Un team di scienziati ha scoperto i principi fisici – una serie di forze e flussi idrodinamici – che contribuiscono a garantire il corretto funzionamento dell'”impronta della vita”. Questi risultati forniscono nuove conoscenze sul genoma e, potenzialmente, offrono un nuovo mezzo per individuare le aberrazioni genomiche legate ai disturbi dello sviluppo e delle malattie umane.

“Il modo in cui il genoma è organizzato e impacchettato all’interno del nucleo influisce direttamente sulla sua funzione biologica, ma i principi fisici alla base di questa organizzazione sono ben lungi dall’essere compresi”, spiega Alexandra Zidovska, professoressa presso il Dipartimento di Fisica della New York University e autrice dell’articolo, pubblicato sulla rivista Physical Review X (PRX). “I nostri risultati forniscono intuizioni fondamentali sulle origini biofisiche dell’organizzazione del genoma all’interno del nucleo cellulare”. “Queste conoscenze sono fondamentali per comprendere la funzione del genoma”, aggiunge David Saintillan, professore presso il Dipartimento di Ingegneria meccanica e aerospaziale dell’Università della California e co-autore dello studio

In particolare, il gruppo di ricerca si è concentrato sul ruolo del nucleoplasma – il fluido in cui è immerso il genoma – e sulle forze che ne determinano l’organizzazione. Nello specifico, hanno esaminato le forze applicate dagli enzimi sulla cromatina, la sostanza che compone il nucleo cellulare di tutte le cellule eucariote. Queste forze avviano processi, come la trascrizione, e agiscono in modo da influenzare la disposizione spaziale della cromatina. Tuttavia, nonostante il ruolo cruciale di questo processo nella trasmissione delle informazioni genetiche, la fisica che lo sottende è poco chiara.

Per comprendere meglio questa dinamica, gli scienziati si sono concentrati sulla compartimentazione del genoma nelle sue parti principali, l’eucromatina e l’eterocromatina. L’eucromatina contiene prevalentemente geni che trascrivono attivamente e che guidano l’espressione genica; l’eterocromatina contiene geni che sono silenziati e quindi non espressi nella cellula.

Per cogliere questo aspetto, i ricercatori hanno creato un sistema di modellazione al computer che riproduce questo processo attraverso una serie di simulazioni. Nel loro modello di nucleo, 23 fibre di cromatina – il numero di cromosomi nel genoma umano – sono state modellate come catene fluttuanti e inserite in una sfera piena di fluido. Ogni catena è stata suddivisa in regioni attive, o eucromatina, e regioni eterocromatiche passive. Hanno scoperto che quando le forze attive agiscono sulla fibra di cromatina, generano flussi nel fluido, che a loro volta influenzano il movimento e il posizionamento della cromatina circostante. Queste forze spingono sulle parti eucromatiche e guidano flussi che causano un importante riarrangiamento spaziale del genoma, portando in particolare alla formazione di compartimenti di eterocromatina.

“Le parti eucromatiche, o attive, spingono le parti eterocromatiche, o inattive, fuori dalla loro strada e le raggruppano”, spiega Zidovska. In questo modo la cellula immagazzina efficacemente i geni inattivi”. “Questo è fondamentale per la nostra salute: se questo processo va storto, l’organismo non si forma correttamente e può portare a disturbi dello sviluppo e ad altre malattie, come lo sviluppo di cellule cancerose”. Nel video, prodotto dai ricercatori, viene rappresentato il nucleo della cellula, pieno di cromosomi illustrati con colori diversi. La disposizione dei cromosomi è influenzata dalle forze attive sul genoma e dalle loro interazioni idrodinamiche. (Credit: Achal Mahajan, UC San Diego)