อะไรเป็นสาเหตุให้เกลียวคู่บิดเป็นภาพดีเอ็นเอ?

ลองนึกภาพว่าคุณมีเส้นบางๆ สองเส้น แต่ละเส้นยาวประมาณ 3 1/4 ฟุต ยึดเข้าด้วยกันด้วยเศษวัสดุกันน้ำเพื่อสร้างด้ายเส้นเดียว ตอนนี้ลองนึกภาพว่ากำลังร้อยด้ายนั้นลงในภาชนะที่บรรจุน้ำซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางไม่กี่ไมโครเมตร นี่เป็นเงื่อนไขที่ DNA ของมนุษย์ต้องเผชิญภายในนิวเคลียสของเซลล์ ส่วนประกอบทางเคมีของ DNA ร่วมกับการกระทำของโปรตีน บิดขอบด้านนอกทั้งสองของ DNA ให้เป็นรูปทรงเกลียวหรือเกลียวที่ช่วยให้ DNA พอดีกับนิวเคลียสขนาดเล็ก

ภายในนิวเคลียสของเซลล์ DNA เป็นโมเลกุลคล้ายเกลียวที่ขดแน่น โมเลกุลของนิวเคลียสและดีเอ็นเอมีขนาดแตกต่างกันไปตามสิ่งมีชีวิตและประเภทเซลล์ ในทุกกรณี ข้อเท็จจริงประการหนึ่งยังคงสอดคล้องกัน นั่นคือ ดีเอ็นเอที่ถูกยืดออกอย่างแบนราบ DNA ของเซลล์จะยาวกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของนิวเคลียสแบบทวีคูณ ข้อจำกัดด้านพื้นที่จำเป็นต้องมีการบิดตัวเพื่อทำให้ DNA กระชับยิ่งขึ้น และเคมีอธิบายว่าการบิดตัวเกิดขึ้นได้อย่างไร

ดีเอ็นเอเป็นโมเลกุลขนาดใหญ่ที่สร้างขึ้นจากโมเลกุลที่เล็กกว่าของส่วนประกอบทางเคมีสามชนิด ได้แก่ น้ำตาล ฟอสเฟต และเบสไนโตรเจน น้ำตาลและฟอสเฟตอยู่ที่ขอบด้านนอกของโมเลกุลดีเอ็นเอ โดยมีฐานเรียงอยู่ระหว่างพวกมันเหมือนขั้นบันได เนื่องจากของเหลวในเซลล์ของเราเป็นแบบน้ำ โครงสร้างนี้จึงสมเหตุสมผล: น้ำตาลและฟอสเฟตเป็นทั้งชอบน้ำหรือชอบน้ำ ในขณะที่สารตั้งต้นไม่ชอบน้ำหรือกลัวน้ำ

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

ตอนนี้ แทนที่จะเป็นบันได ให้นึกภาพเชือกบิด การบิดเกลียวทำให้เกลียวของเชือกชิดกันโดยเว้นช่องว่างไว้เล็กน้อยระหว่างพวกเขา โมเลกุลดีเอ็นเอจะบิดตัวในทำนองเดียวกันเพื่อลดช่องว่างระหว่างฐานที่ไม่ชอบน้ำด้านใน รูปทรงเกลียวป้องกันไม่ให้น้ำไหลระหว่างกัน และในขณะเดียวกันก็ปล่อยให้อะตอมของส่วนประกอบทางเคมีแต่ละชนิดพอดีกันโดยไม่ทับซ้อนกันหรือรบกวน

ปฏิกิริยาไม่ชอบน้ำของเบสไม่ใช่เหตุการณ์ทางเคมีเพียงอย่างเดียวที่มีอิทธิพลต่อการบิดของดีเอ็นเอ ฐานไนโตรเจนที่อยู่ตรงข้ามกันบนสายสองเส้นของ DNA จะดึงดูดกันและกัน แต่แรงดึงดูดอีกอย่างที่เรียกว่าแรงซ้อนก็มีบทบาทเช่นกัน แรงเรียงซ้อนจะดึงดูดฐานที่อยู่ด้านบนหรือด้านล่างเข้าหากันบนเกลียวเดียวกัน นักวิจัยของมหาวิทยาลัย Duke ได้เรียนรู้โดยการสังเคราะห์โมเลกุลดีเอ็นเอที่ประกอบด้วยเบสเพียงเบสเดียวซึ่งแต่ละเบสออกแรงในการเรียงซ้อนที่แตกต่างกัน ทำให้เกิดรูปร่างเกลียวของดีเอ็นเอ

ในบางกรณี โปรตีนสามารถทำให้ส่วนต่างๆ ของ DNA พันกันแน่นยิ่งขึ้น ทำให้เกิด supercoils ตัวอย่างเช่น เอ็นไซม์ที่ช่วยในการจำลองแบบของ DNA ทำให้เกิดการบิดเพิ่มเติมในขณะที่พวกมันเคลื่อนที่ไปตามสาย DNA นอกจากนี้ โปรตีนที่เรียกว่า 13S condensin ดูเหมือนว่าจะกระตุ้นให้เกิด supercoils ใน DNA ก่อนการแบ่งเซลล์ ซึ่งเป็นผลการศึกษาของ University of California, Berkeley ในปี 2542 นักวิทยาศาสตร์ยังคงทำการวิจัยโปรตีนเหล่านี้ต่อไปโดยหวังว่าจะเข้าใจการบิดเกลียวในเกลียวคู่ของ DNA เพิ่มเติม