Υπερευαίσθητο μικροσκόπιο αποκαλύπτει διαδικασίες στο DNA

Πηγή: NewScientist., 15 Νοεμβρίου 2005

Ένα νέο μικροσκόπιο αρκετά ευαίσθητο για να ανιχνεύει σε πραγματικό χρόνο την κίνηση μιας απλής πρωτεΐνης, μέχρι την κλίμακα των μεμονωμένων ατόμων του, έχει αποκαλύψει πώς αντιγράφονται τα γονίδια από το DNA - μια διαδικασία βασική για τη ζωή.

Η νέα συσκευή επιτρέπει στους χρήστες να επιτύχουν τις καλύτερες μετρήσεις υψηλής ανάλυσης μέχρι τώρα, ισοδύναμες με τη διάμετρο ενός μόνο ατόμου του υδρογόνου, λέει ο Steven Block, που το σχεδίασε με τους συναδέλφους του στο πανεπιστήμιο του Στάνφορντ στην Καλιφόρνια.

Ο Block ήταν σε θέση να χρησιμοποιήσει το μικροσκόπιο για να παρακολουθήσει ένα μόριο DNA από το βακτηρίδιο E.coli, τερματίζοντας έτσι μια μακροχρόνια επιστημονική συζήτηση  συζήτηση για την ακριβή μέθοδο με την οποία αντιγράφεται το γενετικό υλικό.

Ο μοριακός διπλός έλικας του DNA μοιάζει με μια στριμμένη σκάλα που αποτελείται από δύο σκέλη, τα οποία συνδέονται με "σκάλες", τις γνωστές βάσεις. Οι βάσεις, που είναι γνωστές με τα γράμματα A, T, G και C, κωδικοποιούν τις γενετικές πληροφορίες, και η ακολουθία με την οποία εμφανίζονται "μεταφράζει" διαφορετικά γονίδια.

Κάθε φορά που γίνεται μια νέα πρωτεΐνη, οι γενετικές πληροφορίες για εκείνη την πρωτεΐνη πρέπει πρώτα να μεταγραφούν από το σχεδιάγραμμα του DNA της. Ο αντιγραφέας, ένα ένζυμο που λέγεται πολυμεράση RNA (RNAP), πηγαίνει προς τη σκάλα του DNA και τραβά ένα μικρό επιμήκες τμήμα του. Έτσι το RNAP αντιγράφει την ακολουθία των βάσεων, χτίζοντας ένα συμπληρωματικό σκέλος του RNA - το πρώτο βήμα για μια νέα πρωτεΐνη.

"Για χρόνια, οι άνθρωποι ξέρουν ότι το RNA αποτελείται από μια βάση κάθε φορά", λέει ο Block. "Αλλά ήταν ανοικτό το θέμα για εάν το ένζυμο RNAP αναρριχείται πραγματικά πάνω στη σκάλα του DNA μια κλίμακα κάθε φορά, ή αυτό αντίθετα κινείται σε μεγάλα τμήματα - παραδείγματος χάριν, προσθέτει τρεις βάσεις, κατόπιν κάνει ένα άλμα εμπρός και προσθέτει άλλες τρεις βάσεις.

Προκειμένου να απαντηθεί αυτή η ερώτηση, οι ερευνητές σχεδίασαν τον εξοπλισμό που θα ήταν σε θέση να ελέγξει με μεγάλη ακρίβεια τις μετακινήσεις ενός απλού μορίου DNA.

Ο Block σύνδεσε χημικά ένα τέλος του DNA με μια χάντρα γυαλιού. Η χάντρα ήταν διαμέτρου ακριβώς 1 μικρού, χίλιες φορές το μήκος του μορίου DNA και ένα δισεκατομμύριο φορές τον όγκο του. Σύνδεσε έπειτα το ένζυμο RNAP με μια άλλη χάντρα. Και οι δύο χάντρες τοποθετήθηκαν σε ένα υδατώδες υπόστρωμα πάνω σε μια φωτογραφική διαφάνεια του μικροσκοπίου.

Χρησιμοποιώντας κάτοπτρα, έστρεψε έπειτα δύο υπέρυθρες ακτίνες λέιζερ πάνω σε κάθε χάντρα. Επειδή η γιάλινη χάντρα ήταν στο νερό, υπήρξε μια διαθλαστική (οπτική πυκνότητα) διαφορά μεταξύ του γυαλιού και του νερού, που ανάγκασε την ακτίνα του λέιζερ να καμφθεί και να εστιαστεί το φως, έτσι ώστε ο Block ήξερε ακριβώς πού ήταν κάθε χάντρα.

Για να γίνουν ακριβείς μετρήσεις χωρίς να επηρεάζονται από τη θερμοκρασία περιέβαλε ολόκληρο το μικροσκόπιο με ένα κιβώτιο που περιέχει ήλιο. Το ήλιο έχει έναν πολύ χαμηλό δείκτη διαθλάσεως έτσι, ακόμα κι αν υπήρχαν διακυμάνσεις της θερμοκρασίας, η επίδραση τους θα ήταν πάρα πολύ μικρή για να επηρεάσει την ακρίβεια.

Με μία μέθοδο μπόρεσε να καθορίσει πόσες βάσεις μεταγράφηκαν κάθε φορά. Έτσι σύμφωνα με τους επιστήμονες το RNAP αναρριχείται στη σκάλα του DNA ένα ζευγάρι βάσεων κάθε φορά - αυτή είναι πιθανώς η σωστή απάντηση", λέει.

"Είναι ένα πολύ οργανωμένο πείραμα, που μπορούμε να δούμε αρκετές μοριακές λεπτομέρειες και για το πώς μεταγράφεται για πρώτη φορά το DNA", αναφέρει ο Justin Molloy, που έκανε μια παρόμοια εργασία στο Εθνικό Ίδρυμα για την Ιατρική Έρευνα του Λονδίνου. "Είναι απίστευτο. Δεν θα πίστευε κανείς  πριν 10 χρόνια ότι θα μπορούσε κάποιος να το κάνει".

Περιοδικό αναφοράς: Nature