Ljudski hromozomi su dugi polimerni lanci koji čuvaju genetske informacije. Jezgro svake ćelije sadrži ceo ljudski genom (DNK) kodiran na 46 hromozoma ukupne dužine oko 2 metra. Da bi se uklopili u mikroskopsko ćelijsko jezgro i istovremeno obezbedili stalan pristup genetskim informacijama, hromozomi se savijaju u jezgru na poseban, unapred određen način. Preklapanje DNK je hitan zadatak na preseku fizike polimera i sistemske biologije.
Pre nekoliko godina, kao jedan od mehanizama savijanja hromozoma, istraživači su izneli hipotezu o aktivnom ekstruziji petlji na hromozomima pomoću molekularnih motora. Iako je demonstrirana sposobnost motora da ekstrudiraju DNK in vitro, posmatranje petlji u živoj ćeliji eksperimentalno je tehnički veoma težak, gotovo nemoguć zadatak.
Tim naučnika iz Skolteha, MIT-a i drugih vodećih naučnih organizacija u Rusiji i SAD predstavio je fizički model polimera presavijenog u petlje. Analitičko rešenje ovog modela omogućilo je naučnicima da reprodukuju univerzalne karakteristike pakovanja hromozoma na osnovu eksperimentalnih podataka — slika prikazuje krivu derivata pik-dip verovatnoće kontakta.
Teorijski rad će omogućiti istraživačima da shvate kako ekstruzija petlje utiče na biofizička svojstva hromozoma i izvuku parametre ovih petlji iz eksperimentalnih podataka. Članak je objavljen u Phisical Reviev X.
„Ekstruzija petlji pomoću motora, kao što je to često slučaj u biologiji, je nasumična – one se stalno formiraju i nestaju. Ovo, posebno, objašnjava zašto je njihovo eksperimentalno otkrivanje u jednoj živoj ćeliji tako teško. Zauzeli smo drugačiji pristup. Razvili smo fizičku teoriju koja pokazuje kako će nasumično raspoređene petlje na polimeru uticati na prostornu organizaciju polimera. Zatim smo analizirali eksperimentalne podatke o prostornom pakovanju hromozoma dobijene na milijardama živih ćelija i tamo pronašli iste statističke karakteristike“, kaže Kiril Polovnikov, glavni autor studije, docent i šef istraživačke grupe u Skoltehu.
Razvijena teorija je omogućila određivanje tipične veličine hromozomskih petlji i njihove gustine. Pored toga, autori su otkrili novi topološki efekat povezan sa petljama. Kada se petlje istiskuju, kičma lanca se skraćuje, međutim, ona se proteže u trodimenzionalnom prostoru zbog takozvanog efekta „razblaživanja zapleta“ u polimernom sistemu.
Naučnici su razvili analitički model ovog efekta i takođe potvrdili svoje rezultate u kompjuterskim simulacijama. Teorija pomaže da se identifikuju i karakterišu hromozomske petlje koristeći eksperimentalne podatke i menja naše razumevanje topološke organizacije hromozoma u živoj ćeliji.
„Baš kao što astrofizičari pronalaze nove egzoplanete smanjenjem sjaja matične zvezde tokom prolaska planete, naša teorija nudi alat za otkrivanje ‘tragova’ petlji u genomskim podacima. Iznenađujuće, identifikovane karakteristike se ispostavljaju kao biti univerzalan ne samo za ljude, već i za ćelije drugih organizama. Po svemu sudeći, savijanje hromozoma u petlje je jedan od najopštijih principa prostorne organizacije DNK“, dodaje Polovnikov.
