תאר לעצמך שיש לך שני קווצות דקות, כל אחת באורך של כ -1 / 4 מטר, המוחזקות יחד על ידי קטעי חומר דוחה מים כדי ליצור חוט אחד. עכשיו דמיין שתכניס את החוט הזה למיכל מלא מים בקוטר של כמה מיקרומטר. אלה התנאים שעומדים בפני ה- DNA האנושי בתוך גרעין תא. ההרכב הכימי של ה- DNA, יחד עם פעולות החלבונים, מסובב את שני הקצוות החיצוניים של ה- DNA לצורת ספירלה, או סליל, המסייעים ל- DNA להשתלב בגרעין זעיר.
גודל
בתוך גרעין תאים, ה- DNA הוא מולקולה מפותלת וחוטה. מולקולות גרעין ו- DNA משתנות בגודלן בין יצורים וסוגי תאים. בכל מקרה עובדה אחת נותרת עקבית: נמתח שטוח, ה- DNA של התא יהיה ארוך באופן אקספוננציאלי מקוטר הגרעין שלו. אילוצי החלל דורשים פיתול כדי להפוך את ה- DNA לקומפקטי יותר, וכימיה מסבירה כיצד הפיתול קורה.
כִּימִיָה
DNA הוא מולקולה גדולה הבנויה ממולקולות קטנות יותר של שלושה מרכיבים כימיים שונים: סוכר, פוספט ובסיסים חנקניים. הסוכר והפוספט ממוקמים בקצוות החיצוניים של מולקולת ה- DNA, כאשר הבסיסים מסודרים ביניהם כמו שלבי סולם. בהתחשב בכך שהנוזלים בתאים שלנו מבוססים על מים, מבנה זה הגיוני: סוכר ופוספט שניהם הידרופיליים, או חובבי מים, ואילו הבסיסים הידרופוביים או מפחדים מים.
מִבְנֶה
•••Hemera Technologies / AbleStock.com / Getty Images
עכשיו, במקום סולם, דמיינו חבל מעוות. הפיתולים מקרבים קווצות חבל זה לזה ומשאירים מעט מקום ביניהם. מולקולת ה- DNA מתפתלת באופן דומה בכדי לכווץ את הרווחים בין הבסיסים ההידרופוביים מבפנים. צורת הספירלה מרתיעה מים מלזרום ביניהם, ובמקביל משאירה מקום לאטומים של כל מרכיב כימי להתאים מבלי לחפוף או להפריע.
הַעֲרָמָה
התגובה ההידרופובית של הבסיסים אינה האירוע הכימי היחיד שמשפיע על טוויסט ה- DNA. בסיסי החנקן היושבים זה מול זה על שני גדילי ה- DNA מושכים זה את זה, אך גם כוח משיכה נוסף, המכונה כוח הערימה, משחק. כוח הערימה מושך את הבסיסים אחד מעל השני או מתחת לאותו קווצה. חוקרים מאוניברסיטת דיוק למדו על ידי סינתזה של מולקולות DNA המורכבות מבסיס אחד בלבד, שכל בסיס מפעיל כוח ערימה אחר, ובכך תורם לצורת הספירלה של ה- DNA.
חלבונים
במקרים מסוימים, חלבונים יכולים לגרום לחלקים של DNA להתפתל בצורה מהודקת יותר וליצור מה שמכונה סלילי-על. למשל, אנזימים המסייעים בשכפול דנ"א יוצרים פיתולים נוספים בזמן שהם עוברים על גדיל הדנ"א. כמו כן, נראה כי חלבון בשם 13S condensin מניע סלילי-על ב- DNA ממש לפני חלוקת התאים, כך גילה מחקר של אוניברסיטת קליפורניה בברקלי משנת 1999. מדענים ממשיכים לחקור את החלבונים הללו בתקווה להבין עוד יותר את הפיתולים בסליל הכפול של ה- DNA.