En créant une représentation plus vraie à la vie de l'environnement de l'ADN, les chercheurs de la Northwestern University ont découvert que la séparation des brins – le processus essentiel qu'une double hélice « au repos » subit avant de pouvoir initier une réplication ou effectuer des réparations – peut prendre plus de force mécanique que le domaine ne le pensait précédemment.
La plupart des laboratoires de biochimie qui étudient l'ADN l'isolent dans une solution à base d'eau qui permet aux scientifiques de manipuler l'ADN sans interagir avec d'autres molécules. Ils ont également tendance à utiliser la chaleur pour séparer les brins, chauffant l'ADN à plus de 150 degrés Fahrenheit, une température qu'une cellule n'atteindrait jamais naturellement. En revanche, dans une cellule vivante, l'ADN vit dans un environnement très encombré, et les protéines spéciales se fixent à l'ADN pour détendre mécaniquement la double hélice, puis la séparer.
L'intérieur de la cellule est super encombré de molécules, et la plupart des expériences de biochimie sont super branchées. Vous pouvez considérer les molécules supplémentaires comme des balles de billard. Ils battent contre l'ADN Double Helix et l'empêchent d'ouvrir. «
John Marko, professeur, Northwestern University
Marko, professeur de biosciences moléculaires ainsi que de la physique du Weinberg College of Arts and Sciences du Nord-Ouest, a mené la recherche avec le chercheur post-doctoral du Nord-Ouest Parth Desai. Dans le laboratoire de Marko, pour leurs expériences, lui et Desai utilisent des pincettes magnétiques microscopiques pour séparer l'ADN, puis en fixer soigneusement des brins à des surfaces à une extrémité, et de minuscules particules magnétiques de l'autre, puis effectuer une imagerie de haute technologie. La technologie existe depuis 25 ans, et Marko a été l'un des premiers chercheurs en théorisant puis en l'utilisant.
Marko et Desai ont écrit l'article qui non seulement identifie mais quantifie la quantité de stress imposée par la surpeuplement, qui sera publiée le 17 juin dans la revue biophysique.
Desai a introduit trois types de molécules à la solution tenant l'ADN pour imiter les protéines et étudié les interactions entre le glycérol, l'éthylène glycol et le polyéthylène glycol (chacune approximativement de la taille d'une double hélice d'ADN, deux ou trois nanomètres).
« Nous voulions avoir une grande variété de molécules où certains provoquent une déshydratation, déstabilisant l'ADN mécaniquement, puis d'autres qui stabilisent l'ADN », a déclaré Desai. « Ce n'est pas exactement analogue aux choses trouvées dans les cellules, mais vous pouvez imaginer que d'autres protéines concurrentes dans les cellules auront un effet similaire. S'ils rivalisent pour l'eau, par exemple, ils déshydrateraient l'ADN, et s'ils ne concurrenceraient pas l'eau, ils entraveraient l'ADN et auraient cet effet entropique. »
Bien que fondamentaux, des recherches comme celle-ci ont « été la base pour beaucoup, de nombreux avancées médicales », a déclaré Marko, comme le séquençage profond de l'ADN, où les scientifiques peuvent désormais séquencer un génome humain entier en moins d'une journée. Il pense également que leurs résultats peuvent être largement applicables à d'autres éléments des processus biochimiques fondamentaux.
« Si cela affecte la séparation des brins d'ADN, toutes les interactions protéiques avec l'ADN seront également affectées », a déclaré Marko. « Par exemple, la tendance des protéines à s'en tenir à des sites spécifiques sur l'ADN et à contrôler des processus spécifiques – cela va également être modifié par la surpeuplement. »
En plus d'exécuter plus d'expériences qui incorporent plusieurs agents de surpeuplement, l'équipe espère se rapprocher d'une véritable représentation d'une cellule, et à partir de là, d'étudier comment les interactions entre les enzymes et l'ADN sont affectées par la foule.
Ce travail a été soutenu par les National Institutes of Health (Grant R01-GM105847) et par le sous-traitance du Centre de la structure 3D de l'Université du Massachusetts pour la structure 3D du génome (en vertu de la subvention NIH UM1-HG011536).
