اكتشاف جديد يغير فهمنا للحمض النووي

في دراسة جديدة، اكتشف العلماء في جامعة كامبريدج كيف يؤثر الالتواء على الحمض النووي أثناء مروره عبر المسام النانوية، مما يقدم رؤى جديدة في علم الجينوم.

اكتشاف جديد في علم الحمض النووي

حدد العلماء في جامعة كامبريدج، بالتعاون مع متعاونين دوليين، عملية حاسمة تشكل كيفية تصرف الحمض النووي أثناء تحركه عبر المسام النانوية. تعتبر هذه العملية أساسية للعديد من الأنشطة البيولوجية وتقنيات استشعار الحمض النووي سريعة النمو. يسلط البحث الضوء على بنية الحمض النووي التي تم تجاهلها منذ فترة طويلة والتي تسمى plectonemes، وهو اكتشاف يمكن أن يؤثر على التقدم المستقبلي في علم الجينوم والاستشعار الحيوي.

المسام النانوية وتأثيرها على الحمض النووي

المسام النانوية عبارة عن فتحات صغيرة للغاية تسمح لخيوط مفردة من الحمض النووي بالمرور أثناء إنتاج الإشارات الكهربائية. تساعد هذه الإشارات الباحثين على تحليل المادة الوراثية بالتفصيل. وحتى الآن، أُسيء فهم السمات المهمة لتلك الإشارات.

لماذا يعتقد العلماء أن الحمض النووي كان يشكل عقدة

لسنوات عديدة، اعتقد الباحثون أن الأنماط الكهربائية المعقدة التي شوهدت خلال تجارب ثقب النانو كانت ناجمة عن عقد تشكيل الحمض النووي. كانت الفكرة سهلة التصوير. يصبح سحب رباط الحذاء من خلال ثقب ضيق غير متساوٍ إذا كان الرباط متشابكًا، وافترض العلماء أن الحمض النووي يتصرف بنفس الطريقة. وكان يُعتقد أن أي إشارة غير منتظمة تعني أن الخصلة قد انعقدت أثناء تحركها عبر المسام.

وقد ساهم هذا التفسير في تشكيل كيفية تفسير بيانات المسام النانوية لعقود من الزمن.

التقلبات، وليس العقد، تشرح الإشارات

وتظهر الدراسة الجديدة، التي نشرت في مجلة Physical Review X، أن هذا الافتراض القديم كان خاطئا في كثير من الأحيان. بدلاً من تشكيل عقد حقيقية، يلتف الحمض النووي في كثير من الأحيان حول نفسه أثناء نقل الثقب النانوي. تشبه هذه الهياكل الملتوية، المعروفة باسم plectonemes، سلك هاتف ملفوف وليس عقدة مربوطة.

هذا التمييز مهم لأن التقلبات والعقد تؤثر على الإشارات الكهربائية بطرق مختلفة جدًا.

“أظهرت تجاربنا أنه عندما يتم سحب الحمض النووي من خلال ثقب النانو، فإن التدفق الأيوني داخل يلوي الشريط، ويتراكم عزم الدوران ويلفه إلى بلكتونات، وليس فقط عقد. هذا الهيكل الملتوي “المخفي” له بصمة مميزة وطويلة الأمد في الإشارة الكهربائية، على عكس التوقيع الأكثر عابرة للعقد”، أوضح المؤلف الرئيسي الدكتور فاي تشنغ من مختبر كافنديش.

تشير التجارب إلى آلية مفقودة

للوصول إلى هذا الاستنتاج، اختبر الباحثون الحمض النووي باستخدام كل من المسام النانوية المصنوعة من الزجاج ونيتريد السيليكون عبر نطاق واسع من الفولتية والظروف. ولاحظوا أن ما يسمى بالأحداث “المتشابكة”، عندما يحتل أكثر من جزء من الحمض النووي المسام في نفس الوقت، يحدث في كثير من الأحيان أكثر مما يمكن أن تفسره نظرية العقدة.

أصبحت هذه الأحداث أكثر تكرارًا مع زيادة الجهد ونمو خيوط الحمض النووي بشكل أطول. يشير هذا النمط إلى وجود قوة أخرى تعمل.

كيف تؤدي المياه المتدفقة إلى تحريف الحمض النووي

ووجد الفريق أن هذا الالتواء يأتي من التدفق الكهروتناضحي، وهي حركة الماء مدفوعة بالمجالات الكهربائية داخل الثقب النانوي. عندما يتدفق الماء عبر الحمض النووي، فإنه يطبق قوة غزل على الجزيء الحلزوني. ينتقل عزم الدوران هذا على طول الشريط، مما يتسبب في التفاف الأجزاء خارج المسام إلى ثنيات.

على عكس العقد، التي تشتد تحت قوى الشد وتختفي عادةً بسرعة، يمكن أن تنمو الثنيات بشكل أكبر وتبقى موجودة طوال عملية النقل بأكملها. أكدت عمليات المحاكاة الحاسوبية التي طبقت قوى وعزم دوران واقعية هذا السلوك وأظهرت أن تكوين البليكتونيم يعتمد على قدرة الحمض النووي على نقل الالتواء على طوله.

حجب التقلبات يؤكد الاكتشاف

ولاختبار الفكرة بشكل أكبر، أنشأ الباحثون حمضًا نوويًا “مشقوقًا”، وهو عبارة عن خيوط متقطعة عند نقاط محددة. منعت هذه الانقطاعات الالتواء من الانتشار على طول الجزيء وقللت بشكل حاد من تكوين البليكتونيمات أثناء التجارب.

أكدت هذه النتيجة أن انتشار الالتواء ضروري لهذه العملية. كما أنها تلمح إلى طرق جديدة يمكن من خلالها استخدام المسام النانوية للكشف عن تلف الحمض النووي، حيث أن التشققات في الشريط تتداخل مع سلوك الالتواء.

قراءة إشارات الحمض النووي بدقة جديدة

يقول البروفيسور أولريش إف كيسر، وهو أيضًا من مختبر كافنديش ومؤلف مشارك في الدراسة: “الأمر القوي حقًا هنا هو أننا نستطيع الآن التمييز بين العقد والثنيات في إشارة المسام النانوية بناءً على مدة استمرارها”.

“تمر العقد بسرعة، تمامًا مثل النتوء السريع، في حين أن الرقائق تبقى باقية وتخلق إشارات ممتدة. وهذا يوفر طريقًا إلى قراءات أكثر ثراءً ودقة لتنظيم الحمض النووي، والسلامة الجينية، وربما الضرر.”

آثار أوسع على علم الأحياء والتكنولوجيا

تمتد النتائج إلى ما هو أبعد من استشعار المسام النانوية. في الخلايا الحية، يلتوي الحمض النووي ويتشابك بانتظام عندما تعمل الإنزيمات عليه، وتلعب كل من العقد والبليكتونيمات أدوارًا مهمة في تنظيم الجينوم واستقراره. إن فهم كيفية تشكل هذه الهياكل يمكن أن يحسن نماذج سلوك الحمض النووي الخلوي.

بالنسبة للتشخيص والاستشعار الحيوي، فإن القدرة على اكتشاف أو التحكم في التواء الحمض النووي يمكن أن تؤدي إلى أدوات أكثر حساسية قادرة على تحديد التغيرات الجينية الدقيقة والعلامات المبكرة لتلف الحمض النووي المرتبط بالمرض.

واختتم كيسر حديثه قائلاً: “من منظور تكنولوجيا النانو، يسلط البحث الضوء على قوة المسام النانوية، ليس فقط كأجهزة استشعار متطورة ولكن أيضًا كأدوات لمعالجة البوليمرات الحيوية بطرق جديدة”.

المصدر :- Health & Medicine News — ScienceDaily

تفتح هذه الاكتشافات آفاقًا جديدة في فهم سلوك الحمض النووي وتطبيقاته في مجالات الاستشعار الحيوي والتكنولوجيا.