Uz treptaj svetla, istraživači su pronašli način da preurede osnovnu tapiseriju života, savijajući lance DNK nazad na sebe kako bi otkrili materijalnu prirodu genoma.
Naučnici su dugo raspravljali o fizici hromozoma – strukturama u najdubljoj unutrašnjosti ćelije koje su napravljene od dugih DNK lanaca čvrsto namotanih oko miliona proteina. Da li se više ponašaju kao tečnost, čvrsta supstanca ili nešto između?
Veliki napredak u razumevanju i lečenju bolesti zavisi od odgovora.
Tim sa Prinstona je sada razvio način da ispita hromozome i kvantifikuje njihove mehaničke osobine: koliko je sile potrebno da se delovi pomeraju i koliko dobro se vraćaju u prvobitni položaj.
Odgovor na materijalno pitanje, prema njihovim nalazima, je da se na neki način hromozom ponaša kao elastični materijal, a na drugi se ponaša kao tečnost. Koristeći taj uvid u preciznim detaljima, tim je bio u mogućnosti da fizički manipuliše DNK na nove i precizno kontrolisane načine.
Svoje nalaze su objavili u časopisu Cell 20. avgusta.
„Ono što se ovde dešava je zaista neverovatno“, rekao je Klif Brangvin, profesor hemijskog i biološkog inženjerstva iz juna K. Vu ’92, direktor Instituta za bioinženjering Omenn-Darling u Prinstonu i glavni istraživač studije. „U suštini, mi smo kapljice pretvorili u male prste koji čupaju genomske žice unutar živih ćelija.“
Ključ nove metode leži u sposobnosti istraživača da generišu sitne kapljice nalik tečnosti unutar jezgra ćelije. Kapljice se formiraju kao ulje u vodi i postaju veće kada su izložene određenoj talasnoj dužini plave svetlosti.
Pošto se kapljice iniciraju na programabilnom proteinu – modifikovanoj verziji proteina koji se koristi u alatu za uređivanje gena poznatom kao CRISPR – one takođe mogu da prikače kapljicu na DNK na preciznim lokacijama, ciljajući gene od interesa.
Svojom sposobnošću da kontrolišu ovaj proces pomoću svetlosti, tim je pronašao način da uzgaja dve kapljice zaglavljene u različitim sekvencama, spoji dve kapljice zajedno i konačno smanji nastalu kapljicu, povlačeći gene zajedno kako se kapljica povlači. Ceo proces traje oko 10 minuta.
Prema istraživačima, fizičko repozicioniranje DNK na ovaj način predstavlja potpuno novi pravac za inženjering ćelija za poboljšanje zdravlja i može dovesti do novih tretmana za bolesti. Na primer, pokazali su da mogu da povuku dva udaljena gena jedan prema drugom dok se geni ne dodirnu.
Utvrđena teorija predviđa da bi ovo moglo dovesti do veće kontrole nad ekspresijom gena ili regulacijom gena – najosnovnijim životnim procesima.
Molekul DNK je strukturiran kao dugačak dvostruki lanac. U živim ćelijama, ovaj dugačak lanac je omotan oko specijalizovanih proteina da bi se formirao materijal koji se zove hromatin, koji se zauzvrat namotava na sebe da bi formirao strukture koje poznajemo kao hromozomi.
Ako se razmotaju i rastegnu od kraja do kraja, svi nečiji hromozomi bi bili dugački oko šest i po stopa. Ljudske ćelije moraju da uklope 23 para ovih hromozoma, koji se zajednički nazivaju genom, u jezgro svake ćelije. Otuda potreba za čvrstim namotavanjem.
Pošto je DNK i nosilac informacija i fizički molekul, ćelija treba da razvije čvrsto smotane delove DNK da bi kopirala svoje informacije i napravila proteine. Oblasti duž genoma za koje postoji veća verovatnoća da će biti izražene su manje rigidne fizički i lakše se otvaraju. Područja koja su utišana su fizički više namotana i kompaktnija, pa je stoga ćeliji teže da se otvori i pročita. Kao uputstvo za upotrebu koje se neke stranice otvara lakše nego druge.
Istraživački tim, uključujući postdoktorandu Ejmi R. Strom i nedavno diplomirala doktora nauka. student Ioonji Kim, okrenuo se mrvicama tečnosti poznate kao kondenzati da bi obavio posao savijanja lanaca DNK i njihovog pomeranja.
Dok su neke ćelijske komponente poznate nauci kao mehurići od sapuna, sa posebnom membranom koja drži unutrašnjost odvojenom od spolja, kondenzati su kapljice nalik tečnosti koje se spajaju više kao kapi kiše, bez membrane koja ih drži zajedno. Nakon formiranja i izvršavanja ćelijske funkcije, mogu se raspasti i ponovo raspršiti.
Da bi detaljnije proučili hromatin, Strom i Kim su se oslanjali na prethodna istraživanja iz laboratorije Brangvinne koja su konstruisala kondenzate iz bioloških molekula u ćeliji koristeći lasersko svetlo za stvaranje i spajanje kapljica zajedno.
U ovom novom radu, oni su koristili dodatnu komponentu koja pričvršćuje kondenzat na određene lokacije na lancima DNK i usmerava njihovo kretanje brzo i precizno preko sila posredovanih površinskim naponom, takođe poznatih kao kapilarne sile, za koje su istraživači sa Prinstona sugerisali da bi mogle biti sveprisutne u životu. ćelije.
Ranije se ovakvo kretanje DNK oslanjalo na nasumične interakcije u periodu od nekoliko sati ili čak dana.
„Nismo ranije mogli da imamo ovu preciznu kontrolu nad nuklearnom organizacijom u tako brzim vremenskim okvirima“, rekao je Brangvin.
Sada kada mogu da pomeraju niti na ovaj kontrolisan način, mogu početi da gledaju da li su geni na njihovim novim pozicijama drugačije izraženi. Ovo je potencijalno važno za unapređenje našeg razumevanja fizičkih mehanizama i nauke o materijalu ekspresije gena.
Strom je rekao da su naučnici posmatrali krutost jezgra tako što su ga bockali spolja i izmerili celo jezgro. Naučnici takođe mogu da pogledaju jedan gen i vide da li je uključen ili isključen. Ali prostor između nije dobro shvaćen.
„Možemo da koristimo ovu tehnologiju da napravimo mapu šta se tamo dešava i bolje razumemo kada su stvari neorganizovane kao kod raka“, rekao je Strom.
Ovaj novi alat je spreman da pomogne istraživačima da bolje razumeju ekspresiju gena, ali nije namenjen za uređivanje DNK. „Naš alat zapravo ne cepa DNK sekvence kao što to čini CRISPR“, rekao je Kim.
„CRISPR je zaista dobar za bolesti koje su povezane sa potrebom da se preseče i zapravo promeni sekvenca DNK“, rekao je Strom. Ova tehnologija bi mogla da funkcioniše za drugu klasu bolesti, posebno za one povezane sa neravnotežom proteina kao što je rak.
„Ako možemo da kontrolišemo količinu ekspresije repozicioniranjem gena“, rekao je Strom, „postoji potencijalna budućnost za nešto poput našeg alata.“
