Cosa causa la rotazione della doppia elica in un'immagine del DNA?

Immagina di avere due fili sottili, ciascuno lungo circa 3 1/4 piedi, tenuti insieme da frammenti di materiale idrorepellente per formare un filo. Ora immagina di inserire quel filo in un contenitore pieno d'acqua di pochi micrometri di diametro. Queste sono le condizioni che il DNA umano deve affrontare all'interno di un nucleo cellulare. La composizione chimica del DNA, insieme alle azioni delle proteine, torcono i due bordi esterni del DNA in una forma a spirale, o elica, che aiuta il DNA ad adattarsi a un piccolo nucleo.

All'interno di un nucleo cellulare, il DNA è una molecola filiforme strettamente arrotolata. I nuclei e le molecole di DNA variano di dimensioni tra le creature e i tipi di cellule. In ogni caso, un fatto rimane coerente: allungato in piano, il DNA di una cellula sarebbe esponenzialmente più lungo del diametro del suo nucleo. I vincoli di spazio richiedono la torsione per rendere il DNA più compatto e la chimica spiega come avviene la torsione.

Il DNA è una grande molecola costituita da molecole più piccole di tre diversi ingredienti chimici: zucchero, fosfato e basi azotate. Lo zucchero e il fosfato si trovano sui bordi esterni della molecola del DNA, con le basi disposte tra loro come i gradini di una scala. Dato che i fluidi nelle nostre cellule sono a base d'acqua, questa struttura ha senso: zucchero e fosfato sono entrambi idrofili, o amanti dell'acqua, mentre le basi sono idrofobe, o timorose dell'acqua.

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Ora, invece di una scala, immagina una corda attorcigliata. Le torsioni avvicinano i trefoli della corda, lasciando poco spazio tra di loro. La molecola del DNA si torce allo stesso modo per ridurre gli spazi tra le basi idrofobiche all'interno. La forma a spirale impedisce all'acqua di scorrere tra di loro, e allo stesso tempo lascia spazio agli atomi di ogni ingrediente chimico per adattarsi senza sovrapporsi o interferire.

La reazione idrofobica delle basi non è l'unico evento chimico che influenza la torsione del DNA. Le basi azotate che si trovano l'una di fronte all'altra sui due filamenti del DNA si attraggono, ma è in gioco anche un'altra forza di attrazione, chiamata forza di impilamento. La forza di impilamento attrae le basi sopra o sotto l'altra sullo stesso filo. I ricercatori della Duke University hanno appreso, sintetizzando molecole di DNA composte da una sola base, che ciascuna base esercita una forza di impilamento diversa, contribuendo così alla forma a spirale del DNA.

In alcuni casi, le proteine ​​possono far avvolgere ancora più strettamente sezioni di DNA, formando i cosiddetti superavvolgimenti. Ad esempio, gli enzimi che aiutano nella replicazione del DNA creano ulteriori torsioni mentre viaggiano nel filamento di DNA. Inoltre, una proteina chiamata condensina 13S sembra provocare superavvolgimenti nel DNA appena prima della divisione cellulare, ha rivelato uno studio dell'Università della California, Berkeley del 1999. Gli scienziati continuano a ricercare queste proteine ​​sperando di comprendere ulteriormente le torsioni nella doppia elica del DNA.