Även levande celler har sina egna trassliga problem att lösa. De involverar knutar som uppstår av misstag i DNA och som kan omfatta dess funktionalitet. Forskare föreslår nu att DNA-benägenheten att vara supercoiled, precis som telefonsladdar, förhindrar oavsiktliga knutar. Dessa spolar kan hålla DNA-knutarna på plats tillräckligt länge för att kunna lossas av specialiserade enzymer. Beräkningsstudien, baserat på simuleringar av molekylär dynamik av bakteriellt DNA, har precis publicerats i Nukleinsyraforskning .

Ett trassligt problem

Supercoiled, vriden, och till och med knutna – långt ifrån de eleganta och polerade läroboksbilderna, DNA-filament i levande celler är alla skrynkliga och intrasslade, och att vara funktionell, måste ständigt nystas upp, ungefär som telefonsladdar som samlar på sig irriterande lockar eller superspolar vid slarvig användning. Supercoils finns i DNA, för, och de tros vara instrumentella för att hålla DNA kompakt och exponera eller dölja genetisk information för det cellulära maskineriet som kan bearbeta det, enligt Lucia Coronel och Antonio Suma, unga vetenskapsmän och första författare till denna studie, som koordinerades av Cristian Micheletti.

På samma gång, det har länge varit känt att knutar av misstag kan bildas i DNA, med negativa konsekvenser för cellen. Det som hade förblivit svårfångat fram tills nu var det dynamiska samspelet eller samexistensen på samma DNA-filament av komplexa knutar och supersnurrade regioner. Och det här är vad forskarna vid SISSA ville studera med datorsimuleringar, undersöka konsekvenserna för DNA-strukturen och dess förändring i tid, och om ett sådant samspel kan låsa upp nya funktionella möjligheter. De försökte också förstå hur det efterföljande komplexa beteendet stämmer överens med det som redan är känt om det molekylära underhållet av DNA.

För denna studie, forskarna använde detaljerade och omfattande simuleringar av molekylär dynamik. De märkte först att i supercoiled DNA-ringar, knutar finns sannolikt i en av två positioner - vid toppen av superspolarna eller i ett mer centralt läge. En närmare granskning avslöjade en mer överraskande och oväntad effekt. Coronel och Suma skriver, "Vi studerade DNA-filamentet och noterade att utan superspolar, det knutna området skulle röra sig relativt snabbt längs filamentet. Likaså, supercoiled regioner kan snabbt förändras i knutfritt DNA. Dock, när knutar och supercoiling är närvarande samtidigt, då låses de avgörande kontaktpunkterna i DNA-knutarna på plats, ihärdigt. Och denna oväntade effekt är särskilt intressant eftersom den kan vara nyckeln till en specifik och oväntad biologisk funktionalitet."

Författarna skriver, "Vi vet att levande celler rutinmässigt hanterar DNA-knutar, och vi vet också att dessa former av intrassling vanligtvis är skadliga för biologisk funktionalitet; de kan till exempel förhindra att den genetiska informationen läses och översätts till proteinprodukter. Specifika enzymer ur topoisomerasfamiljen är ansvariga för att dra isär DNA. Deras modus operandi påminner om de effektiva, om inte drastiskt, sätt på vilket Alexander den store löste den ökända gordiska knuten med ett snitt av sitt svärd. Liknande, dessa enzymer knyter upp DNA-filament genom en sofistikerad skärnings- och tätningsverkan."

Det pågår fortfarande en debatt om vilka molekylära mekanismer som kan styra dessa enzymer, som är små jämfört med den typiska skalan för DNA-filament, att ingripa på rätt ställen där deras klipp-och-klistra-åtgärder kan lösa upp knutarna. Författarna drar slutsatsen, "Det har föreslagits att målplatserna känns igen av specifika geometriska egenskaper, vilket är en rimlig och elegant mekanism. Dock, det var oklart hur dessa egenskaper kunde bestå trots den oupphörliga molekylära rörelsen. Vår studie tyder på att DNA-supercoiling kan gynna verkan av topoisomeraser genom att hålla knutar i en stabil konfiguration under en tidsperiod som är mycket längre än andra molekylära omarrangemang. På det här sättet, enzymerna kan ha tillräckligt med tid för att känna igen målställena och, i tur och ordning, deras klipp-och-klistra-åtgärd skulle vara enklare, mer pålitlig och effektiv. Detta är för närvarande en hypotes men, eftersom det har så intressanta konsekvenser, som vi hoppas kan åtgärdas i framtida experiment."