L’esecuzione di scienze all’avanguardia richiede di pensare fuori dagli schemi e di riunire diverse discipline scientifiche. A volte questo significa anche essere nel posto giusto al momento giusto. Per David Brückner, ricercatore post-dottorato e borsista NOMIS presso ISTA, tutte le cose sopra menzionate sono diventate effettive quando ha assistito a una conferenza nel campus del professor Thomas Gregor dell’Università di Princeton. Ispirato dal discorso, Brückner ha proposto un’idea: interpretare fisicamente i set di dati specifici presentati da Gregor. Ora, i risultati della loro collaborazione sono pubblicati in Scienza. Evidenziano il movimento stocastico (casuale) di due specifici elementi genici su un cromosoma, che devono entrare in contatto affinché il gene diventi attivo nello spazio 3D.
Come il DNA si inserisce nel nucleo di una cellula
Gli organismi viventi come gli umani sono costruiti su geni immagazzinati nel DNA, il nostro progetto molecolare. Il DNA è un polimero, un’enorme molecola di singole parti più piccole (monomeri). Si trova nel nucleo di ogni cellula. “A seconda dell’organismo, il polimero del DNA può essere lungo fino a metri, ma la dimensione del nucleo è dell’ordine dei micron”, spiega Brückner. Per adattarsi al minuscolo nucleo, il DNA viene compattato avvolgendolo come su una bobina e ulteriormente compresso nella ben nota forma dei cromosomi, che tutti abbiamo incontrato in un libro di testo di biologia.
“Nonostante siano fortemente condensati, i cromosomi non sono statici; si muovono continuamente”, continua il fisico. Queste dinamiche sono molto importanti. Ogni volta che un gene specifico deve essere attivato, due regioni del polimero chiamate “potenziatore” e “promotore” devono entrare in stretto contatto e legarsi l’una all’altra. Solo quando ciò accade, un macchinario cellulare legge le informazioni del gene e forma la molecola di RNA, che alla fine dà origine a proteine essenziali per tutti i processi richiesti da un organismo vivente.
A seconda dell’organismo, l’enhancer e il promotore possono essere piuttosto distanti l’uno dall’altro sul cromosoma. “Con i metodi utilizzati in precedenza, era possibile ottenere una visione statica della distanza tra questi elementi, ma non di come il sistema si evolve nel tempo”, spiega Brückner. Incuriositi da queste informazioni mancanti, gli scienziati hanno deciso di dare uno sguardo dinamico a come questi elementi sono organizzati e come si muovono nello spazio 3D in tempo reale.
Visualizzazione delle regioni geniche
Per raggiungere questo obiettivo, gli scienziati sperimentali di Princeton hanno stabilito un metodo per tracciare questi due elementi del DNA per un certo periodo di tempo in un embrione di mosca. Attraverso la manipolazione genetica, gli elementi del DNA sono stati etichettati in modo fluorescente, con la regione del potenziatore illuminata in verde e il promotore in blu. Utilizzando l’imaging dal vivo (microscopia time-lapse di cellule viventi) gli scienziati sono stati in grado di visualizzare i punti fluorescenti negli embrioni di mosca per vedere come si muovevano per trovarsi l’un l’altro.
Una volta che i due punti si sono avvicinati, il gene è stato attivato e si è accesa un’ulteriore luce rossa poiché anche l’RNA è stato contrassegnato con fluorofori rossi. Brückner aggiunge con entusiasmo: “Abbiamo avuto una lettura visiva di quando il potenziatore e il promotore sono entrati in contatto. Questo ci ha fornito molte informazioni sulle loro traiettorie”.
Il DNA è densamente imballato e mostra un movimento rapido
La sfida quindi era come analizzare questo enorme set di dati di movimento stocastico. Il suo background in fisica teorica ha permesso a Brückner di estrarre statistiche per comprendere il comportamento tipico del sistema. Ha applicato due modelli fisici diversi e semplificati per tagliare i dati.
Uno era il modello Rouse. Assume che ogni monomero del polimero sia una molla elastica. Prevede una struttura sciolta e una rapida diffusione: un movimento casuale, in cui occasionalmente le regioni geniche si incontrano. L’altro modello è chiamato “globulo frattale”. Prevede una struttura molto compatta e quindi una diffusione lenta. “Sorprendentemente, abbiamo scoperto nei dati che il sistema è descritto da una combinazione di questi due modelli: una struttura altamente densa che ci si aspetterebbe basata sul modello del globulo frattale e la diffusione descritta dalle statistiche del modello di Rouse”. Brückner spiega.
A causa della combinazione di impaccamento denso e movimento veloce, il legame di queste due regioni geniche dipende molto meno dalla loro distanza lungo il cromosoma di quanto previsto in precedenza. “Se un tale sistema è sempre in uno stato fluido e dinamico, la comunicazione a lunga distanza è molto meglio di quanto avremmo potuto pensare”, aggiunge Brückner.
Questo studio riunisce i mondi della biologia e della fisica. Per i fisici è interessante, perché gli scienziati hanno testato la dinamica di un sistema biologico complesso con teorie fisiche che esistono da molto tempo; e per i biologi, fornisce approfondimenti sulle caratteristiche di un cromosoma, che potrebbero aiutare a comprendere l’interazione genica e l’attivazione genica in modo più dettagliato.
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