صور علمية غير مسبوقة تكشف كيف تترابط جزيئات الحمض النووي رغم تنافرها

كشف باحثون من جامعتي شيفيلد ويورك في المملكة المتحدة عن صور عالية الدقة توضح آلية محتملة تساعد جزيئات الحمض النووي (DNA) على الاقتراب من بعضها والتراص بإحكام، رغم التنافر الكهربائي بين شحناتها المتشابهة.

وأظهرت النتائج أن الأيونات الموجبة قد تؤدي دورًا مهمًا في تقريب جزيئات الحمض النووي وتثبيتها، من خلال العمل كجسور تربط بينها. وتدعم هذه الملاحظات فرضية علمية طُرحت قبل أكثر من عقدين، وقد تسهم في توضيح كيفية تنظيم المادة الوراثية وبعض الآليات المرتبطة بتبادل المعلومات الجينية.

كيف تتغلب جزيئات الحمض النووي على التنافر الكهربائي؟

تحمل جزيئات الحمض النووي شحنات كهربائية سالبة، وهو ما يجعل اقترابها من بعضها أمرًا صعبًا في الظروف العادية بسبب التنافر الكهربائي. ومع ذلك، تتجمع هذه الجزيئات في تراكيب متقاربة داخل الخلايا، ما دفع العلماء إلى دراسة العوامل التي تسمح بحدوث هذا التقارب.

واستخدم الباحثون تقنيات تصوير عالية الدقة لفحص جزيئات الحمض النووي المتجاورة، ورصدوا تفاصيل تساعد على تفسير كيفية استقرارها بالقرب من بعضها.

وأشارت النتائج إلى أن الأيونات الموجبة، التي تشمل أيونات بعض المعادن، يمكن أن تسهم في تقليل التنافر بين الجزيئات وتكوين روابط تساعد على تثبيتها. وشرحت عالمة الفيزياء الحيوية أليس باين من جامعة شيفيلد أن هذه الأيونات قد تعمل وسيطًا يربط جزيئي الحمض النووي، بما يسمح ببقائهما متقاربين.

وتوفر هذه الآلية تفسيرًا محتملًا لكيفية اجتماع جزيئات تحمل شحنات متشابهة في تراكيب متراصة، رغم القوى الكهربائية التي تدفعها إلى الابتعاد عن بعضها.

دور أيونات المعادن في تثبيت الحمض النووي

أظهرت المحاكاة الحاسوبية المصاحبة للتجارب أن أيونات موجبة، مثل المغنيسيوم والكالسيوم والنيكل، قد تؤدي دورًا في تعزيز التقارب بين جزيئات الحمض النووي، وإن كانت طبيعة التأثير تعتمد على الظروف الكيميائية وتركيب الجزيئات.

وتكتسب هذه النتائج أهمية لأن الأيونات المعدنية تؤدي وظائف متعددة في الأنظمة البيولوجية، من بينها المساهمة في استقرار بعض الجزيئات الحيوية والتأثير في تفاعلاتها.

لكن وجود الأيونات لا يعني أن جميع المعادن تؤدي التأثير نفسه أو أن الروابط الناتجة تكون متساوية في القوة. فخصائص الأيونات وتركيزها والبيئة المحيطة بالحمض النووي عوامل قد تؤثر في طبيعة التفاعل واستقراره.

هل يؤثر ترتيب القواعد في ارتباط جزيئات DNA؟

لم تقتصر الدراسة على فحص دور الأيونات، بل تناولت أيضًا احتمال تأثير تسلسل القواعد الكيميائية التي يتكون منها الحمض النووي في طريقة ارتباط الجزيئات.

وأشارت المحاكاة إلى أن بعض التسلسلات القصيرة، ومنها التسلسل المعروف باسم GTAC، قد تساعد على تكوين روابط أكثر استقرارًا في ظروف معينة، عند وجود أيونات النيكل.

ويعني ذلك أن طريقة تراص جزيئات الحمض النووي قد لا تعتمد فقط على الشحنات الكهربائية والظروف الكيميائية المحيطة بها، بل يمكن أن تتأثر أيضًا بترتيب القواعد داخل تسلسلها.

وقد يفتح هذا الجانب المجال أمام دراسات إضافية لفهم كيفية تمييز مناطق متشابهة من المادة الوراثية بعضها عن بعض، وهي مسألة ترتبط بعمليات حيوية مهمة، من بينها إعادة تركيب الحمض النووي وتبادل المعلومات الوراثية.

الصور الجديدة تدعم فرضية علمية قديمة

تمثل الصور التي حصل عليها الباحثون خطوة مهمة في اختبار فرضية طُرحت قبل أكثر من 20 عامًا بشأن الدور الذي يمكن أن تؤديه الأيونات الموجبة في تقريب جزيئات الحمض النووي.

وأوضحت عالمة الفيزياء الحيوية أغنيس نوي من جامعة يورك أن الصور توفر دليلًا مرئيًا يدعم هذه الفكرة، بعدما أتاحت تقنيات التصوير فحص التفاعلات بين الجزيئات بدرجة أكبر من التفصيل.

وتساعد الملاحظات المباشرة، إلى جانب المحاكاة الحاسوبية، على تطوير فهم العلماء للقوى التي تتحكم في تنظيم المادة الوراثية، بدلًا من الاعتماد على النماذج النظرية وحدها.

ومع ذلك، فإن دعم الفرضية في ظروف التجربة لا يعني أن جميع تفاصيل الآلية أصبحت محسومة، إذ لا تزال هناك حاجة إلى مزيد من الدراسات لتحديد نطاق تأثيرها والظروف التي تعمل فيها.

هل تحدث الآلية نفسها داخل الخلايا الحية؟

رغم أهمية النتائج، أُجريت التجارب في ظروف مخبرية، ولذلك لا يمكن الجزم بأن الآلية نفسها تحدث بالطريقة ذاتها داخل الخلايا الحية.

فالحمض النووي داخل الخلايا يوجد ضمن بيئة معقدة تتفاعل فيها البروتينات والأيونات وجزيئات أخرى، وتؤثر هذه العناصر في تنظيم المادة الوراثية وتعبئتها والوصول إلى مناطق محددة منها.

ومن ثم، يحتاج الباحثون إلى إجراء دراسات إضافية لتحديد مدى مساهمة هذه الآلية في تنظيم الحمض النووي داخل الخلايا، وما إذا كانت تؤثر في عمليات حيوية محددة، مثل إعادة التركيب الوراثي.

كما لا تثبت النتائج وجود علاقة مباشرة بين هذه الآلية والإصابة بالسرطان، إذ يتطلب بحث أي ارتباط من هذا النوع أدلة مستقلة وتجارب مخصصة.

أهمية الاكتشاف في فهم المادة الوراثية

قد تساعد الدراسة على توضيح جانب من التفاعلات الفيزيائية والكيميائية التي تتحكم في تقارب جزيئات الحمض النووي واستقرارها، كما يمكن أن تمهد الطريق أمام أبحاث جديدة بشأن تنظيم المادة الوراثية والتفاعلات التي تحدث بين تسلسلاتها.

وتكمن أهمية النتائج في الجمع بين التصوير عالي الدقة والمحاكاة الحاسوبية لدراسة ظاهرة يصعب تفسيرها اعتمادًا على التنافر الكهربائي وحده.

ونُشرت الدراسة في دورية «Nucleic Acids Research»، لتضيف نتائج جديدة إلى الأبحاث التي تسعى إلى فهم الخصائص الفيزيائية للحمض النووي، وكيفية تنظيمه وتفاعله داخل الأنظمة الحيوية.