L’iconica struttura a doppia elica del DNA, che si avvolge ordinatamente a spirale su se stessa, dà un’impressione semplicistica del nostro codice genetico. In realtà, il DNA è incredibilmente dinamico, si torce, si piega costantemente e subisce riparazioni orchestrate da minuscole proteine. Catturare questi movimenti, che si verificano su una scala inferiore a un miliardesimo di metro (il livello dell’angstrom), è stata a lungo una sfida importante nella biologia molecolare.
Ora, i ricercatori dell’Università dell’Illinois Urbana-Champaign hanno fatto un grande passo avanti, sviluppando due tecniche rivoluzionarie che consentono loro di osservare e persino guidare il movimento del DNA con un dettaglio senza precedenti. Questi progressi aprono nuove possibilità per comprendere come funziona il DNA, dal suo ruolo in malattie come il cancro allo sviluppo di nuove terapie farmacologiche.
Una fotocamera su scala nanometrica: visualizzare il movimento con chiarezza atomica
La prima svolta ruota attorno a una “fotocamera del DNA” costruita su un singolo strato di grafene, un materiale spesso solo un atomo. Questo metodo, chiamato GETvNA (amplificazione transitoria del campo vicino abilitata al grafene), è stato originariamente sviluppato dai ricercatori del Tinnefeld Lab dell’Università Ludwig Maximilian di Monaco. Sfrutta il fatto che le molecole di DNA stanno in piedi sulle superfici di grafene, assomigliando a minuscole bandiere che sventolano nel vento su scala nanometrica.
Questo orientamento verticale consente il rilevamento di sottili cambiamenti strutturali nel DNA mentre si muove. Il team di Aksimentiev si è basato su queste fondamenta, utilizzando modelli computazionali avanzati per approfondire i dettagli a livello atomico di come funziona GETvNA.
Il sistema fornisce una risoluzione inferiore a un angstrom e cattura gli eventi in tempo reale, fondamentale per osservare processi come la riparazione dei danni al DNA o il movimento delle proteine lungo la sua lunghezza. Questo livello di precisione supera ciò che è possibile fare con i microscopi tradizionali, rendendo possibile decifrare la coreografia delle molecole all’interno delle cellule viventi.
Oltre l’osservazione: guidare il movimento del DNA
Ma vedere non sempre basta. E se i ricercatori potessero anche controllare dove si muove il DNA? Questa capacità apre le porte allo smistamento e alla manipolazione dei singoli filamenti, persino alla costruzione di rudimentali “macchine molecolari”. Il team di Aksimentiev ha scoperto che il nitruro di boro esagonale (hBN), un altro materiale 2D, potrebbe essere utilizzato per guidare il DNA a filamento singolo lungo percorsi specifici.
Questi percorsi sono formati da “scale” presenti in natura sulla superficie dell’hBN: minuscoli difetti che creano canali su scala nanometrica per le biomolecole. Il team ha scoperto che mentre inizialmente il movimento previsto era molto più veloce, in realtà le molecole di DNA rallentavano significativamente quando incontravano questi difetti. Questa sorprendente scoperta, spiegata attraverso un’intricata analisi computazionale, ha rivelato come le imperfezioni atomiche sulla superficie dell’hBN agiscano come trappole temporanee, consentendo ai ricercatori di controllare con precisione il movimento del DNA.
Impatto e direzioni future: una nuova era di precisione molecolare
Queste scoperte combinate hanno implicazioni significative per una varietà di campi:
- Ricerca biomedica: la capacità di tracciare le singole molecole di DNA che interagiscono con le proteine in tempo reale potrebbe rivoluzionare la nostra comprensione di malattie come il cancro, dove queste interazioni sono spesso interrotte. Fornisce inoltre una piattaforma senza precedenti per testare e sviluppare nuovi farmaci che prendono di mira questi specifici eventi molecolari.
- Biosensing: Il controllo preciso del movimento del DNA apre la strada a biosensori altamente sensibili in grado di rilevare piccole quantità di biomolecole, con applicazioni che vanno dalla diagnostica medica al monitoraggio ambientale.
L’accessibilità di GETvNA, che richiede solo un microscopio a fluorescenza standard, è particolarmente rivoluzionaria. Democratizza l’accesso a questo livello di dettaglio molecolare, consentendo ai ricercatori di tutto il mondo di condurre studi ad alta risoluzione senza bisogno di costose apparecchiature specializzate.
Aksimentiev e il suo team continuano a esplorare gli intricati dettagli del movimento del DNA sulle superfici 2D. Il loro lavoro futuro si concentrerà sulla comprensione del comportamento del DNA su scale temporali ancora più lunghe, da millisecondi a secondi, utilizzando modelli computazionali avanzati per colmare il divario tra le simulazioni atomiche e le osservazioni del mondo reale.
Queste innovazioni esemplificano come la ricerca fondamentale, abbinata a potenti strumenti computazionali, possa aprire nuove finestre sulla complessità della vita al suo livello più elementare. La capacità non solo di vedere ma anche di guidare i movimenti del DNA apre la strada a scoperte rivoluzionarie nel campo della medicina, della scienza dei materiali e della nostra comprensione dell’essenza stessa della vita stessa.
