Tady by jednoduchá fyzika měla říct ne
DNA si většina lidí představí jako genetickou informaci. Z fyzikálního pohledu je to ale zároveň dlouhá molekula s výrazným elektrickým nábojem. Její fosfátová kostra je záporně nabitá. Když tedy položíme dvě molekuly DNA vedle sebe, máme zdánlivě jednoduchý problém: stejné elektrické náboje se odpuzují.
Jenže uvnitř buňky se DNA musí skládat do mimořádně hustých struktur a v některých procesech se odpovídající části dvojitých šroubovic potřebují navzájem rozpoznat. To je důležité například při genetické rekombinaci, organizaci chromozomů nebo regulaci genů.
Už před více než dvěma desetiletími proto fyzikové navrhli zvláštní možnost: šroubovice DNA se možná dokážou navzájem rozpoznat díky kombinaci svého tvaru a iontů kolem nich. Teď vědci tuto interakci poprvé přímo zobrazili.
Dvě šroubovice se nezačaly držet najednou
Tým z univerzit v Sheffieldu a Yorku použil mikroskopii atomárních sil. Ta místo klasického světla „ohmatává“ povrch mimořádně jemným hrotem a dokáže zobrazovat objekty v měřítku jednotlivých molekul.
Výzkumníci sledovali krátké dvojité šroubovice DNA a zachytili situace, kdy se dvě kompatibilní molekuly nejprve dotkly v malém úseku a následně se kontakt postupně prodlužoval. Výsledek připomínal zapínání zipu.
Nešlo ale o to, že by do sebe zapadaly jednotlivé genetické „zuby“ jako u klasického párování dvou vláken jedné DNA. Obě pozorované molekuly už byly kompletní dvojité šroubovice. Spojovaly se vedle sebe. A při nejsilnějším párování byly jejich drážky přesně zarovnané.
Mezi dva záporné náboje vstoupil prostředník
Samotná mikroskopie ukázala, co se děje. Atomistické simulace pak pomohly vysvětlit proč. Klíčovou roli mají dvojmocné kladně nabité ionty, například hořčík, vápník nebo nikl. DNA není ve vodném prostředí nikdy sama. Obklopuje ji vrstva iontů rozpuštěných v roztoku. Kladné částice částečně kompenzují záporný náboj její kostry.
Nové simulace ukázaly ještě konkrétnější mechanismus. Dvojmocný ion může působit jako drobný elektrostatický most. Usadí se mezi drážkami dvou sousedních šroubovic a svým kladným nábojem současně stabilizuje kontakt s oběma.
Místo jednoduché situace „záporná molekula proti záporné molekule“ tak vznikne složitější uspořádání, ve kterém kladné ionty umožní povrchům přiblížit se dostatečně blízko.
DNA možná poznává partnera i vlastním tvarem
Ještě zajímavější je, že všechny sekvence se nespojovaly stejně silně. Výzkumníci našli místa, kde dvě šroubovice vytvářely výrazně stabilnější kontakty než jinde. Síla interakce závisela nejen na přítomnosti iontů, ale také na samotné sekvenci DNA. To podporuje starší představu takzvaného helikálního rozpoznávání.
Pořadí písmen DNA totiž neurčuje jen genetickou informaci. Ovlivňuje také jemný tvar dvojité šroubovice – šířku jejích drážek, lokální zakřivení a rozložení elektrického náboje. Dvě homologní, tedy velmi podobné nebo odpovídající oblasti, tak mohou mít kompatibilní fyzikální povrch.
DNA by podle této představy nemusela hledat správného partnera výhradně prostřednictvím bílkovin, které přečtou její sekvenci a molekuly k sobě přivedou. Část rozpoznání může být zakódovaná také v samotné fyzice dvojité šroubovice.
Neznamená to, že buňka proteiny nepotřebuje
Tady je snadné udělat příliš velký skok. V živé buňce DNA neplave volně v jednoduchém roztoku. Je obalená proteiny, složená do chromatinu, stlačená uvnitř jádra a neustále zpracovávaná velkým množstvím enzymů. Procesy jako homologní rekombinace mají vlastní specializované proteinové aparáty, které DNA vyhledávají, rozplétají a spojují.
Nová studie proto neukazuje, že si chromozomy v buňce vystačí samy. Ukazuje něco jemnějšího: když se dvě dvojité šroubovice dostanou do vhodných podmínek, jejich vlastní elektrostatické a geometrické vlastnosti mohou podporovat sekvenčně závislé rozpoznávání. To může být jeden z fyzikálních mechanismů, se kterými biologické stroje buňky dále pracují.
Stejný mechanismus může jednou posloužit i inženýrům
Schopnost naprogramovat, které molekuly DNA se k sobě přitáhnou a jak vytvoří větší struktury, je zajímavá také pro nanotechnologie. DNA se už dnes používá jako stavební materiál pro takzvané DNA origami – struktury, jejichž tvar je řízen sekvencemi nukleových kyselin.
Pokud dokážeme přesněji využívat i interakce mezi povrchy kompletních dvojitých šroubovic, mohl by se návrhářům otevřít další způsob, jak molekulární konstrukce skládat. Ještě podstatnější je ale základní biologická otázka.
DNA obvykle vnímáme jako text složený ze čtyř písmen. Nový výzkum připomíná, že je zároveň trojrozměrným fyzikálním objektem. A někdy může nést informaci nejen v pořadí písmen, ale i v tom, jak přesně její šroubovice vypadá a jaké ionty se kolem ní dokážou uspořádat. Dvě molekuly se tedy mohou elektricky odpuzovat – a přesto poznat, že k sobě patří.
MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT
Zdroje: Kód Enigma [1], Nucleic Acids Research – Imaging and mechanism of DNA–DNA recognition mediated by divalent ions [2], University of Sheffield – Decades-old DNA mystery solved after strands are captured zipping together for the first time [3]. img ai generated
