Un artículo del profesor de la UAB Joan-Ramon Daban analiza en profundidad cuestiones físicas relacionadas con el empaquetado del ADN que a menudo se pasan por alto en los modelos estructurales de los cromosomas. La investigación se publica en la revista. pequeña estructura muestra que la organización multilaminar del ADN, sugerida a partir de estudios experimentales previos realizados 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.
Las moléculas de ADN genómico, enormemente largas, de los organismos eucariotas deben plegarse estrechamente para adaptarse a 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 compuestos de muchos nucleosomas. La parte central de cada nucleosoma (partícula central) es una estructura cilíndrica (5,7 nanómetros de altura y 11 de diámetro) compuesta por aproximadamente dos vueltas de ADN (147 pares de bases) enrolladas alrededor de un octámero de histonas. Comprender el mecanismo de plegado que conduce a una alta compactación de los 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 cromosómico debe ser consistente con todas las restricciones impuestas por las propiedades estructurales y funcionales observadas de los cromosomas. Esto debe ser compatible con la alta densidad del ADN y la forma cilíndrica alargada de los cromosomas y las conocidas propiedades de autoasociación de la cromatina, y también con la protección eficaz del ADN cromosómico contra el entrelazamiento topológico y la rotura mecánica. Lamentablemente, estas limitaciones no se tienen en cuenta en los diversos modelos propuestos a partir de los resultados obtenidos mediante diferentes técnicas experimentales y estudios de modelización informática.
En el laboratorio de Joan-Ramon Daban, profesor del 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 se desprende de los cromosomas. El estado iónico en metafase forma una placa multicapa plana, teniendo cada capa un espesor correspondiente a una lámina de mononucleosoma. A partir de estos resultados, los investigadores de la UAB propusieron que los filamentos de cromatina de los cromosomas se pliegan según un patrón regular compuesto por muchas capas apiladas a lo largo del eje del cromosoma. Este modelo multicapa es consistente con todas las restricciones estructurales consideradas anteriormente. Además, justifica la geometría de las bandas cromosómicas y las translocaciones observadas en el análisis citogenético y es consistente con posibles mecanismos físicos para regular la expresión genética, así como para la replicación, reparación y segregación del ADN en células hijas.
Se puede considerar a los cromosomas como cristales líquidos autoorganizados.
Los nucleosomas son bloques de construcción repetitivos incrustados en la estructura monótonamente lineal del ADN de doble hélice. Se ha demostrado en varios laboratorios que las partículas centrales de nucleosomas aisladas tienen una alta propensión a interacciones cara a cara que forman grandes estructuras columnares. Quizás, de acuerdo con las propiedades de los sistemas de materia blanda, la interacción de estas interacciones anisotrópicas débiles entre los nucleosomas y la energía térmica pueda ser responsable de la formación de estas estructuras columnares. En el modelo de cromosomas multicapa, las interacciones débiles y repetitivas entre nucleosomas provocan el apilamiento de muchas capas de cromatina. Estas interacciones de baja energía a escala nanométrica justifican la autoorganización de cromosomas enteros, que pueden considerarse como cristales líquidos laminares, reticulados internamente por la columna vertebral covalente de una única molécula de ADN.
La formación espontánea de patrones tridimensionales bien definidos está de acuerdo con la investigación contemporánea en nanociencia y nanotecnología que está produciendo muchas estructuras impresionantes de varios tamaños, autoensambladas a partir de diversos bloques de construcción repetitivos biológicos y artificiales. El profesor Daban considera que la biología molecular ha descubierto el autoensamblaje 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 está publicado en Revista Interdisciplinaria. pequeña estructura, que está interesado en microestructuras construidas a partir de nanopartículas desde la perspectiva tanto de la nanotecnología como de las ciencias de la vida.