כיצד סלילי ד.נ.א. בודדים חוברים יחדיו

חוקרים מאוניברסיטת וויסקונסין גילו בעזרת הדמיות מחשב חלק מהמנגנונים שבאמצעותם סלילי ד.נ.א. בודדים, המשלימים זה את זה, מגיבים וחוברים יחדיו ליצירת מבנה הסליל הכפול המוכר.

ד.נ.א., המצוי בתאים של כל היצורים החיים, מורכב משני סלילים השזורים יחדיו ואשר מכילים את הצופן הגנטי שבאמצעותו הם מתפתחים ומתפקדים. סלילי ד.נ.א. יחידים מכילים נוקליאוטידים, המורכבים מקבוצת בסיס, קבוצת סוכר וקבוצת זרחה. הבנת מנגנון ההכלאה (hybridization), המנגנון שבאמצעותו סלילי ד.נ.א. יחידים חוברים יחדיו ליצירת סליל כפול, הינה הבסיס לביולוגיה ומהווה כלי מרכזי לטכנולוגיות מדעיות כגון מיקרו-שבבי ד.נ.א. או ננו-מבנים מבוססי-ד.נ.א. המחקר של קבוצת המדענים מאוניברסיטת וויסקונסין החל לחשוף כיצד סלילי ד.נ.א. מתקרבים זה לזה ונקשרים יחדיו, אומר הפרופסור להנדסה ביולוגית וכימית Juan J. de Pablo. הצוות פרסם את ממצאיו בכתב-העת המדעי Proceedings of the National Academy of Sciences.

החוקרים הצליחו להשתמש במודלים מולקולאריים מפורטים לשם בחינת מסלולי התגובה שבה סלילים כפולים של ד.נ.א. עוברים הפרדת גדילים (denaturation) – היפרמות הפרודה והפרדתה לגדילים יחידים, ותגובת ההכלאה (hybridization) – החיבור יחדיו, או ההכלאה, של גדילי ד.נ.א. משלימים. במנגנון הזיווג של ווטסון וקריק הנוקליאוטיד אדנין (A) נקשר תמיד לתימין (T), בעוד שגואנין (G) נקשר תמיד לציטוזין (C). מנגנוני התגובה הינם המסלולים שדרכם עוברים גדילי הד.נ.א. בכדי למצוא האחד את השני ולחבור באופן משלים זה.

החוקרים בחנו הן רצפי בסיסים אקראיים והן רצפים מחזוריים. רצפים אקראיים של ארבעת הבסיסים מכילים חזרות סדורות מועטות או בכלל לא. להפתעת החוקרים, ברצפים מסוג זה, זוג בסיסים הממוקם דווקא בסמוך למרכז הסליל החל לחבור מוקדם במהלך ההכלאה. מייד ברגע שהם “מוצאים” אחד את השני הם נקשרים וכל יתר בסיסי הסליל מתחברים במהירות ובאופן מסודר ביותר.

בניגוד לכך, ברצפים מחזוריים, הבסיסים מופיעים לסירוגין במחזוריות, והקבוצה מצאה כי רצפים אלו נקשרים דרך מנגנון שמכונה תהליך מתפשט. “שני סלילי הד.נ.א. מוצאים האחד את השני, איכשהו, ואז הם מתחברים יחדיו בסדר אקראי תוך כדי מעבר ממושך אחד מול השני עד אשר הבסיסים המשלימים מוצאים זה את זה בסדר הנכון, ואז הם עוברים הכלאה מלאה,” מסביר החוקר הראשי.

ממצאי המחקר מלמדים כי הכלאת ד.נ.א. הינה תהליך רגיש ביותר להרכב הבסיסים, או הרצפים שלו. “בניגוד למה שהיה נהוג לחשוב עד כה, אנו מצאנו כי התהליך שבו גדילי ד.נ.א. משלימים עוברים הכלאה הינו רגיש מאוד לרצף הפרודות,” מוסיף החוקר.

ידיעת פרטי המנגנון המלאים תוכל לאפשר לחוקרים לפתח שיטות אסטרטגיות ויעילות יותר בתחומים חשובים, כגון שבבי גנים. לדוגמא, מציין החוקר הראשי, אם מדען מעוניין ליצור רצפים שייקשרו במהירות או ביעילות גבוהה, עליו למקם בסיסים מסוימים בנקודות מוגדרות מראש, כך שתהליך ההכלאה כולו יתרחש במהירות או ביעילות גבוהות יותר.

בסופו של דבר, המחקר יוכל לסייע לביולוגים להבין מדוע תגובות הכלאה מסוימות מהירות או מוצלחות יותר מאחרות. אחד מהדברים המרתקים ביותר בנוגע למחקר זה הינו שתגובת ההכלאה בין שני גדילי ד.נ.א. הינה באמת בסיסית לחיים עצמם,” מציין החוקר. “זהו הבסיס למרבית הביולוגיה. ומפתיע אותי שעד עכשיו ידענו כה מעט לגביי פרטיו המדויקים של מנגנון זה.”

הידיעה מהאוניברסיטה