Wyobraź sobie, że masz dwa cienkie pasma, każde o długości około 3 1/4 stopy, połączone fragmentami wodoodpornego materiału, tworząc jedną nić. Teraz wyobraź sobie, jak wkładasz ten gwint do wypełnionego wodą pojemnika o średnicy kilku mikrometrów. Są to warunki, z jakimi boryka się ludzkie DNA w jądrze komórkowym. Skład chemiczny DNA wraz z działaniem białek skręca dwie zewnętrzne krawędzie DNA w spiralny kształt lub helisę, która pomaga DNA dopasować się do maleńkiego jądra.
Rozmiar
W jądrze komórkowym DNA jest ściśle zwiniętą, nitkowatą cząsteczką. Jądra i cząsteczki DNA różnią się wielkością w zależności od stworzeń i typów komórek. W każdym przypadku jeden fakt pozostaje niezmienny: rozciągnięte na płasko DNA komórki byłoby wykładniczo dłuższe niż średnica jej jądra. Ograniczenia przestrzenne wymagają skręcenia, aby DNA było bardziej zwarte, a chemia wyjaśnia, w jaki sposób zachodzi skręcanie.
Chemia
DNA to duża cząsteczka zbudowana z mniejszych cząsteczek trzech różnych składników chemicznych: cukru, fosforanów i zasad azotowych. Cukier i fosforan znajdują się na zewnętrznych krawędziach cząsteczki DNA, a zasady są ułożone między nimi jak szczeble drabiny. Biorąc pod uwagę, że płyny w naszych komórkach są na bazie wody, ta struktura ma sens: cukier i fosforan są zarówno hydrofilowe, czyli lubiące wodę, podczas gdy zasady są hydrofobowe, czyli boją się wody.
Struktura
•••Hemera Technologies/AbleStock.com/Getty Images
Teraz zamiast drabiny wyobraź sobie skręconą linę. Skręty zbliżają do siebie pasma liny, pozostawiając między nimi niewiele miejsca. Cząsteczka DNA podobnie skręca się, zmniejszając przestrzenie między hydrofobowymi zasadami wewnątrz. Spiralny kształt zniechęca wodę do przepływania między nimi, a jednocześnie pozostawia miejsce na dopasowanie atomów każdego składnika chemicznego bez nakładania się na siebie i ingerencji.
Układanie
Reakcja hydrofobowa zasad nie jest jedynym zdarzeniem chemicznym, które wpływa na skręcenie DNA. Zasady azotowe, które znajdują się naprzeciwko siebie na dwóch niciach DNA, przyciągają się nawzajem, ale w grę wchodzi również inna siła przyciągania, zwana siłą układania. Siła układania przyciąga podstawy nad lub pod sobą na tej samej nitce. Naukowcy z Duke University nauczyli się, syntetyzując cząsteczki DNA złożone tylko z jednej zasady, że każda zasada wywiera inną siłę ułożenia, przyczyniając się w ten sposób do spiralnego kształtu DNA.
Białka
W niektórych przypadkach białka mogą powodować, że odcinki DNA zwijają się jeszcze mocniej, tworząc tak zwane superskrętki. Na przykład enzymy, które pomagają w replikacji DNA, tworzą dodatkowe skręty podczas przemieszczania się po nici DNA. Ponadto białko zwane kondensyną 13S wydaje się powodować powstawanie superskrętów w DNA tuż przed podziałem komórki, jak ujawniły badania przeprowadzone na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley z 1999 roku. Naukowcy kontynuują badania nad tymi białkami, mając nadzieję na dalsze zrozumienie skrętów podwójnej helisy DNA.