ما بدا وكأنه عقدة الحمض النووي تبين أنه شيء أكثر ملتوية بكثير

ما اعتقد العلماء منذ فترة طويلة أنه عقدة الحمض النووي قد تكون في الواقع عبارة عن تقلبات مستمرة تتشكل أثناء تحليل المسام النانوية، مما يكشف عن آلية مهملة ذات آثار كبيرة.

لعقود من الزمن، فسر الباحثون الأنماط الكهربائية المعقدة التي شوهدت عندما تحرك الحمض النووي عبر المسام النانوية كعلامات على أن الجزيء كان يشكل عقدًا. ويبدو أن تجارب ثقب النانو، والتي تستخدم على نطاق واسع لدراسة المواد الوراثية، تدعم هذه الفكرة.

غالبًا ما كانت المقارنة تتم بسحب رباط الحذاء من خلال فتحة ضيقة. إذا أصبح الدانتيل متشابكًا، فإن حركته تتغير بطرق ملحوظة. يعتقد العلماء أن الحمض النووي يتصرف بنفس الطريقة، وخلصوا إلى أن الإشارات غير المنتظمة تعني أن الشريط أصبح معقودًا أثناء مروره عبر المسام.

يتحدى البحث الجديد الآن هذا الرأي طويل الأمد. الدراسة التي نشرت في المراجعة البدنية Xيُظهر أن الحمض النووي لا يصبح معقودًا ببساطة (مثل أربطة الحذاء المتشابكة) نتيجة لاضطرابات الإشارة أثناء إزاحة المسام النانوية. وبدلاً من ذلك، فإن العديد من البنى التي تم تفسيرها سابقًا على أنها عقدة، تبين أنها عبارة عن ثنيات. في هذه التكوينات، يلتف الحمض النووي حول نفسه في شكل ملتوي، يشبه سلك الهاتف الملفوف، بدلاً من تشكيل عقدة حقيقية.

إعادة النظر في “تشابك” الحمض النووي في المسام النانوية

“أظهرت تجاربنا أنه عندما يتم سحب الحمض النووي من خلال ثقب النانو، فإن التدفق الأيوني داخل يلوي الشريط، ويتراكم عزم الدوران ويلفه إلى بلكتونات، وليس فقط عقد. هذا الهيكل الملتوي “المخفي” له بصمة مميزة وطويلة الأمد في الإشارة الكهربائية، على عكس التوقيع العابر للعقد”، أوضح المؤلف الرئيسي الدكتور Fei Zheng من مختبر كافنديش.

للتحقيق في هذا السلوك، استخدم الباحثون المسام النانوية المصنوعة من الزجاج ونيتريد السيليكون واختبروا الحمض النووي تحت العديد من الفولتية المختلفة والإعدادات التجريبية. ووجدوا أن ما يسمى بالأحداث المتشابكة، حيث يظهر أكثر من قسم واحد من الحمض النووي في المسام في نفس الوقت، يحدث في كثير من الأحيان أكثر بكثير مما يمكن تفسيره بتكوين العقدة وحدها. وارتفعت وتيرة هذه الأحداث مع ارتفاع الفولتية وجزيئات الحمض النووي الأطول، مما يشير إلى عملية إضافية لم يتم التعرف عليها بالكامل من قبل.

القوى الملتوية والهياكل الثابتة

واكتشفوا أن هذه التقلبات هي التي تحركها التدفق الكهربائي– حركة الماء داخل الثقب النانوي الذي يولد عزم الدوران على جزيء الحمض النووي الحلزوني. عندما تدور السلسلة، ينتقل عزم الدوران هذا إلى أجزاء من الحمض النووي خارج المسام، مما يؤدي إلى التفافها. على عكس العقد، التي يتم شدها عن طريق قوى السحب وتميل إلى أن تكون قصيرة العمر، يمكن أن تنمو البليكتونيمات بشكل أكبر وتستمر طوال عملية النقل. لمزيد من التحقيق، قام الباحثون بمحاكاة الحمض النووي تحت قوى وعزم دوران واقعيين. أكدت عمليات المحاكاة أن البليكتونيمات تتولد من حركة الالتواء التي يفرضها التدفق الكهروتناضحي للمسام النانوية، وأن تكوينها يعتمد على قدرة الحمض النووي على نشر الالتواء على طوله.

علاوة على ذلك، وفي تطور ذكي، قام الباحثون بتصميم الحمض النووي “المقطع”، وهو عبارة عن جزيئات متقطعة على فترات زمنية محددة، مما أدى إلى منع انتشار الالتواء وتقليل تكوين البليكتونيم بشكل كبير في تجاربهم. لم يؤكد هذا دور البنية فحسب، بل يشير أيضًا إلى طرق جديدة محتملة لاستشعار أو حتى تشخيص تلف الحمض النووي باستخدام المسام النانوية.

يقول البروفيسور أولريش إف كيسر، وهو أيضًا مؤلف مشارك في الورقة البحثية: “الأمر القوي حقًا هنا هو أننا نستطيع الآن التمييز بين العقد والثنيات في إشارة المسام النانوية بناءً على مدة استمرارها”.

“تمر العقد بسرعة، تمامًا مثل النتوء السريع، في حين أن الرقائق تبقى باقية وتخلق إشارات ممتدة. وهذا يوفر طريقًا إلى قراءات أكثر ثراءً ودقة لتنظيم الحمض النووي، والسلامة الجينية، وربما الضرر.”

آثار أوسع على علم الأحياء والتكنولوجيا

وتذهب الآثار إلى أبعد من ذلك. في الفيزياء الحيوية، يمكن لهذه النتائج أن تعمق فهمنا لتشابكات الحمض النووي داخل الخلايا، حيث تظهر البليكتونيمات والعقد بانتظام من خلال عمل الإنزيمات، وتلعب أدوارًا حاسمة في تنظيم الجينوم واستقراره. بالنسبة لأجهزة الاستشعار الحيوية والتشخيص، فإن القدرة على التحكم في هذه الهياكل الملتوية أو اكتشافها قد تفتح الباب أمام جيل جديد من أجهزة الاستشعار الحيوية الأكثر حساسية للتغيرات الدقيقة في الحمض النووي، مما قد يتيح الكشف المبكر عن تلف الحمض النووي في الأمراض.

واختتم كيسر حديثه قائلاً: “من منظور تكنولوجيا النانو، يسلط البحث الضوء على قوة المسام النانوية، ليس فقط كأجهزة استشعار متطورة ولكن أيضًا كأدوات لمعالجة البوليمرات الحيوية بطرق جديدة”.

المرجع: “تكوين Plectoneme الذي يحركه الالتواء أثناء نقل Nanopore لبوليمرات الحمض النووي” بقلم Fei Zheng و Antonio Suma و Christopher Maffeo و Kaikai Chen و محمد العوامي و Jingjie Sha و Alexei Aksimentiev و Cristian Micheletti و Ulrich F. Keyser، 12 أغسطس 2025، المراجعة البدنية X.
دوى: 10.1103/spyg-kl86

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.