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La luce, interruttore delle funzioni biochimiche del DNA

Categorie Biologia

Il DNA (Acido desossiribonucleico) è la molecola depositaria dell’informazione genica. È una molecola stabile formata da una doppia elica ed è fondamentale per il trasferimento, tra generazioni successive, dell’intero patrimonio genetico il quale garantisce agli organismi il funzionamento, la crescita e la riproduzione. L’istituto di biochimica dell’Università di Münster ha sviluppato una nuova tecnologia per il controllo delle funzioni biochimiche del DNA. Infatti, la metilazione e la dimetilazione del DNA, RNA e proteine è uno dei principali meccanismi di regolazione.

La struttura del DNA
La struttura del DNA

Complessità del DNA: il background della ricerca

Il “progetto genoma umano”, nel 2012, ha posto l’attenzione e illuminato la complessità del DNA. Questo è un progetto di ricerca scientifica internazionale che si è posto l’obiettivo di determinare la sequenza delle coppie di base azotate che formano il DNA e di identificare e mappare i geni del genoma umano.

Solo il 2% del DNA viene effettivamente usato nella vita di tutti i giorni, come hanno evidenziato i ricercatori. Dunque, il 98% restante a cosa serve? Questa grande porzione di DNA prende il nome di DNA regolatore o codificante ed è responsabile del controllo della più piccola porzione utilizzata. In parole povere, il DNA regolatore ha lo scopo di determinare il tipo di cellula che si forma.

L’ingegneria delle proteine nel DNA

Il team dei ricercatori guidati dalla Prof.ssa Andrea Rentmeister ha impiegato la tecnica vincitrice del Premio Nobel nel 2018, l’ingegneria delle proteine, in una maniera innovativa. Nel caso in esame, è stata impiegata la tecnica della reazione enzimatica a cascata per il monitoraggio delle funzioni del DNA. Gli scienziati hanno sfruttato l’ingegnerizzazione delle proteine per progettare un enzima nella cascata sensibile alla luce, garantendo così l’attivazione e la disattivazione di tali funzioni.

Gli enzimi, in generale, sono responsabili del monitoraggio delle funzioni della cellula. Essi aiutano nella sintesi di componenti metabolici, nello svolgimento di reazioni chimiche nella cellula e nel convertire l’energia per le sue attività; sono responsabili della creazione di molecole di DNA e della modifica del DNA in maniera epigenetica. 

Mediante l’impiego del design proteico è stato possibile ampliare lo spettro del substrato degli enzimi progettando la Metionina Adenosiltransferasi (MAT).

Background e basi

Studi precedenti a tale innovazione hanno evidenziato la possibilità di trasferire in maniera selettiva a DNA, RNA o proteine, piccoli residui, ovvero lievi modificazioni a elementi come i gruppi metilici. Come risultato del lavoro di ricerca, spiega Nils Klöcker, uno degli autori principali dello studio e dottorando presso l’Istituto di Biochimica, “è ora possibile trasferire residui o modifiche più grandi come i gruppi di fotocaging”. Questi sono gruppi chimici removibili mediante l’azione della luce nonché potenti strumenti utili per sondare le interazioni e le funzioni biomolecolari.

Klöcker ha condotto lo studio in collaborazione con il biologo strutturale Prof. Daniel Kümmel, anch’esso dipendente dell’istituto di biochimica: egli spiega le basi per l’attività modificata a livello molecolare.

La ricerca nel dettaglio

Il team ha esaminato due differenti MAT e le modifiche apportate hanno rappresentato un punto di partenza per lo sviluppo di altri enzimi con uno spettro di substrato espanso. Dunque, l’ingegneria proteica guidata della struttura è riuscita ad ottenere le prime varianti MAT segnalate per accettare analoghi della metionina con i gruppi di fotocaging. 

La prof.ssa Rentmeister afferma che “la combinazione di MAT con altri enzimi ha il potenziale per future applicazioni cellulari. Questa ricerca è stata un passo importante nell’implementazione di sostanze non naturali generate in situ per altri enzimi utilizzati negli studi epigenetici”.

In conclusione, aspetto peculiare di tale studio è sicuramente la scoperta che l’intero processo è un adattamento di un metodo generalmente usato in altri campi. Questo origina l’innovazione rivoluzionaria per il controllo delle funzioni del DNA. Inoltre, la luce si è rivelata essere un mezzo per la modulazione in quanto questa è facile da generare e controllare, non presenta tossicità ed è facilmente disponibile.

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