Un artículo del profesor de la UAB John Ramon Dubin proporciona un análisis en profundidad de los problemas físicos asociados con el empaquetado del ADN que a menudo se han pasado por alto en los modelos estructurales de los cromosomas. El estudio fue publicado en la revista Pequeñas estructuras Muestra que la organización multicelular del ADN, sugerida por investigaciones experimentales anteriores realizadas en la UAB, es totalmente coherente con las propiedades estructurales y funcionales de los cromosomas. Esta organización puede explicarse por interacciones débiles entre los nucleosomas, los bloques repetidos que pliegan la doble hélice del ADN.
En los organismos eucariotas, las largas moléculas de ADN genómico deben plegarse estrechamente para encajar en las dimensiones micrométricas de los cromosomas compactados durante la mitosis para proteger la información genética antes de la división celular. Las proteínas histonas se seleccionaron en las primeras etapas de la evolución para convertir el ADN en filamentos de cromatina formados por muchos nucleosomas. El núcleo de cada nucleosoma es una estructura cilíndrica (5,7 nm de altura y 11 de diámetro) que consta de aproximadamente dos vueltas de ADN (147 pares de bases) enrolladas alrededor de un octámero de histonas. Comprender los mecanismos de plegamiento que dan lugar a una menor abundancia de filamentos de cromatina en los cromosomas ha sido un importante desafío científico durante décadas.
Un modelo estructural físicamente consistente y realista para la organización del ADN en los cromosomas debe ser compatible con todas las limitaciones impuestas por las propiedades estructurales y funcionales observadas de los cromosomas. Esto debería ser compatible con la alta concentración de ADN y la larga forma cilíndrica de los cromosomas y las conocidas propiedades de autoorganización de la cromatina, y también con la protección eficaz del ADN cromosómico contra el entrelazamiento topológico y la rotura mecánica. Desafortunadamente, estas limitaciones no se tienen en cuenta en los diversos modelos propuestos por diversas técnicas experimentales y resultados obtenidos de estudios de modelado por computadora.
En el laboratorio del profesor John-Ramon Dubon en el Departamento de Bioquímica y Biología Molecular de la UAB, los investigadores utilizaron previamente técnicas de microscopía electrónica de transmisión, microscopía de fuerza atómica y tomografía crioelectrónica y observaron que la cromatina sale de los cromosomas preparados. Las condiciones iónicas en metafase forman placas multicapa planas, y el espesor de cada capa corresponde a una lámina de mononucleosoma. A partir de estos hallazgos, los investigadores de la UAB proponen que el filamento de cromatina de un cromosoma se pliega según un patrón regular compuesto de muchos pliegues a lo largo del eje del cromosoma. Este modelo multicapa es compatible con todas las restricciones estructurales consideradas anteriormente. Además, justifica la geometría de las bandas cromosómicas y las translocaciones observadas en los análisis citogenéticos, y el control de la expresión génica, así como los mecanismos fisiológicos implicados en la replicación, reparación y diferenciación del ADN de las células hijas son consistentes.
Se puede considerar un cromosoma como un cristal líquido autoorganizado.
Los nucleosomas son bloques de construcción repetidos incrustados en la monótona estructura lineal del ADN de doble hélice. Se ha demostrado en varios laboratorios que las partículas centrales de nucleosomas aisladas tienen una mayor tendencia a interactuar cara a cara para formar grandes estructuras columnares. Presumiblemente, la interacción de estas interacciones anisotrópicas débiles entre los nucleosomas y la energía térmica puede ser responsable de la formación de estas estructuras columnares, consistentes con las propiedades de los sistemas de materia blanda. En el modelo de cromosomas multicapa, las frecuentes interacciones débiles entre nucleosomas provocan el apilamiento de muchas capas de cromatina. Estas interacciones de baja energía a nanoescala justifican la autoorganización de cromosomas completos, que pueden considerarse como cristales líquidos laminares, conectados internamente a la columna vertebral covalente de una única molécula de ADN.
El autoensamblaje de patrones tridimensionales bien definidos está de acuerdo con la investigación contemporánea en nanociencia y nanotecnología que está produciendo muchas estructuras autoensambladas impresionantes de varios tamaños a partir de diversos bloques de construcción repetidos biológicos y sintéticos. El profesor Dubbin cree que la biología molecular ha descubierto la autoorganización de diversas estructuras biomoleculares, pero actualmente la investigación sobre la autoorganización de los sistemas de materia blanda se desarrolla principalmente en el campo de la nanotecnología.
El artículo ha sido publicado en una revista interdisciplinaria. pequeñas estructuras, que esté interesado en microestructuras hechas de nanopartículas desde la perspectiva de la nanotecnología y las ciencias de la vida.
