DNA e RNA: Non Solo Codici Genetici, Ma Liquidi Programmabili che Stanno Rivoluzionando la Scienza!

Ciao a tutti, appassionati di scienza e curiosi! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio affascinante nel mondo microscopico, dove le molecole che definiscono la vita, il DNA e l’RNA, stanno rivelando un lato di sé assolutamente sorprendente. Preparatevi, perché stiamo per scoprire come questi acidi nucleici possano comportarsi come dei veri e propri fluidi intelligenti, le cui proprietà possiamo addirittura programmare! Sembra fantascienza, vero? Eppure, è la frontiera della ricerca in cui ci stiamo addentrando.

Quando le Molecole Decidono di “Fare Gruppo”: I Condensati Biomolecolari

Prima di tutto, facciamo un piccolo passo indietro. All’interno delle nostre cellule, DNA e RNA non se ne stanno sparpagliati a caso. Spesso si organizzano in compartimenti senza membrana, delle specie di “goccioline” chiamate condensati biomolecolari. Pensate ai nucleoli o ai granuli di stress: sono strutture dinamiche fondamentali per un sacco di processi cellulari. La natura, con la sua eleganza, usa un principio chiamato “auto-assemblaggio dal basso verso l’alto” per costruire queste meraviglie. Ma come fanno le interazioni su scala molecolare a tradursi in proprietà macroscopiche, come la fluidità di queste goccioline? Ecco, questa è una delle grandi domande che ci siamo posti.

Noi scienziati siamo sempre stati affascinati dalla specificità con cui le sequenze di DNA e RNA si legano tra loro – pensate alla doppia elica, alla decodifica del messaggio genetico da parte del ribosoma. Questa “programmabilità” è stata già sfruttata per creare nanomateriali pazzeschi, come l’origami di DNA o gli idrogel. Ma l’idea di creare dei liquidi le cui proprietà potessimo controllare con precisione cambiando la sequenza del DNA o dell’RNA… beh, quella era una sfida troppo allettante per non essere raccolta!

La Scintilla: I Cationi Multivalenti e la Coacervazione Complessa

Nelle cellule, DNA e RNA non sono soli. Interagiscono con cationi multivalenti, come le poliammine o proteine cariche positivamente. Quando mescoliamo polimeri con cariche opposte, può avvenire un fenomeno chiamato “separazione di fase associativa” o, più tecnicamente, coacervazione complessa. Immaginate di mescolare olio e aceto: si separano, giusto? Qualcosa di simile accade qui, formando una fase ricca di polimeri (le nostre goccioline liquide) e una fase più diluita. Questo processo è cruciale per la formazione di molti condensati cellulari e si pensa abbia giocato un ruolo persino negli scenari dell’origine della vita.

Il bello è che, anche dentro queste goccioline dense, gli acidi nucleici mantengono la loro capacità di appaiarsi specificamente in base alla sequenza. E qui è scattata la nostra ipotesi: e se potessimo usare questi appaiamenti intermolecolari (cioè tra filamenti diversi) per creare dei “ponti” temporanei che influenzano come si muovono le molecole e, di conseguenza, quanto è “liquido” il condensato? Un po’ come i polimeri auto-associativi, che formano legami reversibili e danno vita a materiali con proprietà incredibili come l’auto-riparazione. Con il DNA e l’RNA, però, abbiamo un controllo sulla sequenza che i polimeri sintetici si sognano!

Il Nostro Ingrediente Segreto: i “PatchyDNA” e “PatchyRNA”

Così, ci siamo messi al lavoro. Abbiamo ingegnerizzato degli oligonucleotidi di DNA (e poi di RNA) con delle piccole “toppe” (patches) capaci di ibridarsi, intervallate da regioni non appaianti. Abbiamo usato come base un filamento di deossitimidina (T-90), che di suo non forma strutture complesse, e ci abbiamo inserito queste sequenze palindromiche corte. L’idea era che queste “toppe” potessero appaiarsi con quelle di altri filamenti una volta che il DNA si fosse concentrato nella fase liquida grazie all’aggiunta di cationi multivalenti, come la spermina (una poliammina presente nelle cellule).

E ha funzionato! Aggiungendo spermina, il nostro “patchyDNA” formava delle bellissime goccioline liquide. Dentro queste gocce, la concentrazione di DNA era abbastanza alta da favorire gli incontri e quindi gli appaiamenti inter-catena. Questi appaiamenti agiscono come dei ponti temporanei che rallentano il movimento dei filamenti di DNA.

Misurare la “Fluidità”: Dalla Diffusione alla Viscosità

Come abbiamo fatto a capire quanto questi legami influenzassero la fluidità? Abbiamo usato un paio di tecniche ingegnose.
Una è la FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching). Immaginate di avere una gocciolina di DNA fluorescente. Con un laser, “spegniamo” la fluorescenza in una piccola area. Poi, osserviamo quanto tempo ci mette la fluorescenza a tornare in quell’area, grazie all’arrivo di molecole “accese” dalle zone circostanti. Questo tempo ci dice quanto velocemente si muovono le molecole (il loro coefficiente di autodiffusione, Dself).
Ebbene, abbiamo scoperto che più forte era l’energia di ibridazione delle nostre “toppe” (che possiamo programmare cambiando la sequenza o la temperatura), più lentamente si muoveva il DNA. Addirittura, la diffusione diminuiva esponenzialmente con l’aumentare dell’energia di legame! Potevamo variare la mobilità del DNA di quasi tre ordini di grandezza!

Poi siamo passati a misurare le proprietà viscoelastiche con la microreologia a tracciamento di particelle. In pratica, abbiamo inserito delle microsfere fluorescenti nelle nostre goccioline di DNA e abbiamo seguito i loro movimenti. Se il materiale è molto liquido, le sfere si muovono parecchio; se è più viscoso, si muovono meno. Anche qui, bingo! La viscosità (η) dei nostri condensati aumentava esponenzialmente con l’energia di ibridazione delle toppe. Potevamo passare da fluidi relativamente scorrevoli a sostanze molto più dense, quasi gelatinose, semplicemente ritoccando la sequenza del DNA.

Abbiamo anche osservato la fusione delle goccioline: due gocce liquide, quando si toccano, tendono a fondersi per minimizzare l’area superficiale, contrastate dalla viscosità. I tempi di fusione ci hanno dato un’altra misura della viscosità relativa alla tensione interfaciale (η/γ). E indovinate un po’? Anche questo rapporto scalava esponenzialmente con l’energia di ibridazione, permettendoci di modulare le proprietà su ben sei ordini di grandezza! La tensione interfaciale, invece, rimaneva piuttosto bassa e costante, un po’ come in altri condensati polimerici.

Non Solo Auto-Appaiamento: Interazioni Eterotipiche e Risposte a Stimoli

Ma non ci siamo fermati qui. E se volessimo che le proprietà del condensato cambiassero in risposta a uno stimolo esterno, tipo l’aggiunta di un altro filamento? Abbiamo progettato dei sistemi “eterotipici”: un filamento primario di DNA che da solo non forma legami forti, e un filamento secondario “attuatore” che, una volta aggiunto, può legarsi al primo e creare i ponti intermolecolari. Anche in questo caso, le proprietà del condensato (diffusività e viscosità) potevano essere finemente modulate cambiando la sequenza del filamento attuatore, e quindi la forza del legame eterotipico. Immaginate le possibilità per sensori o materiali che cambiano proprietà su comando!

E l’RNA? Stesse Regole, Stesso Fascino!

Le cellule eucariotiche sono piene di condensati contenenti RNA, come i nucleoli e i granuli di stress, che hanno proprietà liquide. Spesso, le proteine coinvolte in questi condensati hanno regioni disordinate cariche. Ci siamo chiesti: i principi che abbiamo scoperto per il DNA valgono anche per l’RNA?
Abbiamo quindi creato dei “patchyRNA”, usando un filamento di poli-U come base e inserendo 4 toppe di ibridazione. Come partner cationico, abbiamo usato un peptide di poli-L-lisina. E sì, anche i condensati di RNA/peptide si comportavano in modo simile! La loro viscosità aumentava esponenzialmente con l’energia di ibridazione delle toppe dell’RNA, confermando che l’appaiamento inter-filamento è un meccanismo generale per modulare le proprietà di questi fluidi biomolecolari.

Perché Tutto Questo è Così Emozionante?

Beh, per prima cosa, abbiamo dimostrato che possiamo sfruttare due proprietà fondamentali degli acidi nucleici – la loro carica negativa e la programmabilità sequenza-specifica dei loro legami – per creare materiali liquidi con un controllo squisito sulle loro proprietà fisiche. Modificando la sequenza, programmiamo la “vita media” dei legami tra filamenti, e questo si riflette direttamente sulle proprietà macroscopiche. È un po’ come avere un telecomando molecolare per regolare la fluidità!

Questo apre la strada a una nuova classe di materiali auto-assemblanti. Pensate a polimeri con associazioni dinamiche e reversibili: possono essere facilmente degradati, rispondere a stimoli, persino auto-ripararsi. Finora, ingegnerizzare con precisione queste interazioni nei polimeri sintetici è stato difficile. Il DNA e l’RNA ci offrono una piattaforma incredibilmente versatile.

Inoltre, il nostro lavoro getta nuova luce sulla fisica dei condensati biomolecolari nelle cellule. L’RNA è l’impalcatura di molti di questi organelli senza membrana, ma come la sua sequenza influenzi la condensazione è ancora un campo in gran parte da esplorare. Noi abbiamo dimostrato che anche appaiamenti transitori e specifici tra molecole di RNA possono alterare profondamente le proprietà dei condensati, influenzando la diffusione molecolare e, potenzialmente, le velocità di reazione al loro interno.
Si parla molto della “grammatica molecolare” delle proteine disordinate che formano condensati e di come mutazioni in queste proteine possano portare a malattie neurodegenerative, alterando la viscoelasticità dei condensati. Il nostro lavoro suggerisce che potrebbe esistere una “grammatica dell’RNA” altrettanto importante, e che mutazioni nell’RNA potrebbero avere effetti simili.

Insomma, stiamo iniziando a decifrare i principi che governano la formazione e la funzione di questi affascinanti granuli di RNA e proteine nelle cellule. E chissà, un giorno potremmo persino usare queste conoscenze per creare organelli sintetici senza membrana con funzioni su misura! Un futuro davvero liquido e programmabile ci attende.

Fonte: Nature Communications