Wat zorgt ervoor dat de dubbele helix in een DNA-beeld draait?

Stel je voor dat je twee dunne strengen hebt, elk ongeveer 3 1/4 voet lang, bij elkaar gehouden door stukjes waterafstotend materiaal om één draad te vormen. Stel je nu voor dat je die draad in een met water gevulde container met een diameter van enkele micrometers past. Dit zijn de omstandigheden waarmee menselijk DNA in een celkern wordt geconfronteerd. De chemische samenstelling van DNA, samen met de acties van eiwitten, verdraaien de twee buitenste randen van DNA in een spiraalvorm, of helix, waardoor DNA in een kleine kern past.

Binnen een celkern is DNA een strak opgerold, draadachtig molecuul. Kernen en DNA-moleculen variëren in grootte tussen wezens en celtypen. In elk geval blijft één feit consistent: plat uitgerekt zou het DNA van een cel exponentieel langer zijn dan de diameter van zijn kern. De ruimtebeperkingen vereisen verdraaiing om het DNA compacter te maken, en chemie verklaart hoe het verdraaien gebeurt.

DNA is een groot molecuul dat is opgebouwd uit kleinere moleculen van drie verschillende chemische ingrediënten: suiker, fosfaat en stikstofbasen. De suiker en het fosfaat bevinden zich aan de buitenranden van het DNA-molecuul, met de basen ertussen als de sporten van een ladder. Aangezien de vloeistoffen in onze cellen op water gebaseerd zijn, is deze structuur logisch: suiker en fosfaat zijn beide hydrofiel of waterminnend, terwijl de basen hydrofoob of waterafstotend zijn.

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

Stel je nu een gedraaid touw voor in plaats van een ladder. De wendingen brengen de strengen van het touw dicht bij elkaar, waardoor er weinig ruimte tussen hen overblijft. Het DNA-molecuul draait op dezelfde manier om de ruimtes tussen de hydrofobe basen aan de binnenkant te verkleinen. De spiraalvorm ontmoedigt het stromen van water ertussen en laat tegelijkertijd ruimte voor de atomen van elk chemisch ingrediënt om te passen zonder overlapping of interferentie.

De hydrofobe reactie van de basen is niet de enige chemische gebeurtenis die de draaiing van het DNA beïnvloedt. De stikstofbasen die tegenover elkaar op de twee DNA-strengen zitten, trekken elkaar aan, maar er is ook een andere aantrekkingskracht, de stapelkracht, in het spel. De stapelkracht trekt de bases boven of onder elkaar op dezelfde streng aan. Onderzoekers van de Duke University hebben door het synthetiseren van DNA-moleculen die uit slechts één base bestaan, geleerd dat elke base een andere stapelkracht uitoefent en zo bijdraagt ​​aan de spiraalvorm van DNA.

In sommige gevallen kunnen eiwitten ervoor zorgen dat delen van het DNA nog strakker oprollen, waardoor zogenaamde supercoils worden gevormd. Enzymen die helpen bij DNA-replicatie, creëren bijvoorbeeld extra wendingen terwijl ze door de DNA-streng reizen. Ook lijkt een eiwit genaamd 13S condensine supercoils in DNA te veroorzaken net voor celdeling, onthulde een studie van de University of California, Berkeley uit 1999. Wetenschappers blijven deze eiwitten onderzoeken in de hoop de wendingen in de dubbele DNA-helix verder te begrijpen.