Mikä saa kaksoiskierteen vääntymään DNA-kuvassa?

Kuvittele, että sinulla on kaksi ohutta säiettä, joista kukin on noin 3 1/4 jalkaa pitkä, ja joita pidetään yhdessä vettä hylkivän materiaalin katkelmista muodostaen yksi lanka. Kuvittele nyt, että tämä lanka sovitetaan vesitäyttöiseen astiaan, jonka halkaisija on muutama mikrometri. Nämä ovat olosuhteet, joita ihmisen DNA kohtaa solutumassa. DNA: n kemiallinen koostumus yhdessä proteiinien toiminnan kanssa kiertää DNA: n kaksi ulkoreunaa spiraalimuotoon tai kierukaksi, mikä auttaa DNA: ta sovittumaan pieneen ytimeen.

Solutumassa DNA on tiukasti kelautunut, lankamäinen molekyyli. Ytimien ja DNA-molekyylien koko vaihtelee olentojen ja solutyyppien välillä. Joka tapauksessa yksi tosiasia pysyy yhtenäisenä: tasaiseksi venytettynä solun DNA olisi eksponentiaalisesti pidempi kuin sen ytimen halkaisija. Tilarajoitukset edellyttävät kiertämistä DNA: n tiivistämiseksi, ja kemia selittää, kuinka kiertyminen tapahtuu.

DNA on suuri molekyyli, joka on rakennettu pienemmistä molekyyleistä, joissa on kolme erilaista kemiallista ainesosaa: sokeri, fosfaatti ja typpipitoiset emäkset. Sokeri ja fosfaatti sijaitsevat DNA-molekyylin ulkoreunoilla, emästen välissä kuten tikkaiden pylväät. Ottaen huomioon, että soluissamme olevat nesteet ovat vesipohjaisia, tällä rakenteella on järkeä: sokeri ja fosfaatti ovat molemmat hydrofiilisiä tai vettä rakastavia, kun taas emäkset ovat hydrofobisia tai vettä pelkääviä.

•••Hemera Technologies / AbleStock.com / Getty Images

Kuvaa nyt tikkaiden sijaan kierretty köysi. Kierrokset tuovat köyden säikeet lähelle toisiaan, jättäen niiden väliin vähän tilaa. DNA-molekyyli vääntyy samalla tavoin kutistamaan sisäpuolella olevien hydrofobisten emästen väliset tilat. Spiraalimuoto estää vettä virtaamasta niiden välillä ja jättää samalla tilaa kaikkien kemiallisten ainesosien atomien sovittamiseen päällekkäin tai häiritsemättä.

Emästen hydrofobinen reaktio ei ole ainoa kemiallinen tapahtuma, joka vaikuttaa DNA: n kierteeseen. Typpipitoiset emäkset, jotka istuvat vastakkain DNA: n kahdessa säikeessä, houkuttelevat toisiaan, mutta toinen houkutteleva voima, jota kutsutaan pinoamisvoimaksi, on myös pelissä. Pinoamisvoima houkuttelee pohjia toistensa yläpuolelle tai alapuolelle samalla säikeellä. Duke-yliopiston tutkijat ovat oppineet syntetisoimalla vain yhdestä emäksestä koostuvia DNA-molekyylejä, että jokaisella emäksellä on erilainen pinoamisvoima, mikä osaltaan edistää DNA: n spiraalimuotoa.

Joissakin tapauksissa proteiinit voivat aiheuttaa DNA-osien kelautumisen vielä tiukemmin muodostaen ns. Superkäämejä. Esimerkiksi entsyymit, jotka auttavat DNA: n replikaatiossa, luovat lisää kiertoja kulkiessaan DNA-juosetta. Myös proteiini nimeltä 13S-kondensaatti näyttää aiheuttavan superkäämiä DNA: ssa juuri ennen solujen jakautumista, Kalifornian yliopiston vuonna 1999, Berkeley, tutkimus paljasti. Tutkijat jatkavat näiden proteiinien tutkimista toivoen ymmärtävänsä edelleen DNA: n kaksoiskierteen käänteitä.