science >> Wetenschap >  >> Chemie

Natuurkundigen gebruiken wiskundige algoritmen om experimentele 3D-structuren van chromosomen te onderzoeken

Onderzoekers van de Universiteit van Mainz vonden twee knopen in chromosoom 14, hier aangegeven door de ononderbroken lijnen. De blauwe en rode stippen markeren het begin en einde van het chromosoom. De kleur die in de afbeelding wordt gebruikt, is alleen bedoeld om te helpen bij de oriëntatie. Krediet:Jonathan Siebert, JGU

Iedereen weet dat lange stukjes garen, of laadkabels en dergelijke, hebben de neiging snel in de knoop te raken en vervelende knopen te vormen. Er is weinig bekend over de structuren van ons genetisch materiaal, chromosomen, die ook uit lange snaren bestaan ​​die - volgens onze ervaring - waarschijnlijk in de knoop raken. Echter, tot nu toe was het niet mogelijk om dit experimenteel te bestuderen.

Onderzoekers van de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz (JGU) in Duitsland hebben nu ontdekt dat chromosomen inderdaad verknoopt kunnen zijn. "We gebruikten wiskundige algoritmen om 3D-polymeermodellen van chromosomen te onderzoeken die collega's van de universiteit van Cambridge hadden gegenereerd op basis van experimentele gegevens, " meldde Dr. Peter Virnau van het JGU's Institute of Physics. "Het was niet eerder mogelijk om te bepalen of chromosomen daadwerkelijk geknoopt zijn omdat er onvoldoende kennis is van hun exacte driedimensionale structuur. Maar met behulp van de chromosoommodellen die zijn gepubliceerd door de specialisten in Cambridge, we ontdekten dat ze verstrikt waren."

Voor hun berekeningen de natuurkundigen in Mainz gebruikten de 3D-chromosoommodellen die in het voorjaar van 2017 werden gepubliceerd. Het Mainz-team breidde deze modellen aan beide uiteinden uit en koppelde ze vervolgens aan elkaar, omdat het alleen mogelijk is om gesloten ringen aan wiskundige analyse te onderwerpen om te zien of ze knopen bevatten . "Stel je voor dat je beide uiteinden van het chromosoom vastpakt en ze samentrekt, ", legde Virnau uit. De onderzoekers gebruikten vervolgens speciale wiskundige algoritmen om het uitgebreide model te onderzoeken.

Het onderzoeksteam van de Universiteit van Mainz speculeert dat hoewel verstrengelingen tussen chromosomen moeten worden verwijderd voor de voortgang van de celcyclus, die binnen een chromosoom mogelijk geen invloed hebben op de functie en overdracht van genetische informatie. Er zijn ook bepaalde eiwitstrengen met ingewikkelde knopen, iets dat experts in het verleden verrassend zouden hebben gevonden. En zelfs het DNA in virussen die bacteriën aanvallen, zogenaamde bacteriofagen, is geknoopt. Terwijl de knopen in deze speciale eiwitten zich altijd in dezelfde positie lijken te vormen, ze lijken willekeurig voor te komen in het geval van de virussen. Dr. Peter Virnau speculeert dat hetzelfde ook zou kunnen gelden voor chromosomen.

Het team in Mainz kan nog niet zeggen of hun resultaten een artefact zijn van de eenvoud van de polymeermodellen die worden gebruikt om chromosoomstructuren weer te geven, of dat ze inderdaad de echte vorm van chromosomen aangeven. Hoe dan ook, de berekeningen in Cambridge en Mainz suggereren dat chromosomen verknoopt kunnen zijn.