Il supercomputer Comet mostra come il DNA si prepara alla riparazione

Immagine: Public Domain.

È risaputo che il corpo umano è costituito da trilioni di cellule. Il nucleo cellulare, che ospita il DNA, è attaccato ogni secondo di ogni giorno da fattori ambientali e comportamentali.

I ricercatori della Harvard University e della University of Texas Medical Branch di Galveston (UTMB) hanno recentemente utilizzato il supercomputer Comet presso il San Diego Supercomputer Center (SDSC) dell’Università della California di San Diego per scoprire come il DNA si prepara alla riparazione.

Pubblicato sulla rivista Physical Review E, lo studio è iniziato con due filamenti di DNA imbevuti di soluzione di acqua salata. Gli scienziati hanno osservato i filamenti di DNA mentre si attorcigliavano e si spostavano l’uno verso l’altro, a causa delle molecole d’acqua e degli ioni di sodio vicini. Lo studio è stato unico in quanto il team di ricerca ha usato  Comet per mostrare dettagli su come le molecole interagivano tra loro al fine di allinearsi prima della riparazione. Mentre i precedenti esperimenti si sono concentrati principalmente su potenziali meccanismi per dimostrare le interazioni di filamenti di DNA più grandi, questi calcoli hanno utilizzato modelli più brevi per dare un’occhiata più da vicino ai dettagli reali del processo.

 

Il supercomputer Comet del Supercomputer Center di San Diego e altre risorse XSEDE hanno generato questo diagramma di energia libera per riunire due doppie eliche parallele di DNA in funzione della distanza e della rotazione l’una attorno all’altra. Questa illustrazione aiuta i ricercatori a comprendere meglio il meccanismo di replicazione e riparazione del DNA. Credito: Dipartimento di Biochimica e Biologia Molecolare dell’Università del Texas, Dipartimento di Fisica dell’Università di Harvard.

“Le interazioni o le energie libere trovate nel nostro studio hanno dimostrato di essere causate da alcune strutture nelle molecole d’acqua e negli ioni sodio circostanti”, ha detto Monte Pettitt, che dirige il Sealy Center for Biology strutturale e la biofisica molecolare presso la University of Texas Medical Branch a Galveston. Pettitt è anche il Distinto Presidente dell’Università di Chimica di Robert A. Welch e ha inoltre spiegato che le cariche e l’elettrostatica in soluzione di queste molecole hanno permesso loro di interagire con i fosfati all’interno del DNA. Prima di essere collocati nella soluzione, i filamenti di DNA si respingevano a vicenda. Una volta collocati nella soluzione, l’energia libera ha permesso alle molecole di attirarsi a livello locale a vicenda in modo geometrico e specifico per sequenza. L’uso del super computer Comet per condurre simulazioni altamente dettagliate ha permesso ai ricercatori di calcolare l’esatta quantità di energia libera necessaria per l’interazione tra le molecole di queste due doppie eliche del DNA.

“Le nostre simulazioni hanno mostrato l’energia libera disponibile in relazione all’angolo di rotazione specifico dei filamenti di DNA, nonché la distanza tra i filamenti”, ha affermato Pettitt. “Questo ora aiuta i ricercatori a capire come il DNA interagisce con se stesso al fine di condensare o separarsi durante determinati processi cellulari”.

Più specificamente, lo studio ha mostrato come l’attrazione locale del DNA verso se stessa si verifichi solo per determinate geometrie. Sebbene questa ricerca sia di base, contribuisce a un’importante scoperta scientifica fondamentale di come il DNA è allineato prima di essere riparato. I filamenti di DNA all’interno di una cellula non sono protetti da fattori ambientali quali radiazioni UV e agenti cancerogeni. Ciò rende il DNA vulnerabile nel senso che può essere danneggiato in un punto in cui gli enzimi di riparazione avranno bisogno di una tabella di marcia per ripararlo, cioè un altro pezzo di DNA con la stessa sequenza che è geometricamente allineata come modello per la riparazione.

“Abbiamo ancora bisogno di più lavoro per comprendere la specificità della sequenza“, ha osservato Pettitt. “I calcoli per illustrare questi concetti non sarebbero stati possibili senza Comet e apprezziamo la capacità che ci ha dato di raggiungere il nostro obiettivo di promuovere la ricerca di base sul DNA”.

Fonte: Thecnology