Le molecole d'acqua circondano il materiale genetico del DNA in modo molto specifico. Gli scienziati presso il centro di ricerca Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hanno scoperto che, da un lato, la trama del suo involucro d'idratazione dipende dal contenuto d'acqua e, dall'altra parte, influenza la struttura della stessa sostanza genetica. Queste scoperte sono importanti per comprendere la funzione biologica del DNA, ma anche per la costruzione di nuovi materiali basati sul DNA.
La superficie della doppia elica del DNA è sempre coperta da molecole d'acqua che si attaccano tramite i legami d'idrogeno. Però il DNA non lega tutte le molecole allo stesso modo. “Siamo riusciti a verificare che parte dell'acqua è legata in modo più forte rispetto ad altre molecole”, fa notare il Dr.Karim Fahmy, Direttore della Divisione di Biofisica presso l'Istituto di Radiochimica. Questo è vero solamente se il contenuto d'acqua è basso. Quando la guaina si gonfia d'acqua, queste differenze si bilanciano e tutti i legami d'idrogeno divengono ugualmente forti. Questo a sua volta, modifica la geometria del filamento di DNA: la spina dorsale della doppia elica, che consiste di zuccheri e gruppi fosfato, si piega leggermente. “La precisa struttura del DNA dipende dalla quantità specifica dell'acqua circostante alla molecola”, riassume il Dr.Fahmy.
Sono state condotte analisi del materiale genetico presso il centro HZDR dal candidato al dottorato Hassan Khesbak. Il DNA, che viene da testicoli di salmone, è stato preparato in sottili film e quindi bagnato con dosi ultrafini d'acqua in pochi secondi. Con l'aiuto della spettroscopia infrarossa, Hassan Khesbak è riuscito a verificare che la forza dei legami di idrogeno varia e che le molecole d'acqua esibiscono differenti periodi di riposo in tali configurazioni. Le oscillazioni dei legami d'acqua nell'involucro d'idratazione della doppia elica, possono essere eccitate con luce infrarossa. Più è alta la frequenza di oscillazione e più è debole il legame di idrogeno. Diviene chiaro che i componenti zuccherini e le coppie di base creano particolari legami forti con l'acqua, mentre i legami tra l'acqua e i gruppi fosfato sono più deboli. I risultati sono stati pubblicati recentemente nel Journal of the American Chemical Society (doi: 10.1021/ja108863v) http://dx.doi.org/10.1021/ja108863v
“Il DNA quindi è un materiale sensibile”, spiega Karim Fahmy. “Con questo ci riferiamo ai materiali che reagiscono dinamicamente a condizioni variabili. La struttura a doppia elica, la forza dei legami d'idrogeno e persino il volume del DNA, tendono a cambiare con alti contenuti d'acqua.” Il materiale genetico è già oggi una molecola straordinariamente versatile e interessante per la cosiddetta nanotecnologia al DNA, perchè col DNA è possibile realizzare strutture altamente ordinate con nuove proprietà ottiche, elettroniche e meccaniche in dimensioni piccolissime, interessanti anche per il centro HZDR. L'involucro d'acqua non è solo parte integrante di tali strutture, può anche assumere una precisa funzione di commutazione, perchè i risultati indicano che incrementare l'involucro d'idratazione di sole due molecole d'acqua per gruppo fosfato, può portare la struttura del DNA a “piegarsi” istantaneamente. Tali processi dipendenti dall'acqua possono controllare, per esempio, il rilascio di agenti attivi dai materiali basati sul DNA.
Non è una completa sorpresa che l'involucro d'acqua del materiale genetico sia di così grande rilevanza per la funzione biologica naturale del DNA, dato che ogni biomolecola legata al DNA deve prima di tutto spostare la guaina d'acqua. Gli scienziati di Dresda hanno analizzato questo processo per il peptide indolicidina. Questa proteina antimicrobica è meno strutturata e molto flessibile e “identifica” la doppia elica così precisamente, per il fatto che vengono rilasciate molecole d'acqua altamente strutturate quando si fonde col materiale genetico. La ristrutturazione dell'involucro d'acqua, che è un vantaggio energetico, incrementa il legame dell'agente attivo. Tali dettagli sono molto importanti per lo sviluppo dei farmaci che si legano al DNA, per esempio, nella terapia del cancro, dato che possono essere verificati col metodo sviluppato dal centro HZDR.
26 Aprile 2011
di Uta Bilow, giornalista scientifico freelance
Fonte: Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf http://www.hzdr.de/db/Cms?pOid=33074&pNid=0