanti al modello a spirale che avevano scoperto. Eppure, questa risposta è incompleta. Il DNA, infatti, assume moltissime forme, si ripiega e si attorciglia creando strutture tridimensionali definite "superavvolgimenti" (dall'inglese supercoiled).  Grazie ad una tecnica di microscopia all'avanguardia è stato possibile studiarne i dettagli come mai prima d'ora.
James Watson e Francis Crick con il loro modello di doppia elica. (Immagine: Antony Barrington Brown/Science Photo Library)  
Questione di forma Il lavoro, pubblicato sulle pagine di Nature Communications, analizza con tecniche complesse un problema piuttosto semplice. In ogni cellula del nostro corpo ci sono circa 3 miliardi di coppie di nucleotidi che vanno a costruire un DNA lungo circa un metro. Ora, considerando che il DNA si trova all'interno del nucleo cellulare e che il nucleo di una cellula eucariotica ha il diametro medio di 7 micrometri, è facile immaginare quanto questa molecola debba essere compatta e attorcigliata per poter occupare lo spazio a lei destinato. Il modello elaborato da Watson e Crick si basava sull'osservazione di poche paia di basi, 12 al massimo, e descrive bene la conformazione di piccolissimi frammenti di DNA. Allargando la visuale su frammenti via via più grandi, il quadro si complica e si arricchisce dei "superavvolgimenti" del DNA. Perché è così importante studiarne la forma? Ad esempio, per migliorare l'azione dei farmaci (come i chemioterapici) che agiscono direttamente sul DNA, basandosi su di un meccanismo "a incastro", come una chiave con la propria serratura. Più dettagli si conoscono sulla forma della serratura più probabile sarà modellare una chiave in grado di aprirla.  

Una piccola rappresentazione della realtà

Gli autori dello studio hanno cercato di riprodurre in laboratorio i superavvolgimenti del DNA per poterne studiare la forma. Per farlo hanno riprodotto dei piccoli anelli formati da 336 coppie di nucleotidi, circa 10 milioni di volte più corti della reale molecola di DNA umana. Sufficienti per essere considerati un modello realistico della situazione reale? A detta della topoisomerasi II alfa sì. Si tratta di un enzima che è in grado di "dipanare" la matassa di DNA superavvolto compiendo un tagli-cuci mirato sui filamenti. L'enzima funziona in vitro  solo in presenza di DNA biologicamente "attivo", cioè su DNA che sia comparabile con quello presente normalmente nel nostro organismo. Utilizzando con successo la topoisomerasi II alfa sugli anelli riprodotti in laboratorio gli scienziati hanno avuto la prova che quello che stavano osservando, seppur in scala molto piccola, era un DNA dalla struttura del tutto simile a quella reale.  

Le mille forme del DNA

Per poter analizzare le forme assunte dai micro anelli di DNA gli scienziati hanno sovrapposto i risultati di due tecniche: la tomografia crioelettronica, che permette di ottenere immagini di materiale biologico attivo congelandolo, e la simulazione al computer del dinamismo del DNA e di tutte le forme che può assumere. Le immagini ottenute combinando le due hanno mostrato tutta la varietà delle forme assunte dalle molecole di DNA: circoli ripiegati ad angolo vivo, altri simili a un "otto", altri alla cruna di un ago e altri ancora compattati come un piccolo bastoncino.

Alcune delle forme ottenute sovrapponendo la simulazione al computer (le molecole colorate) ai risultati della tomografia crioelettronica (in grigio o giallo). (Immagine: Thana Sutthibutpong)

Ognuna di queste forme, spiegano gli autori dello studio, è importante perché permette l'interazione con proteine, con altre molecole di DNA o con i farmaci. Studiarle permetterà, quindi, di poter sviluppare in futuro farmaci estremamente selettivi, cuciti "ad hoc" sulla forma assunta dal DNA in una determinata situazione. Questo tipo di analisi ha rivelato qualcosa di inaspettato anche sui meccanismi di duplicazione e trascrizione del DNA. I ricercatori, infatti, hanno osservato che l'apertura della doppia elica, necessaria per l'avvio di questi due processi, non avviene in condizioni di DNA "srotolato" ma, al contrario, quando il grado di avvolgimento della molecola è massimo e quindi è massima anche la sua stabilità. Immagine box:  Thana Sutthibutpong Immagine in evidenza: Flickr
DNA-2---credit-Thana-Sutthibutpong
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