Une représentation de la structure en double hélice de l'ADN. Ses quatre unités de codage (A, T, C, G) sont codés par couleur en rose, Orange, violet et jaune. Crédit :NHGRI
Comme toute longue chaîne polymère, L'ADN a tendance à former des nœuds. En utilisant une technologie qui leur permet d'étirer des molécules d'ADN et d'imager le comportement de ces nœuds, Des chercheurs du MIT ont découvert, pour la première fois, les facteurs qui déterminent si un nœud se déplace le long du brin ou "se bloque" en place.
"Les personnes qui étudient la physique des polymères ont suggéré que les nœuds pourraient se coincer, mais il n'y a pas eu de bons systèmes modèles pour le tester, " dit Patrick Doyle, le professeur Robert T. Haslam de génie chimique et l'auteur principal de l'étude. "Nous avons montré qu'un même nœud pouvait passer du coincement à la mobilité le long de la même molécule. Vous changez de conditions et il s'arrête soudainement, puis changez-les à nouveau et ça bouge soudainement."
Les résultats pourraient aider les chercheurs à développer des moyens de dénouer les nœuds d'ADN, qui permettrait d'améliorer la précision de certaines technologies de séquençage du génome, ou pour favoriser la formation de nœuds. Induire la formation de nœuds pourrait améliorer certains types de séquençage en ralentissant le passage des molécules d'ADN à travers le système, disent les chercheurs.
Le postdoctorant MIT Alexander Klotz est le premier auteur de l'article, qui paraît dans le numéro du 3 mai de Lettres d'examen physique .
Noeuds en mouvement
Doyle et ses étudiants étudient la physique des nœuds polymères tels que l'ADN depuis de nombreuses années. L'ADN est bien adapté à de telles études car il s'agit d'une molécule relativement grosse, rendre simple l'image au microscope, et il peut être facilement induit à former des nœuds.
"Nous avons un mécanisme qui provoque l'effondrement des molécules d'ADN en une petite boule, qui quand on s'allonge contient de très gros nœuds, " dit Klotz. "C'est comme mettre vos écouteurs dans votre poche et les sortir pleins de nœuds."
Une fois les nœuds formés, les chercheurs peuvent les étudier à l'aide d'un système microfluidique spécial qu'ils ont conçu. Le canal est en forme de T, avec un champ électrique qui diverge au sommet du T. Une molécule d'ADN située au sommet du T sera attirée de manière égale vers chaque bras, le forçant à rester en place.
L'équipe du MIT a découvert qu'elle pouvait manipuler les nœuds dans ces molécules d'ADN épinglées en faisant varier la force du champ électrique. Quand le champ est faible, les nœuds ont tendance à se déplacer le long de la molécule vers l'extrémité la plus proche. Quand ils arrivent au bout, ils se défont.
Un nœud près de la fin d'une molécule d'ADN étirée est entraîné vers la fin et se dénoue, laissant une molécule non nouée. Crédit :Alex Klotz
"Quand la tension n'est pas trop forte, on dirait qu'ils se déplacent au hasard. Mais si vous les regardez assez longtemps, ils ont tendance à se déplacer dans une direction, vers l'extrémité la plus proche de la molécule, " dit Klotz.
Quand le champ est plus fort, forcer l'ADN à s'étirer complètement, les nœuds se coincent. Ce phénomène est similaire à ce qui arrive à un nœud dans un collier de perles lorsque le collier est tiré plus étroitement, disent les chercheurs. Quand le collier est lâche, un nœud peut se déplacer le long de celui-ci, mais quand il est tendu, les perles du collier se rapprochent et le nœud se coince.
"Lorsque vous serrez le nœud en étirant davantage la molécule d'ADN, il rapproche les brins les uns des autres, et cela augmente la friction, ", dit Klotz. "Cela peut submerger la force motrice causée par le champ électrique."
Enlèvement de nœud
Des nœuds d'ADN se produisent également dans les cellules vivantes, mais les cellules ont des enzymes spécialisées appelées topoisomérases qui peuvent démêler de tels nœuds. Les découvertes de l'équipe du MIT suggèrent un moyen possible d'éliminer les nœuds de l'ADN à l'extérieur des cellules relativement facilement en appliquant un champ électrique jusqu'à ce que les nœuds se déplacent jusqu'à la fin de la molécule.
Cela pourrait être utile pour un type de séquençage d'ADN connu sous le nom de cartographie nanocanal, qui consiste à étirer l'ADN le long d'un tube étroit et à mesurer la distance entre deux séquences génétiques. Cette technique est utilisée pour révéler des modifications génomiques à grande échelle telles que la duplication de gènes ou le passage de gènes d'un chromosome à un autre, mais des nœuds dans l'ADN peuvent rendre plus difficile l'obtention de données précises.
Pour un autre type de séquençage d'ADN appelé séquençage nanopore, il pourrait être bénéfique d'induire des nœuds dans l'ADN car les nœuds ralentissent les molécules lorsqu'elles traversent le séquenceur. Cela pourrait aider les chercheurs à obtenir des informations de séquence plus précises.
L'utilisation de cette approche pour éliminer les nœuds d'autres types de polymères tels que ceux utilisés pour fabriquer des plastiques pourrait également être utile, car les nœuds peuvent fragiliser les matériaux.
Les chercheurs étudient maintenant d'autres phénomènes liés aux nœuds, y compris le processus de dénouement de nœuds plus complexes que ceux qu'ils ont étudiés dans cet article, ainsi que les interactions entre deux nœuds dans une molécule.
