Resumo:
Nas leis básicas da física, objetos com a mesma carga elétrica deveriam se repelir. Como a própria molécula de ácido desoxirribonucléico (DNA) geralmente carrega uma carga negativa, duas fitas de dupla hélice de DNA geralmente produzem forte repulsão eletrostática quando se aproximam. No entanto, dentro das células vivas, as moléculas de ADN devem frequentemente alcançar um contacto próximo e um emparelhamento preciso para conduzir processos vitais básicos, como a recombinação e o silenciamento de genes.
Uma equipe de pesquisa internacional liderada conjuntamente pela Universidade de York e pela Universidade de Sheffield, no Reino Unido, usou recentemente microscopia de força atômica de alta resolução e simulações de dinâmica molecular para observar diretamente e revelar pela primeira vez o mecanismo microfísico pelo qual as moléculas de DNA superam a repulsão eletrostática e mordem firmemente como um "zíper".
Esta descoberta experimental fornece a primeira evidência visual direta da microestrutura do "modelo de zíper eletrostático de DNA" proposto há cerca de 20 anos. Hipóteses teóricas anteriores sugeriram que os íons salinos na solução ao redor do DNA podem induzir a formação de um padrão alternado de cargas positivas e negativas na superfície da hélice, fazendo com que duas moléculas de DNA paralelas estejam intimamente interligadas como duas escadas em espiral interligadas. No entanto, devido às forças extremamente fracas na escala molecular e às rápidas mudanças dinâmicas, esta hipótese sempre permaneceu na fase de dedução teórica e não foi verificada diretamente por imagens experimentais.
Neste estudo, a equipe de pesquisa científica usou um microscópio de força atômica de alta precisão para realizar varreduras finas de superfície em nanoescala em amostras de DNA de cadeia curta e observou claramente o alinhamento altamente preciso de sulco por sulco das duas cadeias de DNA. Simulações simultâneas de dinâmica molecular computacional em escala ultralarga revelaram ainda mais a força motriz por trás disso: minúsculos íons metálicos com cargas positivas duplas (como cátions divalentes) desempenham um papel crucial de "ponte molecular" na solução. Esses íons carregados positivamente podem ser inseridos com precisão nas ranhuras helicoidais do DNA, estendendo uma força de interação como braços carregados e puxando duas moléculas de DNA carregadas negativamente ao mesmo tempo, cancelando e cruzando completamente a barreira de repulsão eletrostática que originalmente impedia sua aproximação.
O estudo apontou ainda que a força de emparelhamento entre as cadeias de DNA não é distribuída uniformemente, mas mostra uma dependência significativa da sequência de bases. Sequências específicas de DNA têm uma capacidade mais forte de se ligar a íons metálicos, formando uma série de “pontos de acesso de emparelhamento” no genoma que são propensos ao alinhamento físico e ao bloqueio rígido.
Os cientistas afirmam que a elucidação deste mecanismo microscópico tem um duplo significado orientador para a medicina básica e a bioengenharia. Ao nível dos mecanismos da doença, a identificação de hotspots de emparelhamento de ADN no genoma pode ajudar os investigadores a compreender como, quando mutações específicas perturbam a montagem normal da cromatina ou o emparelhamento de recombinação, podem causar anomalias celulares e até induzir cancro; no nível da biotecnologia, dominar as leis físicas da automontagem do DNA por meio de pontes iônicas fornecerá aos nanoengenheiros novas diretrizes de design para personalizar nanoestruturas de DNA artificiais programáveis e de alta resistência e transportadores de distribuição de medicamentos.
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