Bilim insanları, DNA'daki düğüm sanılan kıvrımlı yapıların aslında bambaşka bir şey olduğunu keşfetti. Hücrelerin içinde DNA, bükülür, kopyalanır ve ayrılır. Bu bükülmeler, genlerin işlevini etkileyerek hangi genlerin ne zaman aktif olacağını belirleyebilir. DNA'nın strese nasıl tepki verdiğini incelemek, genlerin nasıl kontrol edildiğini, molekülün nasıl organize olduğunu ve bu süreçlerdeki sorunların hastalıklarla nasıl ilişkili olabileceğini anlamada bilim insanlarına yardımcı oluyor.
Yıllardır araştırmacılar, tek bir DNA ipliğinin geçebileceği kadar küçük delikler olan nanopore'ları kullanarak DNA dizilerini hızlı ve uygun maliyetli bir şekilde okuyor. Bu sistemler, nanopordan geçen elektriksel akımı ölçerek çalışır. Bir DNA molekülü geçtiğinde, bu akımı DNA'nın kodunu oluşturan dört harfe (A, T, C ve G) karşılık gelen belirgin bir şekilde bozar.
Bu sinyaldeki beklenmedik yavaşlamalar veya ani yükselmeler genellikle DNA'daki düğümler olarak yorumlanıyordu. Ancak, Physics Review X dergisinde yayımlanan yeni bir çalışma, bu sinyal değişikliklerinin aynı zamanda DNA stres altında büküldüğünde oluşan doğal sarmal yapılar olan 'plektoneimleri' de işaret edebileceğini ortaya koyuyor.
Çalışmanın baş yazarı ve Cambridge Üniversitesi Cavendish Laboratuvarı'nda fizikçi olan Ulrich Keyser, "Düğümler ve plektoneimler, nanopor sinyallerinde çok benzer görünebilir. Ancak kökenleri çok farklı fiziksel mekanizmalardan kaynaklanıyor. Düğümler sıkı dolaşıklık gibidir; plektoneimler ise daha çok, tork tarafından oluşan yaylı sarmallar gibidir" dedi.
Bu sarmalları incelemek için araştırmacılar, yüksek pH'lı tuzlu bir çözeltide koni şeklinde bir nanopordan DNA ipliği geçirdiler. Çözelti, elektroosmotik akış oluşumuna yardımcı oldu, yani DNA nanopora girerken dönmeye başladı. Keyser, bu hareketin DNA'yı kıvıracak kadar güçlü bir bükülme kuvveti veya tork ürettiğini açıkladı.
Keyser ve ekibi, DNA'yı geçirmek ve elektriksel akımdaki değişiklikleri ölçmek için nanopora bir elektriksel voltaj da uyguladılar. Keyser, "Bu tür nano ölçekli sistemlerde her şey çok yüksek sürtünme içerir, bu nedenle DNA neredeyse balın içinde yüzüyormuş gibi hareket eder. Çok viskoz bir ortamdır, bu nedenle nispeten yüksek kuvvetler DNA'yı bu tirbuşon hareketinde iter" dedi.
Araştırmacılar binlerce bu tür olayı analiz ettiler. Deneyde bazı düğümler görünmeye devam etse de, bunlar daha küçük olma eğilimindeydi (yaklaşık 140 nanometre genişliğinde), oysa plektoneimler yaklaşık 2.100 nanometre genişliğindeydi. Sisteme uygulanan voltaj artırıldıkça, daha güçlü bir tork nedeniyle plektoneimler daha yaygın hale geldi.
Bükülmenin DNA davranışını nasıl etkilediğini daha fazla test etmek için araştırmacılar, DNA çift sarmalının bir ipliğine 'nick' adı verilen küçük kırıklar eklediler. Bu kırıklar, DNA'nın daha kolay dönmesini ve biriken gerilimi serbest bırakmasını sağladı, bu da daha az plektoneim oluşmasına neden oldu. Bu durum, burulma stresinin bu yapıların oluşumunda kilit bir rol oynadığı fikrini doğruladı.
Keyser, "Molekülün dönme yeteneğini kontrol ettiğimizde, plektoneimlerin ne sıklıkta ortaya çıktığını değiştirebildik" diye ekledi.
Nanopore'lar canlı hücrelerden çok farklı olsa da, bu tür plektoneimler DNA transkripsiyonu ve replikasyonu gibi süreçlerde de oluşabilir. Transkripsiyon, DNA'nın kodunun RNA adı verilen başka bir molekül tarafından kopyalanıp hücreye gönderilmesi anlamına gelir. Replikasyon ise, bir hücre bölündüğünde meydana gelen DNA molekülünün tam olarak kopyalanmasıdır.
Keyser, "Moleküllerin içindeki burulmanın aslında i-motifler ve G-dörtlüler gibi yapıların oluşumuna yol açabileceğine inanıyorum" diyerek DNA'da görülen iki özel düğüm türünün adını verdi. Bu nedenle, laboratuvar çalışmalarında bulduklarının canlı hücreler için de geçerli olabileceğini açıkladı.
Keyser ve ekibi, transkripsiyon gibi doğal süreçler sırasında plektoneimler ve diğer DNA yapılarının nasıl oluştuğunu araştırmaya devam ediyor. Daha önceki çalışmalarında, burulma stresinin DNA replikasyonunu nasıl etkilediğini incelediler. Bu çalışma, nanopore'ların bilim insanlarına sadece DNA'yı okumakla kalmayıp aynı zamanda nasıl davrandığını da izleme olanağı sunduğunu vurguluyor.
Çalışmada yer almayan Ulusal Singapur Üniversitesi'nden fizikçi Slaven Garaj, "DNA molekülünün, sertliğinin gözenek çapından çok daha büyük olması beklenen bir gözenekten geçebilmesi bile oldukça şaşırtıcı. Gözenek boyutundan 10, 50, hatta 100 kat daha sert olmasına rağmen bükülüp geçiyor" dedi.
Garaj, bulgulardan heyecan duyduğunu belirtti. Gelecekte, "Nanopor kaynaklı burulmayı, DNA'nın içinde önceden var olan burulmadan ayırabileceğiz. Bu da doğal süper sarmallanmayı yeni yollarla keşfetmemizi sağlayabilir" diye ekledi. Bu, sarmal ve düğümlerin gen aktivitesini nasıl kontrol ettiğini anlamak için önemli olacaktır.
