Même les cellules vivantes ont leurs propres problèmes enchevêtrés à résoudre. Ils impliquent des nœuds qui surviennent accidentellement dans l'ADN et qui peuvent comprendre sa fonctionnalité. Les chercheurs suggèrent maintenant que la propension de l'ADN à être surenroulé, tout comme les cordons téléphoniques, empêche les nœuds accidentels. Ces bobines peuvent maintenir les nœuds d'ADN en place assez longtemps pour être dénoués par des enzymes spécialisées. L'étude computationnelle, basé sur des simulations de dynamique moléculaire de l'ADN bactérien, vient de paraître dans Recherche sur les acides nucléiques .

Un problème enchevêtré

Super enroulé, tordu, et même noués, loin des images de manuels élégants et soignés, Les filaments d'ADN dans les cellules vivantes sont tous froissés et enchevêtrés, et pour être fonctionnel, doit être constamment démêlé, un peu comme les cordons téléphoniques qui accumulent des boucles ou des superbobines gênantes avec une utilisation négligente. Les superbobines sont présentes dans l'ADN, trop, et on pense qu'ils sont essentiels pour garder l'ADN compact et exposer ou cacher l'information génétique à la machinerie cellulaire qui peut la traiter, selon Lucia Coronel et Antonio Suma, jeunes scientifiques et premiers auteurs de cette étude, qui a été coordonné par Cristian Micheletti.

À la fois, on sait depuis longtemps que des nœuds peuvent se former accidentellement dans l'ADN, avec des conséquences négatives pour la cellule. Ce qui était resté insaisissable jusqu'à présent était l'interaction dynamique ou la coexistence sur les mêmes filaments d'ADN de nœuds complexes et de régions superenroulées. Et c'est ce que les chercheurs de SISSA ont entrepris d'étudier à l'aide de simulations informatiques, étudier les implications pour la structure de l'ADN et son changement dans le temps, et si une telle interaction pourrait ouvrir de nouvelles possibilités fonctionnelles. Ils ont également cherché à comprendre comment le comportement complexe qui s'ensuit correspond à ce que l'on sait déjà sur la maintenance moléculaire de l'ADN.

Pour cette étude, les scientifiques ont utilisé des simulations détaillées et approfondies de la dynamique moléculaire. Ils ont d'abord remarqué que dans les anneaux d'ADN superenroulés, les nœuds se trouvent probablement dans l'une des deux positions - à la pointe des supercoils ou dans une position plus centrale. Un examen plus approfondi a révélé un effet plus surprenant et inattendu. Coronel et Suma écrivent, "Nous avons étudié le filament d'ADN et constaté que sans superbobines, la région nouée se déplacerait relativement rapidement le long du filament. De même, les régions superenroulées peuvent changer rapidement dans l'ADN sans nœud. Cependant, lorsque les nœuds et le superenroulement sont présents simultanément, alors les points de contact cruciaux dans les nœuds d'ADN se verrouillent en place, constamment. Et cet effet inattendu est particulièrement intéressant car il pourrait être la clé d'une fonctionnalité biologique spécifique et inattendue."

Les auteurs écrivent, "Nous savons que les cellules vivantes traitent régulièrement les nœuds d'ADN, et nous savons également que ces formes d'enchevêtrement sont généralement préjudiciables à la fonctionnalité biologique; par exemple, ils peuvent empêcher la lecture et la traduction de l'information génétique en produits protéiques. Des enzymes spécifiques de la famille des topoisomérases sont responsables du démêlage de l'ADN. Leur mode opératoire rappelle l'efficacité, sinon drastique, façon dont Alexandre le Grand dénoua le nœud gordien proverbial d'un coup d'épée. De la même manière, ces enzymes dénouent les filaments d'ADN par une action de coupe et de scellement sophistiquée."

Il y a encore un débat en cours sur les mécanismes moléculaires qui peuvent guider ces enzymes, qui sont minuscules par rapport à l'échelle typique des filaments d'ADN, d'intervenir aux bons endroits où leur action de couper-coller peut dénouer les nœuds. Les auteurs concluent, "Il a été suggéré que les lieux cibles sont reconnus par des caractéristiques géométriques spécifiques, qui est un mécanisme plausible et élégant. Cependant, on ne savait pas comment ces caractéristiques pouvaient persister malgré le mouvement moléculaire incessant. Notre étude suggère que le superenroulement de l'ADN peut favoriser l'action des topoisomérases en maintenant les nœuds dans une configuration stable pendant une durée beaucoup plus longue que d'autres réarrangements moléculaires. De cette façon, les enzymes pourraient avoir suffisamment de temps pour reconnaître les sites cibles et, à son tour, leur action de copier-coller serait plus simple, plus fiable et efficace. Il s'agit actuellement d'une hypothèse mais, puisqu'il a des implications si intéressantes, que nous espérons pouvoir y remédier dans de futures expériences."