پژوهشگران دانشگاه نورث‌وسترن با بازسازی محیط طبیعی‌تر و واقعی‌تری برای DNA، دریافته‌اند که باز شدن دو رشته‌ی مارپیچ DNA فرایند آغازین و ضروری برای همانندسازی یا ترمیم—ممکن است به نیروی مکانیکی بیشتری نسبت به آنچه پیش‌تر تصور می‌شد نیاز داشته باشد.
در اغلب آزمایش‌های زیست‌شیمی، DNA در محلول‌های آبی و خلوتی قرار می‌گیرد که در آن خبری از دیگر مولکول‌های درون‌سلولی نیست. در این شرایط، دانشمندان معمولاً از حرارت بالا (بیش از ۱۵۰ درجه فارنهایت) برای جدا کردن رشته‌های DNA استفاده می‌کنند—دمایی که در شرایط طبیعی بدن هرگز رخ نمی‌دهد. اما در سلول زنده، DNA در محیطی بسیار متراکم و شلوغ قرار دارد و باز شدن آن به‌صورت مکانیکی، توسط پروتئین‌های خاصی انجام می‌شود که ابتدا مارپیچ را باز کرده و سپس رشته‌ها را از هم جدا می‌کنند.
جان مارکو، استاد زیست‌مولکولی و فیزیک در دانشکده علوم نورث‌وسترن، توضیح می‌دهد: “داخل سلول مثل یک سالن بیلیارد شلوغ است؛ مولکول‌ها مدام به DNA ضربه می‌زنند و جلوی باز شدن آن را می‌گیرند. این با محیط خلوت آزمایشگاهی که اغلب استفاده می‌شود، تفاوت زیادی دارد.”
در آزمایشگاه مارکو، او و همکارش پارت دسای از ابزارهایی مانند «پنس‌های مغناطیسی میکروسکوپی» استفاده کردند که به آن‌ها امکان داد تا رشته‌های DNA را در یک سوی به سطح و در سوی دیگر به ذرات مغناطیسی ریز متصل کرده و با دقت نیروی مورد نیاز برای باز شدن رشته‌ها را اندازه‌گیری کنند.
نتایج این پژوهش که در تاریخ ۱۷ ژوئن در Biophysical Journal منتشر خواهد شد، نشان می‌دهد که مولکول‌هایی مانند گلیسرول، اتیلن گلایکول و پلی‌اتیلن گلایکول—که برای شبیه‌سازی پروتئین‌ها به محلول DNA افزوده شدند—اثرات متفاوتی روی پایداری مکانیکی DNA دارند. برخی از آن‌ها باعث کم‌آبی و بی‌ثباتی DNA می‌شوند، درحالی‌که برخی دیگر با ایجاد تراکم، DNA را پایدارتر می‌سازند.
دسای توضیح می‌دهد: «درون سلول، پروتئین‌های زیادی با DNA در رقابت برای آب هستند. این رقابت ممکن است باعث کم‌آبی و شکنندگی DNA شود یا با شلوغ‌سازی محیط اطراف آن، به‌صورت آنتروپیک مانع باز شدن رشته‌ها شود.”
مارکو تأکید می‌کند که چنین یافته‌هایی، گرچه پایه‌ای هستند، اما اساس بسیاری از پیشرفت‌های پزشکی—از جمله تعیین توالی سریع کل ژنوم انسان—بوده‌اند. به‌علاوه، این نتایج می‌توانند به درک عمیق‌تری از چگونگی تعامل پروتئین‌ها با DNA در شرایط واقعی سلولی منجر شوند، چرا که ازدحام مولکولی ممکن است نه‌فقط بر گشایش رشته‌ها، بلکه بر چسبندگی پروتئین‌ها به نقاط خاص DNA و تنظیم عملکردهای حیاتی نیز اثرگذار باشد.
در گام‌های بعدی، تیم پژوهشی قصد دارد ترکیبات پیچیده‌تری از عوامل ازدحام را در آزمایش‌ها وارد کرده و شرایطی هرچه نزدیک‌تر به فضای واقعی سلول ایجاد کند تا بتواند تأثیرات دقیق ازدحام بر برهم‌کنش آنزیم‌ها و DNA را مطالعه کند.
منبع:
Molecular Crowding Suppresses Mechanical Stress-Driven DNA Strand Separation. Biophysical Journal, 2025; DOI: 10.1016/j.bpj.2025.04.024
تهیه و تنظیم: سید طه نوربخش
نظارت و تأیید: فائزه محمدهاشم-متخصص ژنتیک
