Den sagolika berömmelsens Guldlock visste något om gröt. Det behövde vara precis rätt – varken för varmt eller för kallt. Samma med möbler – varken för hårda eller för mjuka. I ett annat sammanhang, forskare vid UC San Diego vet något om DNA. De vet att strängarna i vår genetiska kod, om den förlängs, skulle mäta två meter, eller ungefär sex fot. De vet också att strängarna viker sig in i och rör sig inom cellkärnan som är ungefär en hundradels millimeter. Men de vet inte hur och i vilket tillstånd detta inträffar, så de bestämde sig för att kolla.

Inspirerad av idéer från fasövergångars fysik och polymerfysik, forskare vid avdelningarna för fysikaliska och biologiska vetenskaper vid UC San Diego bestämde sig specifikt för att bestämma organisationen av DNA inuti kärnan i en levande cell. Resultaten av deras studie, nyligen publicerad i Naturkommunikation , tyder på att fastillståndet för det genomiska DNA:t är "precis rätt" - en gel som står vid fasgränsen mellan gel och sol, fast-vätskefasövergången.

Tänk på pudding, pannacotta — eller till och med gröt. Konsistensen på dessa läckerheter måste vara precis lagom för att avnjutas perfekt. Precis som "sol-gel" fasövergången, enligt forskarna, verkar helt rätt för att förklara tidpunkten för genomiska interaktioner som dikterar genuttryck och somatisk rekombination.

"Detta fynd pekar på en allmän fysisk princip för kromosomorganisation, som har viktiga konsekvenser för många nyckelprocesser inom biologi, från antikroppsproduktion till vävnadsdifferentiering, sa Olga Dudko, en teoretisk biofysiker och professor vid institutionen för fysik vid UC San Diego, som samarbetade med kollegan Cornelis Murre, en framstående professor vid sektionen för molekylärbiologi, på studien.

Tillsammans med Dudkos tidigare doktorand Yaojun Zhang, nu postdoktor vid Princeton, och Murres postdoktor Nimish Khanna, teamet samlade in och analyserade data om DNA-rörelse inuti levande däggdjurs B-celler från möss för att förstå hur avlägsna genomiska interaktioner genererar en mångsidig pool av antikroppar av det adaptiva immunsystemet.

Hos däggdjur, som gnagare och människor, immunglobingensegment är ordnade i grupper av variabla (V), mångfald (D) och sammanfogande (J) segment. Dessa V, D- och J-segment kombineras slumpmässigt genom processen med somatisk rekombination. Detta sker före antigenkontakt och under B-cellsutveckling i immunsystemets lymfoida vävnad, eller benmärg. Dessa slumpmässiga genetiska interaktioner resulterar i olika proteinkoder som matchar antigener som aktiverar lymfocyter.

Forskarna undersökte de olika interaktionerna mellan V- och DJ-gensegmenten. Även om exakt hur dessa interaktioner inträffar är fortfarande okänt, forskarna från UC San Diego utvecklade en strategi för att spåra V- och DJ-rörelser i B-lymfocyter. De fann att V- och DJ-segment var fångade i konfigurationer som endast tillät lokal rörelse – med andra ord, segmenten förblev rumsligt proximala om de initialt var nära eller de förblev separata om de initialt var rumsligt avlägsna. Forskarna observerade också, inom en delmängd av celler, plötsliga förändringar i V- och DJ-rörelser, troligtvis orsakad av tidsmässiga förändringar i kromatin.

Genom att jämföra experimentella och simulerade data, forskarna drog slutsatsen att begränsad rörelse påtvingas av ett nätverk av tvärbundna kromatinkedjor, eller ett nät av broar mellan DNA-strängarna som är karakteristiska för en gelfas. Än, mängden av dessa tvärbindningar är "precis lagom" för att balansera DNA:t nära solfasen - en flytande fas som beskriver en lösning av icke tvärbundna kedjor.

Detta mönster föreslog forskarna att en viss organisatorisk princip för genomiskt DNA existerar - närhet till sol-gel-fasövergången - vilket förklarar hur genomet samtidigt kan ha stabilitet och lyhördhet i kärnan.

Dessa resultat indikerar att packningsmönstret av DNA i en cells kärna har konsekvenser för en cells öde – oavsett om den blir en levande eller sjuk cell.

"Vi har rigorösa teorier från fysiken—abstrakta principer och matematiska ekvationer. Vi har toppmoderna experiment på biologi—innovativ spårning av gensegment i levande däggdjurscellkärnor, ", konstaterade Zhang. "Det förvånar och upphetsar mig verkligen när de två aspekterna smälter samman till en berättelse, där fysiken inte bara är ett verktyg för att beskriva dynamiken i gensegment, men hjälper till att fastställa genomets fysiska tillstånd, och ytterligare belyser inverkan av de fysiska egenskaperna hos detta tillstånd på dess biologiska funktion."