1
Badacz z Colorado State University studiuje, jak te odporne mikroby — które stanowią jedną z trzech ocalałych dziedzin życia — wyrażają swoje geny, produkują energię i rozwijają się w gorących, pozbawionych światła środowiskach.
Okazuje się, że nie różnimy się aż tak bardzo — biochemicznie, w każdym razie — od archaii.
Santangelo, profesor nadzwyczajny na Wydziale Biochemii i Biologii Molekularnej, był w zespole, który znalazł uderzające podobieństwa pomiędzy tym, jak komórki archeali i bardziej złożone komórki, w tym ludzkie i zwierzęce, pakują i przechowują swój materiał genetyczny. Przełomowe badania, opublikowane w Science na początku tego roku, dostarczyły dowodów na to, że archaea i komórki eukariotyczne posiadają wspólny mechanizm kompaktowania, organizowania i strukturyzowania swoich genomów.
Badaniami kierowała Karolin Luger, obecnie biolog strukturalny na Uniwersytecie Colorado Boulder. Większość wyników przedstawionych w Science została ukończona, gdy Luger była członkiem wydziału CSU, od 1999 do 2015 roku.
Mały przegląd biologii z liceum: Eukarionty to komórki z jądrem i organellami związanymi z błoną komórkową, w tym komórki grzybów, roślin i zwierząt, w tym ludzi. Od ich mniej złożonych odpowiedników, prokariotów, odróżnia je brak jądra. Archaea i bakterie są prokariotami, ale są tylko w niewielkim stopniu spokrewnione. Archaea są prawdopodobnymi protoplastami eukariotów i dzielą wiele z tych samych białek, które kontrolują ekspresję genów.
Jeden z najbardziej fundamentalnych procesów życiowych — mechanika, dzięki której DNA zgina się, składa i upycha w jądrze komórkowym — jest wspólna dla wszystkich eukariotów, od mikroskopijnych protistów, przez rośliny, po ludzi.
Wewnątrz jądra każdej komórki eukariotycznej znajduje się kilka stóp materiału genetycznego, który jest zagęszczony w bardzo specyficzny sposób. Małe odcinki DNA są owinięte, jak nić wokół szpulki, mniej więcej dwa razy wokół ośmiu małych białek zwanych histonami. Cały ten kompleks DNA i histonów nazywany jest nukleosomem, a ciąg zbitych nukleosomów – chromatyną. W 1997 r. Luger i współpracownicy po raz pierwszy przedstawili dokładną strukturę nukleosomów eukariotycznych za pomocą krystalografii rentgenowskiej.
Współpracownik Johna Reeve’a, który w latach 90. odkrył, że białka histonowe nie są ograniczone do eukariotów, ale występują również w pozbawionych jądra komórkach archaidów. Reeves i Luger rozpoczęli współpracę, której celem było skrystalizowanie opartej na histonach chromatyny archeonów i porównanie jej struktury z chromatyną eukariotyczną.
Po latach przestojów i kłopotów z wyhodowaniem niezawodnych kryształów histonów archeonów – Luger nazwał to „paskudnym problemem krystalograficznym” – naukowcom udało się ustalić strukturę chromatyny archeonów, ujawniając jej strukturalne podobieństwo do eukariotów.
W danych DNA archeonów wydawało się tworzyć długie, zakrzywione, powtarzające się superhelisy. Badacze nie byli pewni, czy struktura ta jest prawdziwa, czy jest artefaktem eksperymentu. Właśnie w tym zakresie zespół Santagelo z CSU dostarczył kluczowej wiedzy.
„Moja grupa podjęła wyzwanie określenia, czy struktura rozwiązana w kryształach reprezentuje biologicznie znaczącą strukturę”, powiedział.
Zespół Santangelo stworzył warianty archetypowych histonów i sprawdził, jak radziły sobie komórki, gdy zaburzały superhelisę DNA. Stwierdzili, że im bardziej destabilizowali strukturę, tym bardziej chore były komórki. Ich wysiłki podkreśliły zalety struktury ustalonej przez grupę Lugera.
Bycie częścią zespołu, który dostarczył tak fundamentalny wgląd w pochodzenie naszych komórek było jednym z najbardziej satysfakcjonujących momentów w karierze Santangelo.
„Myślę, że głównym skutkiem tej pracy jest to, że pomysł zagęszczania DNA w te struktury jest bardzo stary – prawdopodobnie ma ponad 1 miliard lat”, powiedział Santangelo. „Białka histonowe pojawiły się na scenie, a gdy tylko dostały się do genomów i zaczęły je pakować, w dużej mierze stały się niezbędne dla komórek, które je zakodowały.”
Santangelo będzie kontynuował badania nad strukturą, funkcją i transakcjami energetycznymi archaidów — tych starożytnych marynarzy, którzy teraz definitywnie reprezentują prototyp ludzkiej aktywności komórkowej.