Pronto….risponde il DNA

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Fino a un milione di volte al giorno, fotoni provenienti dalla luce del sole, mutageni nel cibo, acqua e aria; e altri attacchi danneggiano le molecole di DNA. Per evitare gli effetti avversi del permanere di un danno nel DNA le cellule hanno sviluppato nel corso dell'evoluzione un intricato sistema di risposte atte a salvaguardare l'integrità del genoma. I meccanismi di riparazione propriamente detti ripristinano la corretta sequenza del DNA senza introdurre errori. Altri sistemi, definiti meccanismi di tolleranza, non rimuovono il danno ma assicurano la sopravvivenza cellulare anche se talvolta introducono nuovi errori. I principali meccanismi di riparazione sono: la riparazione per excisione di nucleotidi, la riparazione per excisione di basi, la riparazione per ricombinazione, che viene utilizzata quando entrambi i filamenti di DNA sono danneggiati o quando il DNA è rotto, e la riparazione degli appaiamenti errati delle basi del DNA. Alcuni danni, invece, possono essere rimossi direttamente per reversione della modificazione chimica che li ha generati.

Il compito di riparare il nostro DNA prima dell’insorgenza del cancro o di altre malattie è svolto da una vasta famiglia di proteine che come delle vere e proprie sentinelle analizzano continuamente i nostri genomi. Ma come queste proteine di riparazione riescano a trovare velocemente e in maniera corretta il danno tra 3 miliardi di coppie di nucleotidi rimane ancora un mistero. Ora, però, dopo circa 30 anni di esperimenti scrupolosi e altrettante polemiche, Jacqueline Barton, ricercatrice del California Institute of Technology (Caltech) di Pasadena, che nel corso della sua carriera ha collezionato premi e critiche in egual misura, ha messo a punto una possibile soluzione a questo enigma.
La chiave è che il DNA conduce elettricità. Secondo la Barton, infatti, le proteine di riparazione del DNA usano quella proprietà per “comunicare”, parlando tra loro come su una linea telefonica. Il DNA accelera drasticamente la ricerca del danno da parte delle proteine di riparazione. "E' un'idea folle" - spiega Jacqueline Barton - "ma questa comunicazione è il primo passo per  riparazione del nostro genoma".

L'idea che il DNA possa condurre energia elettrica effettivamente risale a poco dopo la pubblicazione di quella “paginetta” di Nature dove Watson e Crick  svelarono al mondo l’esatta struttura della molecola della vita.
I gruppi di zucchero e fosfato che compongono la "spina dorsale" di DNA in realtà somigliano a un esoscheletro, a spirale intorno a un nucleo di basi nucleotidiche. Ogni base contiene un anello di atomi, conosciuto come un gruppo aromatico, con una forma di ciambella con nuvole di elettroni sopra e sotto ogni anello. I gruppi aromatici e le loro nuvole di elettroni si sovrappongono, creando quello che sembra un percorso continuo di elettroni.
Ma negli anni 50 e 60, quando i chimici cercarono segni di “elettricità” nel DNA non trovarono nulla.

Barton sapeva poco di quei tentativi quando nel 1983 si trasferì alla Columbia University come giovane ricercatore. A quel tempo, stava studiando il trasferimento di cariche tra composti metallici in grado di legare al DNA in siti specifici.
Nel 1993 il primo passo: con la sua équipe ha dimostrato che una reazione di trasferimento elettronico tra donatore e accettore può essere mediata da un filamento di DNA. Legando un foto-ossidante a uno specifico nucleotide del DNA è possibile generare una carica positiva in una posizione predeterminata della doppia elica e monitorare il movimento di questa carica lungo il filamento. Il sito più stabile per la carica positiva nel DNA è la base guanina e, in particolare, le sequenze di DNA contenenti due o più guanine consecutive.

Misurando la velocità di trasferimento elettronico per varie sequenze di DNA ha mostrato che il processo elementare per la diffusione della carica nel DNA è lo scambio di un elettrone tra due guanine non adiacenti. “Abbiamo scoperto che il DNA può essere un buon conduttore elettrico. Ma solo se tutte le basi sono impilate correttamente una sopra l'altra”, spiega Barton.
Gli sperimenti però della ricercatrice statunitense sono stati ritenuti, per molti anni, poco attendibili. Molto ricercatori sostenevano, infatti, che i risultati ottenuti erano frutto di qualche artefatto metodologico. “E' stato molto doloroso,” afferma la Barton, “ma ci ha costretto a fare esperimenti migliori. In uno studio del 2008, il suo laboratorio ha collaborato con la Colin Nuckolls ricercatore presso la Columbia University. Il DNA è stato collegato a due nanotubi di carbonio, che a loro volta erano collegati a due elettrodi. Essi hanno scoperto che quando tutte le basi del DNA sono associate normalmente passava della corrente. Quando vi erano però dei disallineamenti dovuti a un appaiamento errato delle basi, la conducibilità del DNA calava sensibilmente.

Con questi ulteriori risultati la Barton è riuscita a fare “breccia” fra i suoi primi detrattori. Ma mancava ancora qualcosa. Come vengono condizionate le proteine di riparazione da questo cambiamento di corrente? Un ulteriore tassello a questo puzzle è arrivato dallo studio della letteratura. Nel 1992 John Tainer, un biologo strutturale presso lo Scripps Research Institute di San Diego, ha pubblicato un lavoro relativo alla struttura cristallina di una proteina di riparazione del DNA nota come endonucleasi III. EndoIII è un membro di una grande famiglia di proteine di riparazione che svolgono un processo noto come riparazione per escissione di base.
La proteina al suo interno ospita un centro di quattro atomi ferro e quattro atomi di zolfo.

In molti enzimi, i centri ferro-zolfo svolgono un ruolo di catalizzatore fondamentale perché sono abili a catturare gli elettroni. Sono importanti, infatti, per il trasferimento di elettroni nelle cellule; per i processi di attivazione catalitica; come biosensori del ferro, dell’ossigeno, dei superossidi e di altre specie chimiche.
Ritornando alla endonucleasi, i dubbi di Tainer erano dovuti proprio alla localizzatore del cluster ferro-zolfo, non sembrava essere nel posto giusto per aiutare la proteina a velocizzare una reazione. Ma, poi, perché una proteina che doveva legare il DNA ha un gruppo ferro-zolfo al suo interno?
Nella speranza di scoprire se le proprietà elettroniche del gruppo metallo stavano giocando qualche ruolo, Tainer ha isolato campioni di EndoIII e li ha esposti ad altri composti, misurando il potere ossidante/riducente della proteina. Tanti esperimenti ma pochissimi risultati. Per Tainer era la fine della storia. Fino a quando la Barton si chiese se il potenziale redox della proteina cambiava quando si agganciava al DNA. Per scoprirlo ha “collegato” il DNA a degli elettrodi in soluzione e poi ha aggiunto EndoIII. Quando la proteina si legava al DNA, il potenziale redox del cluster cambiava.
Come si spiegano questi risultati? Secondo la Barton, le proteine di riparazione potrebbero utilizzare il DNA per parlare tra di loro. Lo scenario è questo: le proteine di riparazione trovano il danno sul DNA perché non ricevono l’elettrone (le basi non sono ben appaiate) quindi si fermano e richiamano altre proteine che attivano il processo di riparazione. “E' un po' come due telefoni. Se possono parlare tra di loro significa che la linea funziona, ecco se queste proteine rilevano la corrente proveniente dalla doppia elica vuol dire che non sussiste nessun danno”.

L’intuizione della Barton, in questi anni, sta trovando conferma da nuovi studi. Proteine di riparazione con una mutazione che li rendeno meno abili nel trasferire elettroni sono meno efficienti nel trovare il danno del DNA. Molti gruppi di ricerca si stanno “convertendo” alla teoria della Barton. E se il telefono senza fili fosse la soluzione a uno dei misteri della biologia e dell’evoluzione?

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