IL GENOMA è FRATTALE

Studi recenti hanno estrapolato ed esplorato il genoma umano ad alta
risoluzione e a tre dimensioni. Ne è derivata una scultura matematicamente
armoniosa ed elegante. Un magnifico frattale!

da scienzaeconoscenza.it

Dopo aver intervistato Dan Winter per il numero in uscita (il 30), inventore
del biofeedback (sintonizzatore del cuore e altri tipi) ed esperto di
geometria sacra, di frattali e frattalità, la notizia che segue ha
particolarmente attratto la mia attenzione.

Nel senso che, è da mo' che Dan Winter si è accorto di quello che Science
rende evidente a seguito di relazioni su studi attualissimi riguardo la
struttura frattale del DNA e dell'influenza di tale struttura sulla funzione
globale del genoma.

In poche parole si sta spostando l'attenzione dal discorso della
sequenza-contenuto a quello della forma-posizione nello spazio. L'assunzione
da parte dei geni di una posizione spaziale piuttosto di un'altra, e, a
seguito, di una variazione della forma geometrica, sembrano influenzare la
funzionalità dell'intero genoma.

Si potrebbe parlare di una costellazione di cromosomi la cui organizzazione
spaziale fa da regolatore del genoma stesso. E la sua immagine in 3D appare
essere, guarda caso, un magnifico frattale. Matematicamente si tratta di una
curva di Hilbert, conosciuta anche come curva spazio-riempiente o che può
riempire uno spazio bidimensionale, senza mai sovrapporsi - e poi seguire un
movimento identico in tre dimensioni. Per la prima volta è stata descritta
nel 1891 dal matematico tedesco David Hilbert

In parte riassunta ecco la news uscita su WiredScience (vedi fonte a fine
articolo), l'8 ottobre scorso a cura di Brandon Keim.

“Rompendo il DNA in milioni di pezzi e capovolgendo ingegneristicamente la
loro posizione, i ricercatori hanno prodotto l'immagine a più alta
risoluzione mai ottenuta della struttura tridimensionale del genoma.

L'immagine è una delle eccezionali glorie frattali e la tecnica potrebbe
aiutare gli scienziati a investigare come la forma stessa del genoma e non
solo il contenuto del suo DNA influenzi lo sviluppo umano e la malattia.

“Diventa chiaro che l'organizzazione spaziale dei cromosomi è critica nel
regolare il genoma” ha detto il co-autore degli studi Job Dekker, un biologo
molecolare della Medical School, Università del Massachusetts. “Questo apre
a nuovi aspetti della regolazione del gene finora non disponibili
all'indagine. Ci porterà a un bel po' di nuove domande.”

Come descritto nei libri di testo di biologia di base e nell'immaginario del
pubblico, il genoma umano è assemblato in pacchetti di DNA e proteine, di 23
cromosomi, disposti ordinatamente a forma di X all'interno di ogni nucleo
della cellula. Ma questo soltanto nel breve intervallo in cui le cellule
sono sul punto di dividersi. Il resto del tempo, i cromosomi sono presenti
in un denso e sempre mutevole ciuffo.

Per decenni, alcuni biologi cellulari hanno sospettato che la compressione
del genoma fosse non solo un meccanismo efficace di archiviazione, ma legata
alla funzione stessa e all'interazione dei suoi geni. Ma questo non era
facile da studiare: l'atto di sequenziare il genoma distrugge la sua forma,
e i microscopi elettronici riescono a malapena a penetrare la sua superficie
attiva. Se i suoi elementi costitutivi sono noti, la vera forma del genoma è
stata un mistero.

Nel mese di aprile, un documento pubblicato nel Proceedings of the National
Academy of Sciences aveva legato modelli di attivazione dei geni alla loro
vicinanza fisica ai cromosomi. Ciò fornisce ancora la prova più convincente
che attribuisce al genoma la responsabilità di dar forma alla materia, anche
se la mappa dei cromosomi a disposizione dei ricercatori fosse,
relativamente, a bassa risoluzione. “Non conoscevamo l'organizzazione
interna. Ora possiamo osservarla in alta risoluzione, cercare di collegare
tale struttura con l'attività dei geni, e vedere come cambia la struttura
nelle cellule e nel tempo ", ha detto Dekker.

Per determinare la struttura del genoma, senza essere in grado di vederlo
direttamente, i ricercatori prima hanno immerso i nuclei cellulari nella
formaldeide, che interagisce con il DNA come la colla. La formaldeide
appiccica insieme i geni che sono distanti gli uni dagli altri in lineari
sequenze genomiche, ma adiacenti gli uni agli altri nel reale spazio
tridimensionale del genoma.

I ricercatori hanno poi aggiunto una sostanza chimica che ha dissolto i
legami della sequenza lineare gene dopo gene, lasciando però i collegamenti
della formaldeide intatti. Studiando le coppie, i ricercatori sono stati in
grado di dire quali geni erano vicini gli uni agli altri nel genoma
originale. Con l'aiuto di un software che con riferimenti incrociati univa
le coppie del gene con le loro sequenze conosciute nel genoma, hanno
assemblato una scultura digitale del genoma. E che scultura!

"Non ci sono nodi. E' completamente disimpigliata. È come una palla
incredibilmente densa di spaghetti, ma è possibile estrarre alcuni degli
spaghetti e rimetterli dentro, senza affatto disturbare la struttura", ha
detto il biologo computazionale Erez Lieberman-Aiden, della Harvard
University, anch'egli un co-autore agli studi.

Come l'evoluzione sia arrivata a questa soluzione dalla sfida dello
stoccaggio del genoma è sconosciuta. Potrebbe essere una proprietà
intrinseca della cromatina, del DNA-e-mix di proteine di cui sono fatti i
cromosomi. I ricercatori hanno anche scoperto che i cromosomi hanno due
regioni, una per i geni attivi e un altra per i geni inattivi, e le
curvature libere consentono ai geni di essere trasferiti facilmente tra di
loro.

Lieberman-Aiden ha paragonato la configurazione alle fila compresse di
scaffali meccanizzati che si trovano nelle grandi biblioteche. "Sono come
pile, l'una accanto all'altra e l'una sull'altra, senza alcuno spazio in
mezzo. E quando il genoma vuole usare un gruppo di geni, si apre la fila. La
segregazione dei geni attivi e non, aggiunge elementi di prova che la
struttura del genoma interessa la funzione del gene.

“E' una buona descrizione della struttura del nucleo, che aggiunta a quello
che abbiamo fatto, costituisce il quadro generale", ha detto Steven Kosak,
un biologo cellulare della Northwestern University e co-autore della
relazione di aprile PNAS, che lega i grezzi contorni di accordo del
cromosoma con l'attivazione del gene. Sebbene lo studio abbia guardato solo
un paio di cromosomi, la relazione di Science "guarda all'alta risoluzione
dell'intero genoma", ha detto Kosak.

"Ora si è in grado di produrre queste mappe del genoma, e sovrapporle con le
estese analisi del genoma a livello dell'espressione genica. Si può
veramente cominciare a chiedersi come i cambiamenti di organizzazione
spaziale si riferiscano ai cambiamenti nei geni che si accendono e
spengono", ha detto Tom Misteli, un biologo cellulare al National Cancer
Institute, che studia come le anomalie nella struttura dei cromosomi possano
attivare le cellule cancerose. Peraltro, né Misteli né Kosak sono stati
coinvolti nello studio di Science.

Collegare la forma del genoma con la funzione del gene potrebbe anche
aiutare a spiegare la connessione tra geni e malattie, che rimane in gran
parte inspiegabile dalla genomica tradizionale, focalizzata sulla sequenza.

"E 'perfettamente ragionevole e quasi inevitabile che la struttura 3-D del
DNA influenzi il suo funzionamento", ha dichiarato Teri Manolio, direttore
dell'ufficio del National Human Genome Research Institute of Population
Genomics.

I ricercatori vogliono anche studiare come si alteri la forma del genoma.
Sembra che accada costantemente durante la transizione da cellule staminali
a cellule adulte, e poi durante la funzione cellulare”. [fine del rapporto
news]

È lecito chiedersi quale apporto e ripensamento queste nuove scoperte
possano portare alla manipolazione genetica. Spostare gli addendi del
genoma, alla luce di tali novità, non sembra essere un leggero giochetto da
ragazzi. Non è solo una mera questione di forma, ma un profondo intervento
invasivo sulla funzionalità. Conviene tenerne conto.

Fonte: http://www.wired.com/wiredscience/2009/10/fractal-genome/

Traduzione e riadattamento di Elsa Masetti, per Scienza e Conoscenz