Resistente come una cotta di maglia dei cavalieri medievali ma flessibile e leggero come una lente a contatto. Non è un materiale sci-fi, è una struttura fatta di migliaia di anellini di DNA intrecciati tra loro. Il suo studio può aiutarci ad acquisire conoscenze avanzate in ambiti che vanno dalla biofisica alle scienze dei materiali. Dalla lotta contro alcune malattie tropicali allo sviluppo di nuovi materiali biomedici.
A questo tema è dedicato l’articolo (Organisation and dynamics of individual DNA segments in topologically complex genomes) uscito su Nucleic Acid Research, una delle riviste di riferimento per la comunità scientifica che si occupa di DNA, RNA e genomi. Lo studio, scelto anche per la copertina, è frutto di una collaborazione tra il Dipartimento di Fisica dell’Università di Trento, con Guglielmo Grillo con la supervisione di Luca Tubiana, e quello dell'Università di Edimburgo, con Saminathan Ramakrishnan e Auro Varat Patnaik sotto la guida di Davide Michieletto.
Il lavoro scientifico ha indagato sperimentalmente (e qui il ruolo principale lo ha avuto Edimburgo) e computazionalmente (con le simulazioni che hanno visto la leadership di UniTrento) le proprietà dinamiche del “kinetoplast DNA”, il genoma mitocondriale dei tripanosomatidi, una famiglia di parassiti (protozoi flagellati) pericolosi per le persone e per gli animali, responsabili di alcune malattie tropicali, come la leishmaniosi e la malattia del sonno, che vengono trasmesse dalla puntura di mosche, zanzare o altri insetti.
Quantificare l’organizzazione spaziale e la dinamica delle diverse regioni del genoma di questo parassita del sangue è una sfida nel campo della biologia. E questo particolare genoma si distingue per caratteristiche utili per lo sviluppo di nuovi materiali. «I tripanosomatidi sono degli organismi unicellulari eucarioti interessanti perché hanno un genoma mitocondriale formato da migliaia di anellini di DNA intrecciati, una specie di cotta di maglia su scala micrometrica. Questa “rete olimpica” è perfettamente bidimensionale, ed è attraversata da alcuni macro-anelli che hanno il ruolo di contenere i geni essenziali per la produzione di energia nel parassita», afferma Tubiana, professore di Fisica per le scienze della vita all’Università di Trento.
Tubiana racconta il lavoro di ricerca: «Attaccando delle particelle luminescenti (quantum dots) a ognuno dei 24 macro-anelli più lunghi, il team di Edimburgo è riuscito a studiare non solo la loro distribuzione spaziale all’interno della rete intrecciata dei mini-anelli, ma anche la loro dinamica. Abbiamo visto che i macro-anelli tendono a localizzarsi alla periferia della rete e che sono caratterizzati da una dinamica molto lenta. Attraverso le simulazioni sviluppate a Trento, poi, abbiamo scoperto non solo che questa localizzazione periferica degli anelli più lunghi può contribuire alla deformazione della struttura, ma anche che la dinamica osservata sperimentalmente si può spiegare ipotizzando che le particelle restino incastrate nei mini-anelli, come pesci in una rete. Grazie a questo siamo riusciti a usare le informazioni ottenute dal loro moto per stimare l’elasticità dell’intera struttura.
Il nostro metodo potrebbe essere utilizzato in modo più generale per quantificare l’organizzazione spaziale, la dinamica e le proprietà materiali di altre strutture di DNA. Comprendere meglio l'organizzazione e le dinamiche di questi anelli di DNA è rilevante per la lotta contro alcune malattie tropicali (come la leishmaniosi e la malattia del sonno) perché il genoma mitocondriale è vitale per il parassita che entra nell’organismo. Inoltre, il “kinetoplast DNA” è un esempio naturale di “gel olimpico”, cioè di un materiale formato da anelli intrecciati. Questa classe di materiali ha proprietà esotiche, ovvero inusuali e interessanti (come, ad esempio, la sua duttilità) ed è al centro di molte ricerche in fisica della materia, chimica e scienze dei materiali. Ciò che abbiamo osservato nello studio sulle proprietà meccaniche ed elastiche del “kinetoplast DNA” può aiutarci a progettare materiali adatti ad applicazioni biomediche o elettroniche», conclude.