O LEGE UNIVERSALĂ EXPLICA MIȘCAREA CHAOTICĂ A CHROMOSOMELOR
Un set de cercetători de la Institutul de Știință și Tehnologie Skolkovo, Universitatea din Potsdam și Institutul de Tehnologie din Massachusetts a făcut o descoperire revoluționară: o lege fizică fundamentală guvernează mișcarea aparent haotică a cromozomilor în interiorul celulelor vii. Această descoperire reprezintă o soluție la o problemă biologică de lungă durată legată de modul în care moleculele de ADN, de două metri lungime, ce sunt comprimate în cromozomi densi, reușesc să rămână suficient de mobile pentru a permite procese esențiale, precum activarea sau dezactivarea genelor.
Rezultatele cercetării au fost publicate în revista Physical Review Research. Un paradox a existat de mult timp: pe de o parte, analizele întregului genoma au arătat că un cromozom din nucleul celular este organizat nu într-un coil liber, ci într-o structură densă numită „globul fractal”, compactă și aproape imobilă. Pe de altă parte, observațiile directe ale celulelor vii au demonstrat că secțiuni individuale ale cromozomilor se mișcă activ și rapid. Oamenii de știință nu puteau explica cum o astfel de globula densă poate fi atât de dinamică și, în același timp, să faciliteze reglarea rapidă și eficientă a genelor.
„Am dezvoltat un model statistic fizic care arată că mișcarea secțiunilor cromozomului, ca lanțuri polimerice lungi, respectă o lege fizică universală, independentă de detalii minore ale structurii lor,” a comentat autorul principal al studiului, Kirill Polovnikov, profesor asistent la Centrul Neuro Skoltech.
Acesta a continuat: „Cheia soluției stă în a considera nu mișcarea punctiformă, ci mișcarea colectivă a întregilor segmente de ADN. Se dovedește că abilitatea unui gen pe un cromozom de a se deplasa ca un întreg (adică coeficientul de difuzie al centrului său de masă) este invers proporțională cu numărul de litere din secvența sa de nucleotide.” Aceasta constituie un principiu universal al lanțurilor polimerice, valabil atât în echilibru termodinamic, cât și în condiții de activitate celulară, fiind legat fundamental de a treia lege a lui Newton.
Prin analizarea simultană a două marcatori pe un cromozom, cercetătorii au reușit să izoleze semnalul corespunzător specific mișcării colective. Calculul a arătat că dinamica colectivă a cromozomilor în celule nu este la fel de rapidă pe cât apare atunci când se observă puncte individuale. Parametrul extras, care caracterizează această mobilitate colectivă, a fost de 0.77, iar acest număr este mai mic decât cel prezis de cel mai simplu model, corespunzând teoriilor care consideră cromozomul ca un polimer compact cu constrângeri topologice — însemnând că firele de ADN nu pot trece liber unele prin altele, încurcându-se într-un glob complex.
Cercetătorii au reușit să rezolve aparentele contradicții: cromozomul este cu adevărat un glob strâns, dar pentru secvențe genice scurte și intervale de timp, segmentele sale pot manifesta un comportament dinamic până când se ciocnesc de constrângerile topologice ale propriului lor complex structural.
Modelul prezice, de asemenea, că dacă condițiile termodinamice se schimbă brusc, așa cum se întâmplă în timpul tranzițiilor între etapele ciclului celular (inclusiv înainte de diviziunea celulară), apar corelații pe distanțe lungi între segmentele lanțurilor polimerice, decăzând conform aceleași legi universale. Acest efect, prezis teoretic și confirmat prin simulări pe calculator, este un marker al sistemului scos din echilibru și confirmă în continuare rolul mișcării colective în dinamica cromozomilor.
Polovnikov a adăugat: „Acum, urmărind experimental doar două puncte de referință pe o secțiune a unui cromozom (de exemplu, un gen), putem obține informații despre dinamica sa colectivă și structura complexă tridimensională a genului în ansamblu. Aceasta nu doar că aprofundează înțelegerea noastră asupra principiilor fundamentale ale organizării genomului, ci și dezvăluie legile fizice universale care guvernează comportamentul diferitelor sisteme polimerice în condiții departe de echilibru.”
Mai multe informații pe această temă pot fi găsite în articolul lui Kirill E. Polovnikov și colaboratorii, „Universal center-of-mass scaling shapes segment fluctuations and chromatin dynamics”, publicat în revista Physical Review Research.
