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Rompere i legami: la decompressione a doppia elica rivela la fisica del DNA

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17 marzo 2023 (Notizie Nanowerk) Ricostruire accuratamente come le parti di una molecola complessa sono tenute insieme sapendo solo come la molecola si distorce e si scompone. Questa la sfida raccolta da un gruppo di ricerca guidato da Cristian Micheletti della SISSA e recentemente pubblicata su Physical Review Letters ("Termodinamica di non equilibrio della decompressione dei nanopori del DNA"). In particolare, gli scienziati hanno studiato come una doppia elica del DNA si decomprime quando viene traslocata ad alta velocità attraverso un nanoporo, ricostruendo le proprietà termodinamiche fondamentali del DNA dalla sola velocità del processo. La traslocazione di polimeri attraverso nanopori è stata a lungo studiata come un problema teorico fondamentale così come per le sue numerose ramificazioni pratiche, ad esempio per il sequenziamento del genoma. Ricordiamo che quest'ultimo comporta la guida di un filamento di DNA attraverso un poro così stretto che solo uno dei filamenti a doppia elica può passare, mentre l'altro filamento viene lasciato indietro. Di conseguenza, la doppia elica del DNA traslocata si dividerà e si srotolerà necessariamente, un effetto noto come decompressione. traslocazione del DNA attraverso i nanopori Il team di ricerca ha utilizzato un gruppo di computer per simulare la traslocazione del DNA attraverso nanopori con diverse forze motrici tenendo traccia della velocità di decompressione del DNA, un tipo di dati che è stato raramente studiato nonostante fosse direttamente accessibile negli esperimenti I ricercatori sono stati in grado di lavorare "a ritroso" ”, utilizzando le informazioni sulla velocità per ricostruire accuratamente la termodinamica della formazione e rottura della struttura a doppia elica. (Immagine: Antonio Suma e Cristian Micheletti) Il gruppo di ricerca, che comprende anche Antonio Suma dell'Università di Bari, primo autore, e Vincenzo Carnevale della Temple University, ha utilizzato un gruppo di computer per simulare il processo con diverse forze motrici tenendo traccia di la velocità di decompressione del DNA, un tipo di dati che raramente è stato studiato nonostante sia direttamente accessibile negli esperimenti. Utilizzando modelli teorici e matematici sviluppati in precedenza, i ricercatori sono stati in grado di lavorare “a ritroso”, utilizzando le informazioni sulla velocità per ricostruire accuratamente la termodinamica della formazione e rottura della struttura a doppia elica. “Le teorie precedenti”, spiegano i ricercatori, “partivano da una conoscenza dettagliata della termodinamica di un sistema molecolare che serviva poi a prevedere la risposta a sollecitazioni esterne più o meno invasive. Questo da solo è una grande sfida in sé. Abbiamo esaminato il problema inverso: siamo partiti dalla risposta del DNA a sollecitazioni aggressive, come l'apertura forzata della doppia elica, per recuperare i dettagli della termodinamica. A causa della natura invasiva e rapida del processo di decompressione, il progetto sembrava destinato a fallire, ed era probabilmente per questo che non era mai stato provato prima. Tuttavia, sapevamo anche che i giusti modelli teorici e matematici, se applicabili, potevano offrirci una soluzione promettente al problema. Dopo aver analizzato l'ampia serie di dati raccolti, siamo stati molto entusiasti di scoprire che era proprio così; eravamo felici di aver avuto la giusta intuizione.” La tecnica adottata nello studio è generale, e quindi i ricercatori si aspettano di poterla estendere oltre il DNA ad altri sistemi molecolari ancora relativamente inesplorati. Un esempio calzante sono i cosiddetti motori molecolari, aggregati proteici che utilizzano l'energia per compiere trasformazioni cicliche, proprio come i motori della nostra vita quotidiana. “Finora”, sottolineano i ricercatori, “gli studi sui motori molecolari sono partiti formulando ipotesi sulla loro termodinamica e confrontando poi le previsioni con i dati sperimentali. Il nuovo metodo che abbiamo validato dovrebbe consentire di percorrere la strada inversa, ovvero utilizzare dati provenienti da esperimenti fuori equilibrio per recuperare la termodinamica, con evidenti vantaggi concettuali e pratici».
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