Mặc dù được đóng gói dày đặc để phù hợp với nhân, các nhiễm sắc thể lưu trữ thông tin di truyền của chúng ta luôn chuyển động. Điều này cho phép các vùng cụ thể tiếp xúc với nhau và do đó kích hoạt một gen. Một nhóm các nhà khoa học hiện đã hình dung quá trình năng động này và đưa ra những hiểu biết mới về các đặc tính vật lý của DNA.
Thực hiện khoa học tiên tiến đòi hỏi phải suy nghĩ vượt trội và tập hợp các ngành khoa học khác nhau. Đôi khi điều này thậm chí có nghĩa là ở đúng nơi, đúng thời điểm. Đối với David Brückner, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ và đồng nghiệp NOMIS tại ISTA, tất cả những điều nêu trên đã có hiệu lực khi ông tham dự một bài giảng trong khuôn viên trường của Giáo sư Thomas Gregor từ Đại học Princeton. Lấy cảm hứng từ buổi nói chuyện, Brückner đã nảy ra một ý tưởng: diễn giải thực tế các bộ dữ liệu cụ thể mà Gregor đã trình bày. Giờ đây, kết quả hợp tác của họ đã được công bố trên tạp chí Science . Chúng làm nổi bật chuyển động ngẫu nhiên (ngẫu nhiên) của hai yếu tố gen cụ thể trên nhiễm sắc thể, chúng phải tiếp xúc với nhau để gen hoạt động trong không gian 3D.
Làm thế nào DNA phù hợp với một nhân tế bào
Các sinh vật sống như con người được xây dựng trên các gen được lưu trữ trong DNA -- bản thiết kế phân tử của chúng ta. DNA là một polyme, một phân tử khổng lồ gồm các phần riêng lẻ nhỏ hơn (monome). Nó nằm trong nhân của mỗi tế bào. Brückner giải thích: “Tùy thuộc vào sinh vật, polymer DNA có thể dài tới hàng mét, nhưng kích thước của hạt nhân lại ở mức micron”. Để phù hợp với nhân nhỏ bé, DNA được nén lại bằng cách cuộn lại như thể trên một ống chỉ và tiếp tục nén thành hình dạng nhiễm sắc thể nổi tiếng, mà tất cả chúng ta đều gặp trong sách giáo khoa sinh học.
Nhà vật lý tiếp tục: “Mặc dù được cô đặc rất nhiều, nhưng các nhiễm sắc thể không tĩnh; chúng luôn lắc lư xung quanh”. Những động lực này rất quan trọng. Bất cứ khi nào một gen cụ thể phải được kích hoạt, hai vùng trên polymer được gọi là "enhancer" và "promoter" cần tiếp xúc chặt chẽ và liên kết với nhau. Chỉ khi điều này xảy ra, bộ máy tế bào mới đọc thông tin của gen và tạo thành phân tử ARN, phân tử này cuối cùng tạo ra các protein cần thiết cho tất cả các quá trình mà một sinh vật sống cần.
Tùy thuộc vào sinh vật, chất tăng cường và chất kích thích có thể nằm khá xa nhau trên nhiễm sắc thể. Brückner giải thích: “Với các phương pháp được sử dụng trước đây, bạn có thể có được chế độ xem tĩnh về khoảng cách giữa các phần tử này, nhưng không phải cách hệ thống phát triển theo thời gian. Bị hấp dẫn bởi thông tin còn thiếu này, các nhà khoa học đã bắt đầu tìm hiểu cách các yếu tố này được tổ chức và cách chúng di chuyển trong không gian 3D theo thời gian thực.
(adv)
Để đạt được mục tiêu này, các nhà khoa học thực nghiệm từ Princeton đã thiết lập một phương pháp theo dõi hai yếu tố DNA đó trong một khoảng thời gian nhất định trong phôi ruồi. Thông qua thao tác di truyền, các phần tử DNA được dán nhãn huỳnh quang, với vùng tăng cường phát sáng màu xanh lá cây và vùng khởi động màu xanh lam. Sử dụng hình ảnh trực tiếp (kính hiển vi tua nhanh thời gian của các tế bào sống), các nhà khoa học có thể hình dung các điểm huỳnh quang trong phôi ruồi để xem chúng di chuyển xung quanh để tìm nhau như thế nào.
Khi hai điểm tiếp cận gần nhau, gen này được kích hoạt và một đèn đỏ bổ sung được bật lên vì RNA cũng được gắn thẻ phát huỳnh quang màu đỏ. Brückner hào hứng cho biết thêm, "Chúng tôi đã có được thông tin trực quan về thời điểm người tăng cường và người quảng bá liên hệ với nhau. Điều đó đã cho chúng tôi rất nhiều thông tin về quỹ đạo của họ."
DNA được đóng gói dày đặc và thể hiện chuyển động nhanh
Thách thức khi đó là làm thế nào để phân tích tập dữ liệu khổng lồ về chuyển động ngẫu nhiên này. Kiến thức nền tảng về vật lý lý thuyết của ông đã cho phép Brückner trích xuất số liệu thống kê để hiểu hành vi điển hình của hệ thống. Ông đã áp dụng hai mô hình vật lý khác nhau, đơn giản hóa để cắt dữ liệu.
Một là mô hình Rouse. Giả thiết rằng mỗi monome của polime là một lò xo đàn hồi. Nó dự đoán một cấu trúc lỏng lẻo và sự khuếch tán nhanh -- một chuyển động ngẫu nhiên, trong đó thỉnh thoảng các vùng gen gặp nhau. Mô hình còn lại được gọi là "quả cầu fractal." Nó dự đoán một cấu trúc rất nhỏ gọn và do đó khuếch tán chậm. "Đáng ngạc nhiên là chúng tôi tìm thấy trong dữ liệu rằng hệ thống được mô tả bằng sự kết hợp của hai mô hình này -- một cấu trúc có mật độ cao mà bạn mong đợi dựa trên mô hình khối cầu fractal và sự khuếch tán được mô tả bằng số liệu thống kê từ mô hình Rouse," Brückner giải thích.
Do sự kết hợp của quá trình đóng gói dày đặc và chuyển động nhanh, sự liên kết của hai vùng gen này phụ thuộc vào khoảng cách của chúng dọc theo nhiễm sắc thể ít hơn nhiều so với dự đoán trước đây. Brückner cho biết thêm: “Nếu một hệ thống như vậy luôn ở trạng thái linh hoạt và năng động, thì việc liên lạc đường dài sẽ tốt hơn nhiều so với những gì chúng ta có thể nghĩ”.
Nghiên cứu này tập hợp thế giới sinh học và vật lý lại với nhau. Đối với các nhà vật lý, điều đó thật thú vị, bởi vì các nhà khoa học đã thử nghiệm động lực học của một hệ thống sinh học phức tạp bằng các lý thuyết vật lý đã có từ lâu; và đối với các nhà sinh học, nó cung cấp cái nhìn sâu sắc về các đặc điểm của nhiễm sắc thể, điều này có thể giúp hiểu chi tiết hơn về tương tác gen và hoạt hóa gen.
Theo Science daily
