Keşfedilen Goldilocks Bölgesi Hücre Uyum ve Dayanıklılığının Anahtarını Açıklıyor
Scripps Araştırma Merkezi’ndeki bilim insanlarının, hücresel dayanıklılığı ve adaptasyonu nasıl anlamlandırdığımızı yeniden tanımlayabilecek bir keşifte bulundular. İnorganik bir fosfat polimeri olan polifosfat (polyP) ile DNA ve element magnezyum olmak üzere iki temel yaşam bileşeni arasındaki gizli etkileşimleri çözmeyi başardılar. Bu bileşenler esnek ve adapte olabilen yapılara sahip küçük sıvı damlacıklarından oluşan kümeler-;ayrıca kondensatlar olarak bilinir.
PolyP ve magnezyum birçok biyolojik süreçte rol oynar. Bu nedenle bulgular, hücresel tepkileri ayarlamak için yeni yöntemlere yol açabilir ki bu da translasyonel tıpta etkili uygulamaları beraberinde getirebilir.
Önemli Bulgular ve Bulguların Arkasındaki Hikaye
26 Ekim 2024’te Nature Communications dergisinde yayınlanan çalışma, DNA’nın polyP-magnezyum iyon kondensatları etrafında sardığı, belirli bir magnezyum konsantrasyon aralığını içeren narin bir “Goldilocks” bölgesini ortaya çıkardı. Bu, hücrelerin genetik materyallerini organize etmelerine ve korumalarına yardımcı olabilecek, ince bir kabuk gibi görünen basit bir yapıdır.
Bu çalışma, Scripps Araştırma Merkezi’ndeki Bütünleşik Yapısal ve Hesaplamalı Biyoloji Bölümünde görev yapan ortak yazarlar Doçent Lisa Racki, PhD ve Profesör Ashok Deniz, PhD arasındaki bir işbirliği olarak başladı. Racki, bu yapıları bakteriyel hücrelerde incelemekteydi, Deniz’in ise laboratuvarı yan komşusunda, son on yıldır biyomoleküler kondensatların fiziksel kimyasını araştırıyordu. Bu antik etkileşimleri açmanın tek yolunun işbirliği olduğunu fark ettiler.
“Biz, DNA’nın hücrelerde magnezyum açısından zengin polyP kondensatlarına yakın olduğunu biliyorduk, ancak mikroskop altında parlayan DNA kürelerinden tamamen şaşırmıştık,” diyor Racki.
Moleküler dedektifler olarak, bu yapıları görmek, DNA kabuklarının fizik ve matematikleri hakkında heyecan verici sorular sormalarına neden oldu ve bu kabukların polyP kondensatlarını etkileyip etkilemediğini sorgulamalarına yol açtı.
Yeni Keşifler ve Hücre Kontrolü
Mikroskopi görüntüleri, DNA’nın kendisini bir kondensatın etrafına sararak ince bir yumurta kabuğu benzeri bir bariyer oluşturduğunu ortaya koydu. Bu kabuk, molekül taşımacılığını etkileyebilir ve ayrıca iki kondensatın birleştiği süreç olan füzyonu yavaşlatabilir. DNA kabukları olmadan, polyP-magnezyum iyon kondensatları kolayca birleşti-;salata sosu şişesinde yağ damlalarının sirkeyle birleştiği gibi.
Ancak, dikkatli bir inceleme, füzyonun genel olarak yavaşladığını gösterdi ve bu yavaşlama DNA uzunluğuna bağlı olarak değişiyordu. Araştırmacılar, daha uzun DNA’nın, kondensat yüzeylerinde daha fazla karışıklığa neden olduğunu düşündüler-;uzun saçın kısa saçtan daha fazla dolanması gibi.
DNA, çap olarak kondensatlardan 1.000 kat daha ince olduğu için, moleküler detayları görselleştirmek zordur. Neyse ki, bu tür görüntüleri yakalamak için altyapı, Scripps Araştırma Merkezi’nde diğer iki fakülte üyesi olan Yardımcı Doçent Danielle Grotjahn, PhD ve Scripps Fellow Donghyun Raphael Park, PhD tarafından geliştirilmiştir.
Sonuç ve Gelecek İçin Yol Haritası
Park ile birlikte, Grotjahn’ın da yardımıyla, araştırmacılar, kondensat yüzeylerini yakından incelemek için soğutulmuş elektron tomografisini kullandılar. Bu teknik, yapılarını korumak için hızla dondurulan örneklerin üç boyutlu, yüksek çözünürlüklü görüntülerini yakalar. Yeni görüntüler, DNA’nın sarmalın yüzeylerinden çıkan iplikler oluşturduğunu ve karışık saçlara benzeyen bir görüntü sergiledi.
Başka bir kritik keşif: DNA kabuğu oluşumunun yalnızca belirli bir magnezyum konsantrasyon aralığında gerçekleştiği-;çok fazla veya çok az olması durumunda kabuk belirmeyeceği. Bu “Goldilocks” etkisi, hücrelerin kondensat yapısını, boyutunu ve işlevini sadece kontrol parametrelerini ayarlayarak düzenleyebileceğini vurguluyor.
Hücre sınırları olarak düşündüğümüz bu arayüzlerin, moleküllerin organize olabileceği bir yüzey sağlayarak yeni bir manzara yarattığını belirtiyor Racki. DNA’nın aslında bir yüzeyde karışık bir düzen oluşturmadığını ve bunun yerine bu kondensatlar tarafından düzenlendiğini belirtiyor.
Deniz ve Racki, DNA’nın hücre içinde bir yay gibi dönmesini anlamak konusunda özellikle ilgileniyorlar.
“Akıllı hücreler, DNA dönüşlerini yönetmek zorundadır,” diye açıklıyor Racki. “İlginçtir ki, DNA dönmesinin matematiği, ‘uzaktan hareket’ etkileri oluşturur-;nasıl bir halatı döndürmek halatı tuttuğunuz yerden uzakta halkalar oluşturabilir.”
Araştırmacılar, hücrelerde DNA’nın polyP kondensatları ile etkileşimlerinin, DNA dönmesindeki yerel değişiklikleri uzak mesafelere yayarak, gen ifadesinde ve hücre fonksiyonunda daha geniş değişikliklere yol açabileceğini düşünüyorlar. Bu etkiyi araştırmak, ekibin gelecek hedeflerinden biri.
“Bu keşifleri kullanarak hücresel kontrol için yeni araçlar geliştirmenin olasılıklarından heyecan duyuyoruz-;biyomedikal için biyomalzemeyi yönetmek için daha basit, maliyet etkin yaklaşımlar geliştirme potansiyeline sahip olabiliriz,” diyor Deniz.