Per i biologi di tutto il mondo, il 25 aprile è di buon auspicio. È il giorno del DNA e commemora la data del 1953 quando gli scienziati Francis Crick, Rosalind Franklin, James Watson e Maurice Wilkins pubblicarono articoli scientifici seminali che descrivevano la struttura elicoidale della molecola di DNA. Nel 2003, il 25 aprile è stato utilizzato per annunciare il completamento del Progetto genoma umano. Ora le festività annuali in questo giorno celebrano la molecola della vita con nuove scoperte. Quale momento migliore per fornire una nuova immagine del DNA.
Sono DNA DAVE (o almeno la mia targa dal 1984 lo dice), e una delle cose che il mio laboratorio ama fare è "vedere" il DNA. Prendiamo immagini del DNA in modo da poter misurare direttamente le cose che sono difficili da quantificare usando metodi indiretti che di solito comportano il sequenziamento delle quattro unità chimiche del DNA, chiamate basi.
La prima immagine rivelatrice del DNA presa usando la diffrazione di raggi X. (Raymond Gosling / King's College London) Ad esempio, vorrei sapere da dove inizia il processo di replicazione del DNA su ciascun cromosoma. La duplicazione senza errori del DNA è essenziale per la produzione di cellule sane. Quando questo processo è incompleto o interrotto, il risultato può causare il cancro e altre malattie.
A nostra immagine, la familiare scala a doppia elica non è visibile perché questa prospettiva viene ingrandita, come se si guardasse la mappa di un paese contro una città. Inoltre, ciascuna di queste molecole equivale a 50.000 giri della scala elicoidale, un segmento sostanziale di un cromosoma umano.
Fare una mappa del DNA
Questa immagine, presa con un dispositivo chiamato Imager Saphyr Bionano Genomics, presenta singole molecole di DNA - colorate in blu, verde e rosso. Questi filamenti di DNA sono stati allineati facendoli passare attraverso sottili tubi - chiamati nanochannel - che si adattano a un solo pezzo di DNA. Mentre il DNA scivola nel tubo, i fili si raddrizzano.
L'intera molecola di DNA è di colore blu e i segni di spunta verdi sono punti di riferimento - o sequenze specifiche di DNA che si verificano in media ogni 4.500 coppie di basi. Lo schema dei punti di riferimento fornisce un'impronta digitale unica che ci dice dove siamo lungo la lunghezza di un cromosoma. I blip fluorescenti rossi contrassegnano le posizioni in cui il DNA ha iniziato a replicarsi. Questi siti sono chiamati "origini della replicazione" e sono i luoghi in cui il DNA si svolge per la prima volta in modo che possa iniziare il processo di duplicazione.
I ricercatori della Bionano Genomics di San Diego hanno sviluppato questa tecnologia a nanocanale per tracciare grafici di regioni di cromosomi altrimenti non mappabili, a causa di complicate sequenze genetiche che rendono difficile determinare l'ordine delle quattro basi. Questo dispositivo ha risolto il problema "osservando" la disposizione delle sequenze su una molecola alla volta ed è in grado di leggere 30 miliardi di paia di basi in un'ora, l'equivalente di 10 genomi umani.
Il mio team e quello di Nick Rhind dell'Università del Massachusetts hanno riconosciuto che questa tecnologia a nanocanale ci avrebbe permesso di condurre un esperimento mai tentato prima: mappare tutte le posizioni in cui la replicazione del DNA inizia simultaneamente su milioni di singole fibre di DNA.
Prima che una cellula possa dividersi in due cellule indipendenti, il DNA deve fare una copia di se stesso in modo che ognuno riceva un set completo di cromosomi. Per capire come viene duplicato il materiale genetico, è essenziale sapere da dove inizia il processo lungo il cromosoma. Questa è stata la più grande sfida per studiare come avviene la replicazione dei nostri cromosomi e di conseguenza cosa non va in così tante malattie, come il cancro, in cui la replicazione va storta.
Replicazione e cancro del DNA
Ogni volta che una cellula divide la doppia elica del DNA deve duplicarsi per fornire una copia delle istruzioni genetiche ad entrambe le cellule. (Soleil Nordic / Shutterstock.com) Le origini della replicazione sono state elusive perché si verificano in molti siti su molecole diverse, quindi è necessario esaminare singole molecole di DNA per rilevarle. Sebbene gli scienziati siano stati in grado di vedere singole molecole di DNA sin dai primi anni '60, non siamo riusciti a capire da dove nei cromosomi provenisse qualsiasi molecola, quindi non abbiamo potuto mappare nulla.
Kyle Klein, un Ph.D. studente nel mio laboratorio, ha etichettato le cellule staminali umane viventi con molecole fluorescenti rosse che indicavano i luoghi in cui si stava verificando la replicazione del DNA, che erano mappate con il dispositivo Bionano. Queste immagini sono state quindi sovrapposte alle mappe del DNA blu e verde delle stesse molecole di DNA.
Ci aspettiamo che questo metodo trasformi completamente la nostra comprensione di come si replicano i cromosomi umani. Inoltre, poiché la maggior parte dei farmaci chemioterapici per il trattamento del cancro e la maggior parte delle sostanze cancerogene - o sostanze chimiche che causano il cancro - nel nostro ambiente funzionano attaccando il DNA quando si replica, ci aspettiamo che questo metodo fornisca un test rapido e completo su come queste sostanze chimiche interrompono la replicazione del DNA. Speriamo anche che sveli come possiamo alleviare queste conseguenze negative e come possiamo sviluppare trattamenti di chemioterapia migliori e meno tossici.
Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation.
David M. Gilbert, professore di biologia molecolare, Florida State University
