O echipă de cercetători de la Facultatea de Fizică a Universității „Alexandru Ioan Cuza” din Iași (UAIC) a dezvoltat o metodă inovatoare pentru a studia, la nivel de moleculă individuală, dinamica unei structuri speciale de ADN implicată în reglarea activității genelor.
Descoperirea oferă perspective noi asupra mecanismelor moleculare care ar putea sta la baza viitoarelor terapii genice.
Rezultatele cercetării sunt prezentate în studiul intitulat „Nanopore-Based, Real-Time Single-Molecule Probing of i-Motif Structural Dynamics and Targeted PNA Disruption”, publicat în prestigiosul jurnal „Nano Letters” al American Chemical Society, inclus în clasamentul select Nature Index, care reunește cele mai relevante publicații internaționale din domeniul științelor vieții.
Echipa UAIC, formată din prof. univ. dr. Loredana Mereuță și doctoranda Adina Cîmpanu, coordonată de prof. univ. dr. Tudor Luchian, a dezvoltat o metodă modernă care permite observarea, în timp real, a unor structuri speciale ale ADN-ului implicate în reglarea expresiei genelor.
„Reglarea expresiei genelor este esențială pentru viața oricărei celule: o activare excesivă sau insuficientă a unei gene poate declanșa o cascadă dezastruoasă de evenimente celulare, ducând la moartea celulei sau, în cazul cancerului, la imortalitatea acesteia. Pentru a înțelege aceste mecanisme disfuncționale, este fundamental să înțelegem ce factori influențează stabilitatea și comportamentul ADN-ului. În mod tradițional, ADN-ul este văzut ca o dublă elice dreaptă, clasică. Cu toate acestea, în celulele noastre, ADN-ul este mult mai dinamic și poate lua o varietate de forme neobișnuite, cum ar fi structuri cu patru lanțuri (G-quadruplexe) sau, așa cum este subiectul acestui studiu, structuri i-motif. Acestea se formează în regiuni bogate în citozină (C) a genomului, cum ar fi telomerii (capetele cromozomilor) și în anumite secvențe promotoare ale genelor, fiind puternic influențate de pH-ul mediului. Ele sunt considerate „al doilea cod genetic”, implicat în reglarea activității genelor”, precizează prof. univ. dr. Tudor Luchian.
Metoda dezvoltată de cercetătorii UAIC se bazează pe utilizarea unui nanopor de α-hemolizină (α-HL), o proteină nanoscopică care formează un canal extrem de îngust într-o membrană. Atunci când un curent electric foarte slab trece prin acest canal, moleculele de ADN care interacționează cu nanoporul determină modificări specifice ale curentului, care pot fi măsurate cu o precizie remarcabilă.
Folosind această tehnică, cercetătorii au studiat o structură specială a ADN-ului numită i-motif și au descoperit două moduri de detectare:
- Ciocniri reversibile: Structura i-motif se lovește de intrarea nanoporului, provocând blocaje scurte și reversibile ale curentului electric. Acest fenomen le permite cercetătorilor să urmărească în timp real cum se pliază și se desfac aceste structuri ale ADN-ului;
- Captură în vestibul: i-motif-ul pătrunde în partea mai largă a nanoporului (vestibulul) și rămâne blocat, generând o „semnătură” electrică stabilă. Aceasta a permis măsurarea volumului structurii cu o rezoluție de ordinul nanometrilor cubi și observarea modului în care aceasta se modifică în funcție de aciditatea mediului (pH-ul).
Cea mai promițătoare parte a acestei cercetări constă în posibilitatea de aplicare directă în dezvoltarea unor noi tratamente medicale. Potrivit cercetătorilor, prin blocarea selectivă a i-motif-urilor din anumite regiuni ale genelor implicate în boli, cum ar fi unele tipuri de cancer, ar putea fi dezvoltate terapii inovatoare capabile să regleze activitatea genelor.
„În cadrul acestei cercetări, am creat o moleculă mică, numită PNA (acid nucleic peptidic), formată din doar șase unități, care se potrivește exact cu secvența de ADN studiată. Această moleculă funcționează ca un „întrerupător genetic” reversibil, care poate pătrunde controlat în structura i-motif și să o destabilizeze, împiedicând formarea acesteia, mai ales înainte ca mediul să devină prea acid (scăderea pH-ului). Un avantaj major al PNA-ului este că este mult mai rezistent la degradarea enzimatică în corp decât ADN-ul sau ARN-ul obișnuit, ceea ce îi conferă un potențial terapeutic important. Astfel de probe PNA ar putea fi optimizate – fie cuplându-se cu peptide care facilitează pătrunderea în celule, fie adăugând secvențe nucleotidice adiționale – pentru a ataca cu mai multă eficiență structurile i-motif din celulă. Lucrarea noastră prezintă, astfel, o metodă puternică care permite studierea unei singure molecule de ADN, pentru a înțelege cum interacționează structurile i-motif. În plus, studiul arată cum pot fi proiectate molecule speciale, numite PNA-uri terapeutice, care ar putea să țintească aceste structuri și să le controleze. Acest studiu nu doar că ne ajută să înțelegem mai bine mecanismele fundamentale ale vieții, dar deschide și perspective pentru viitoare strategii de tratament medical”, a subliniat prof. univ. dr. Tudor Luchian, coordonatorul echipei de cercetare a UAIC.
Lucrarea științifică care fundamentează acest studiu este disponibilă aici.
