Prowadzenie nowatorskich badań naukowych wymaga nieszablonowego myślenia i łączenia różnych dyscyplin naukowych. Czasami oznacza to nawet znalezienie się we właściwym miejscu we właściwym czasie. Dla Davida Brücknera, badacza ze stopniem doktora i członka NOMIS w ISTA, wszystkie wyżej wymienione rzeczy zaczęły obowiązywać, gdy uczestniczył w wykładzie profesora Thomasa Gregora z Uniwersytetu Princeton w kampusie. Zainspirowany wykładem, Brückner wpadł na pomysł: fizycznie zinterpretować określone zestawy danych przedstawione przez Gregora. Teraz wyniki ich współpracy zostały opublikowane w Science. Podkreślają stochastyczny (losowy) ruch dwóch określonych elementów genu na chromosomie, które muszą wejść w kontakt, aby gen stał się aktywny w przestrzeni 3D.
Jak DNA pasuje do jądra komórkowego
Żywe organizmy, takie jak ludzie, są zbudowane na genach zapisanych w DNA – naszym molekularnym wzorcu. DNA to polimer, ogromna cząsteczka mniejszych pojedynczych części (monomerów). Znajduje się w jądrze każdej komórki. „W zależności od organizmu, polimer DNA może mieć do metra długości, jednak rozmiar jądra jest rzędu mikronów” – wyjaśnia Brückner. Aby zmieścić się w maleńkim jądrze, DNA zostaje zagęszczone poprzez zwinięcie jak na szpuli, a następnie sprasowanie w dobrze znany kształt chromosomów, z którym wszyscy spotkaliśmy się w podręczniku biologii.
„Pomimo silnego zagęszczenia chromosomy nie są statyczne, cały czas się trzęsą” – kontynuuje fizyk. Ta dynamika jest bardzo ważna. Ilekroć określony gen musi zostać aktywowany, dwa regiony polimeru zwane „wzmacniaczem” i „promotorem” muszą wejść w bliski kontakt i związać się ze sobą. Dopiero gdy tak się dzieje, maszyneria komórkowa odczytuje informacje z genu i tworzy cząsteczkę RNA, która ostatecznie daje początek białkom niezbędnym do wszystkich procesów wymaganych przez żywy organizm.
W zależności od organizmu wzmacniacz i promotor mogą znajdować się dość daleko od siebie na chromosomie. „Dzięki wcześniej stosowanym metodom można było uzyskać statyczny obraz odległości między tymi elementami, ale nie tego, jak system ewoluuje w czasie” – wyjaśnia Brückner. Zaintrygowani tymi brakującymi informacjami naukowcy postanowili dynamicznie przyjrzeć się, jak te elementy są zorganizowane i jak poruszają się w przestrzeni 3D w czasie rzeczywistym.
Wizualizacja regionów genów
Aby osiągnąć ten cel, naukowcy eksperymentalni z Princeton opracowali metodę śledzenia tych dwóch elementów DNA w pewnym okresie czasu w zarodku muchy. Dzięki manipulacji genetycznej elementy DNA zostały znakowane fluorescencyjnie, przy czym region wzmacniający świecił na zielono, a promotor na niebiesko. Wykorzystując obrazowanie na żywo (mikroskopia poklatkowa żywych komórek) naukowcy byli w stanie zwizualizować plamki fluorescencyjne w embrionach much, aby zobaczyć, jak poruszają się, aby się odnaleźć.
Gdy dwie plamki zbliżyły się do siebie, gen został aktywowany i włączyło się dodatkowe czerwone światło, ponieważ RNA zostało również oznaczone czerwonymi fluoroforami. Brückner podekscytowany dodaje: „Otrzymaliśmy wizualny odczyt, kiedy wzmacniacz i promotor weszli w kontakt. Dało nam to wiele informacji o ich trajektoriach”.
DNA jest gęsto upakowane i wykazuje szybki ruch
Wyzwanie polegało na tym, jak przeanalizować ten ogromny zestaw danych dotyczących ruchu stochastycznego. Jego doświadczenie w fizyce teoretycznej pozwoliło Brücknerowi wyodrębnić statystyki, aby zrozumieć typowe zachowanie systemu. Do przekrojenia danych zastosował dwa uproszczone, różne modele fizyczne.
Jednym z nich był model Rouse. Zakłada się, że każdy monomer polimeru jest sprężystą sprężyną. Przewiduje luźną strukturę i szybką dyfuzję – przypadkowy ruch, w którym czasami regiony genów spotykają się ze sobą. Drugi model nazywa się „globulą fraktalną”. Przewiduje bardzo zwartą strukturę, a zatem powolną dyfuzję. „Niespodziewanie odkryliśmy w danych, że system jest opisany przez kombinację tych dwóch modeli – bardzo gęstej struktury, której można się spodziewać na podstawie modelu fraktalnej globuli i dyfuzji, która jest opisana przez statystyki z modelu Rouse” wyjaśnia Brückner.
Ze względu na połączenie gęstego upakowania i szybkiego ruchu, wiązanie tych dwóch regionów genów zależy znacznie mniej od ich odległości wzdłuż chromosomu, niż wcześniej przewidywano. „Jeśli taki system jest cały czas w stanie płynnym i dynamicznym, komunikacja na duże odległości jest znacznie lepsza, niż moglibyśmy przypuszczać” – dodaje Brückner.
To badanie łączy światy biologii i fizyki. Dla fizyków jest to interesujące, ponieważ naukowcy przetestowali dynamikę złożonego systemu biologicznego za pomocą teorii fizycznych, które istnieją od dawna; a biologom daje wgląd w cechy chromosomu, co może pomóc w bardziej szczegółowym zrozumieniu interakcji genów i aktywacji genów.