Της Ζωής Φουρκιώτη,
Το “DNA breathing”, ή αλλιώς η αναπνοή του DNA, είναι η ενδιαφέρουσα δυναμική φύση του βιολογικού μακρομορίου της ζωής. Πρόκειται, ουσιαστικά, για τη διαδικασία κατά την οποία η διπλή έλικα ανοιγοκλείνει σε συγκεκριμένα σημεία της. Σχετίζεται, μάλιστα, άμεσα με την ετερογένεια της σταθερότητας της διπλής έλικας σε ορισμένες θερμοκρασίες και επιτρέπει στις μακρομοριακές μηχανές (πρωτεΐνες) να αποκτούν πρόσβαση στο εσωτερικό της δομής αυτής, ώστε εντέλει να διαβάζουν την αλληλουχία της. Όλα τα παραπάνω καθιστούν την εν λόγω διαδικασία σπουδαία για το φαινόμενο της ζωής!
Ας κάνουμε, καταρχάς, μια μικρή εισαγωγή στη δομή και τη λειτουργία της διπλής έλικας. Το DNA (δεοξυριβονουκλεικό οξύ) αποτελείται από δύο αλυσίδες οι οποίες περιελίσσονται η μία γύρω από την άλλη, σχηματίζοντας μια διπλή έλικα. Η δομή αυτή έχει μια υδρόφιλη ραχοκοκαλιά στο εξωτερικό της και έναν υδρόφοβο πυρήνα στο εσωτερικό της όπου στοιβάζονται ζεύγη αζωτούχων βάσεων (δομικά συστατικά των νουκλεοτιδίων) τα οποία συνδέονται με δεσμούς υδρογόνου (αδενίνη μόνο με θυμίνη με δύο δεσμούς, και γουανίνη μόνο με κυτοσίνη με τρεις δεσμούς). Η γενετική πληροφορία μεταφέρεται, έπειτα, από το DNA στο RNA, μέσω της μεταγραφής και στη συνέχεια από το RNA στις πρωτεΐνες, με τη διαδικασία της μετάφρασης. Αυτή η ροή πληροφοριών συνιστά τον τρόπο μέσω του οποίου τα κύτταρα χρησιμοποιούν τις γενετικές οδηγίες για να δημιουργήσουν πρωτεΐνες, οι οποίες είναι απαραίτητες για τη λειτουργία του οργανισμού. Αξίζει να καταστεί αντιληπτό πως σε όλες αυτές τις διαδικασίες εμπλέκονται πρωτεΐνες (γνωρίζω πως αυτή τη στιγμή θα αναρωτιέστε το αιώνια αναπάντητο ερώτημα: «η κότα έκανε το αυγό ή το αυγό την κότα;», άλλα αυτό αποτελεί, αγαπητοί μου, ένα ερώτημα προς συζήτηση σε κάποιο επόμενό μου κείμενο). Οι πρωτεΐνες αυτές, ωστόσο, πρέπει να προσπελάσουν το εμπόδιο της ύπαρξης της πληροφορίας που χρειάζονται στο προστατευμένο εσωτερικό του DNA. Πώς, λοιπόν, λύνεται αυτό το πρόβλημα; Μα φυσικά, με την αναπνοή του!
Ευτυχώς, τόσο για την/τον αναγνώστρια/αναγνώστη, όσο και για τη συντάκτρια του εν λόγω άρθρου, δεν θα μπούμε στα εξειδικευμένα και περίπλοκα μονοπάτια της φυσικής πίσω από το φαινόμενο αυτό. Εκείνο που είναι μείζονος σημασίας να κατανοήσουμε είναι το εξής: όλα σχετίζονται με τη θερμική δυναμική κίνηση των δύο αλυσίδων του DNA. Λόγω της θερμικής κίνησης των ατόμων και της ενέργειας του περιβάλλοντος, τα νουκλεοτίδια μπορούν να αλληλεπιδρούν δυναμικά, προκαλώντας την τοπική αποπεριέλιξη της δομής αυτής. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μικρές περιοχές του DNA να ανοίγουν για σύντομα χρονικά διαστήματα.
Οι ερευνητές, μέσα από μελέτες τους τα τελευταία 50 χρόνια, προσπαθούν να κατανοήσουν την επίδραση διάφορων παραγόντων στον μηχανισμό αυτό. Έναν μηχανισμό που καταδεικνύει πως μέχρι και οι πιο μικροσκοπικές και θεωρητικά ασήμαντες διεργασίες έχουν μακροσκοπικό αντίκτυπο. Παρά την φαινομενική απλότητά της, η αναπνοή του DNA επηρεάζεται με σύνθετο τρόπο από την αλλαγή της θερμοκρασίας, τη χημική σύσταση του διαλύματος και τη μηχανική τάση που εν δυνάμει ασκείται στον δομικό λίθο της ζωής. Οι προαναφερθέντες παράγοντες επιδρούν σημαντικά τόσο στη συχνότητα, όσο και στη διάρκεια των αναπνοών (δηλ. ανοιγμάτων). Η διαδικασία αυτή δεν είναι σταθερή, αλλά συμβαίνει επαναλαμβανόμενα και τυχαία.
Πώς επηρεάζει αυτό το γεγονός το κύτταρο και κατ’ επέκταση τον οργανισμό αναφοράς; Η κατανόηση του φαινομένου που εξετάζουμε έχει σημαντικές εφαρμογές τόσο στη μοριακή βιολογία, τη γενετική, όσο και στην ιατρική -όσον αφορά τον άνθρωπο. Πρόκειται για ένα δείγμα αλληλεπίδρασης μεταξύ βιολογικών μακρομορίων το οποίο ενδέχεται να συνιστά ακρογωνιαίο λίθο στον τομέα της γονιδιακή έκφρασης.
Όπως αναφέρουν οι von Hippel, Johnson και Marcus (2013) στο άρθρο τους: «Προφανώς, εμείς και οι επιστημονικοί μας απόγονοι θα πρέπει να βρούμε, ακόμα, πολλά ενδιαφέροντα πράγματα για να ασχοληθούμε με αυτόν τον τομέα τα επόμενα πενήντα χρόνια», συμφωνώντας πως έχουν ξύσει μονάχα την επιφάνεια του φαινομένου στην ήδη υφιστάμενη πενηνταετή έρευνα της αναπνοής του DNA. Το μέλλον φαντάζει ελπιδοφόρο και οι νέες ανακαλύψεις στους τομείς της μοριακής βιολογίας και της γενετικής μπορούν να προσφέρουν μια εις βάθος κατανόηση των διεργασιών που συμβάλλουν στο δημιούργημα της ζωής. Το κύτταρο λοιπόν, με τον μηχανισμό αυτό, δίνει το «φιλί της ζωής» και το θαύμα αυτό ξεδιπλώνεται μπροστά στα μάτια μας!
ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΕΣ ΠΗΓΕΣ
- Burton E. Tropp, Βασικές αρχές Μοριακής Βιολογίας, Ακαδημαϊκές Εκδόσεις Ι, Μπάσδρα και ΣΙΑ Ο.Ε., Αλεξανδρούπολη, 2014
- Fifty years of DNA “breathing”: Reflections on old and new approaches, wiley online library, διαθέσιμο εδώ
