DNA مولکولی بسیار بلند است که اطلاعات ژنتیکی موجودات زنده را در خود ذخیره می‌کند. این مولکول در طول حیات سلول دائماً در معرض فرایندهایی قرار دارد که می‌توانند باعث آسیب‌دیدگی یا حتی شکستن آن شوند. در مقابل، بدن نیز مجموعه‌ای از سازوکارهای طبیعی برای شناسایی، پردازش و حذف DNAهای آسیب‌دیده یا اضافی در اختیار دارد.
یکی از گروه‌های مهم آنزیم‌هایی که در این فرایند نقش دارند، «نوکلئازها» هستند. این پروتئین‌ها می‌توانند مولکول‌های DNA را در نقاط مشخصی برش دهند و در بسیاری از فرایندهای زیستی، از نگهداری سلامت سلول گرفته تا حذف DNAهای ناخواسته، مشارکت کنند.
یکی از شناخته‌شده‌ترین آنزیم‌های این گروه، DNase I است. این آنزیم به حذف DNA آزادشده از سلول‌های آسیب‌دیده یا در حال مرگ کمک می‌کند. اختلال در فرایند پاک‌سازی چنین DNAهایی نیز با برخی بیماری‌های التهابی و خودایمنی ارتباط دارد.
با وجود شناخت نسبتاً گسترده‌ای که دانشمندان از واکنش‌های شیمیایی مربوط به DNase I دارند، یک پرسش مهم همچنان باقی مانده بود: این آنزیم دقیقاً چگونه یک مولکول DNA را پیدا می‌کند، در کدام قسمت آن باقی می‌ماند و چه اتفاقی درست پیش از برش و پس از آن رخ می‌دهد؟
پژوهشگران دانشگاه کانازاوا برای پاسخ به این پرسش از میکروسکوپ نیروی اتمی پرسرعت استفاده کردند. این فناوری امکان تصویربرداری از تغییرات مولکول‌های زیستی در مقیاس نانو و در محیط مایع را فراهم می‌کند، بدون آنکه لازم باشد نمونه تثبیت، رنگ‌آمیزی یا متبلور شود.
همین ویژگی به پژوهشگران اجازه داد رفتار تک‌تک مولکول‌های آنزیم را هنگام تعامل با DNA دنبال کنند. در واقع، به جای آنکه تنها تصویری ثابت از ساختار DNA و آنزیم در اختیار باشد، محققان توانستند روند «جست‌وجو، اتصال، برش و تخریب» DNA را در طول زمان مشاهده کنند.
تصاویر حاصل از میکروسکوپ پرسرعت نشان داد که DNase I با تمام بخش‌های DNA به یک شکل تعامل نمی‌کند. این آنزیم بیشتر در نزدیکی انتهای آزاد DNA و همچنین در مناطقی مشاهده شد که مولکول DNA در آن‌ها خمیده یا دارای انحنای موضعی بود.
نکته مهم‌تر این بود که برخی مولکول‌های DNase I پس از جداشدن دوباره به همان مناطق آسیب‌پذیر بازمی‌گشتند. در مناطقی که DNA خمیده بود، تعامل آنزیم با مولکول نیز در بسیاری از موارد مدت بیشتری ادامه پیدا می‌کرد و احتمال برش DNA در این نقاط بیشتر بود.
این مشاهدات نشان می‌دهد که شکل فیزیکی DNA می‌تواند نقش مهمی در تعیین محل تعامل آنزیم با مولکول داشته باشد. بنابراین DNA را نمی‌توان صرفاً یک رشته یکنواخت و منفعل در نظر گرفت؛ نحوه خم‌شدن، قرارگرفتن و سازمان‌یافتگی آن می‌تواند دسترسی آنزیم‌ها به بخش‌های مختلف مولکول را تغییر دهد.
البته پژوهشگران تأکید کرده‌اند که میکروسکوپ نیروی اتمی پرسرعت نمی‌تواند خود واکنش شیمیایی در محل فعال آنزیم را مستقیماً مشاهده کند. بنابراین ارتباط میان شکل DNA، اتصال مکرر آنزیم و برش بعدی، بر اساس همبستگی زمانی و مکانی مشاهده‌شده در آزمایش‌ها توصیف می‌شود و نباید آن را مشاهده مستقیم تمام مراحل واکنش کاتالیستی دانست.
پژوهشگران بر اساس الگوهای تکرارشونده‌ای که در تصاویر مشاهده کردند، یک چارچوب مفهومی با نام STORM ارائه کرده‌اند. این واژه از پنج مرحله تشکیل شده است: Scan به معنای جست‌وجو، Target به معنای هدف‌گیری، Occupy به معنای استقرار، Rupture به معنای گسست یا برش و Mobilize به معنای جابه‌جایی.
بر اساس این چارچوب، آنزیم ابتدا بخش‌های مختلف DNA را بررسی می‌کند، سپس در یک ناحیه مشخص متمرکز می‌شود، مدتی با آن ناحیه در ارتباط باقی می‌ماند، فرایند گسست رخ می‌دهد و در نهایت قطعات حاصل جابه‌جا یا بازتوزیع می‌شوند.
با این حال، پژوهشگران تأکید دارند که STORM نباید به‌عنوان یک مسیر ثابت و اجباری برای تمام مولکول‌های آنزیم در نظر گرفته شود. این مدل بیشتر یک چارچوب توصیفی و احتمالاتی برای توضیح الگوهای تکرارشونده‌ای است که در آزمایش‌ها مشاهده شده‌اند.
برای بررسی اینکه آیا این رفتار فقط به DNase I محدود می‌شود یا می‌تواند در سایر نوکلئازها نیز دیده شود، پژوهشگران آنزیم دیگری به نام نوکلئاز میکروکوکی (MNase) را نیز بررسی کردند. با وجود تفاوت میان این دو آنزیم، الگوهای مشابهی از جست‌وجوی DNA، تعامل موضعی، اتصال مجدد، ایجاد اختلال و جابه‌جایی قطعات DNA مشاهده شد.
این شباهت می‌تواند نشان‌دهنده وجود برخی اصول فیزیکی مشترک در نحوه تعامل نوکلئازهای مختلف با DNA باشد. به بیان ساده‌تر، ممکن است شکل و میزان دسترسی فیزیکی DNA به‌اندازه ویژگی‌های شیمیایی آن در تعیین محل حمله آنزیم‌ها اهمیت داشته باشد.
بخش دیگری از این مطالعه به بررسی این موضوع اختصاص داشت که آیا فشرده‌شدن DNA می‌تواند از آن در برابر حمله آنزیم‌ها محافظت کند یا خیر. برای این منظور، پژوهشگران DNA را با استفاده از پروتامین متراکم کردند. پروتامین پروتئینی کوچک است که به DNA اتصال قدرتمندی دارد و در سلول‌های اسپرم نیز نقش مهمی در بسته‌بندی بسیار فشرده ماده ژنتیکی ایفا می‌کند.
در شرایط آزمایش، اتصال پروتامین باعث شد DNA عمدتاً دو نوع ساختار فشرده ایجاد کند: ساختارهای کشیده و میله‌ای‌شکل و ساختارهای حلقه‌ای موسوم به توروئید.
تصویربرداری با سرعت بالا نشان داد که مولکول‌های DNase I می‌توانند در اطراف این ساختارهای فشرده تجمع پیدا کنند، اما الزاماً قادر به تخریب آن‌ها نیستند. ساختارهای توروئیدی به‌ویژه مقاومت بالایی نشان دادند. آنزیم DNase I به‌ندرت توانست وارد بخش مرکزی این ساختارها شود و این ساختارها با وجود حضور مداوم آنزیم، بیش از شش دقیقه در جریان تصویربرداری دست‌نخورده باقی ماندند.
این وضعیت زمانی تغییر کرد که ساختارهای فشرده تا حدی باز شدند. در این حالت، قسمت‌های DNA که دوباره در معرض محیط قرار گرفته بودند، بار دیگر در برابر تخریب آنزیمی آسیب‌پذیر شدند.
این یافته نشان می‌دهد که محافظت از DNA صرفاً نتیجه برهم‌کنش الکتریکی میان پروتامین و DNA نیست. بخش مهمی از این محافظت به نحوه بسته‌بندی سه‌بعدی DNA مربوط می‌شود. هنگامی که DNA در ساختاری بسیار فشرده قرار می‌گیرد، دسترسی فیزیکی آنزیم به رشته DNA محدود می‌شود و همین موضوع می‌تواند آن را از تخریب حفظ کند.
این موضوع برای درک نحوه بسته‌بندی DNA در سلول‌های بدن نیز اهمیت دارد. یکی از نمونه‌های برجسته، سلول‌های اسپرم هستند که باید حجم بسیار زیادی از اطلاعات ژنتیکی را در فضای بسیار کوچکی جای دهند. فشرده‌سازی شدید DNA در این سلول‌ها به حفظ و محافظت از ماده ژنتیکی کمک می‌کند.
یافته‌های این مطالعه همچنین می‌تواند به درک بهتر سرنوشت DNA خارج سلولی کمک کند. هنگامی که سلول‌ها آسیب می‌بینند یا می‌میرند، DNA آن‌ها می‌تواند وارد محیط خارج سلولی شود. اگر این DNA به‌طور مؤثر پاک نشود، ممکن است در برخی شرایط، پاسخ‌های ایمنی ایجاد کند. بنابراین، شناخت دقیق نحوه دسترسی نوکلئازها به DNA می‌تواند برای مطالعه سازوکارهای پاک‌سازی این مولکول نیز اهمیت داشته باشد.
از سوی دیگر، نتایج می‌تواند برای توسعه درمان‌های مبتنی بر DNA و سامانه‌های انتقال ژن نیز قابل‌توجه باشد. اگر بتوان ماده ژنتیکی را در ساختارهایی بسته‌بندی کرد که دسترسی نوکلئازها به آن را محدود می‌کنند، احتمالاً می‌توان مقاومت DNA در برابر تخریب را افزایش داد و پایداری آن را در فرایند انتقال به سلول‌ها بهبود بخشید.
جینگه یانگ، از پژوهشگران این پروژه، می‌گوید تصویربرداری با میکروسکوپ نیروی اتمی پرسرعت امکان دنبال‌کردن تعامل میان تک‌تک آنزیم‌های نوکلئاز و DNA را در لحظه فراهم کرده است. ریچارد وونگ، سرپرست این پژوهش نیز تأکید می‌کند که DNA صرفاً یک هدف منفعل برای آنزیم‌ها نیست و شکل موضعی و سازمان‌یافتگی ساختاری آن می‌تواند بر محل تعامل آنزیم‌ها و امکان ادامه تخریب اثر بگذارد.
این پژوهش در یک سامانه آزمایشی خالص و تحت شرایط تصویربرداری در محیط مایع انجام شده است. بنابراین، نتایج به‌دست‌آمده را نمی‌توان بدون بررسی‌های بیشتر به تمام شرایط پیچیده داخل سلول تعمیم داد. همچنین میکروسکوپ نیروی اتمی پرسرعت قادر نیست شیمی محل فعال آنزیم را مستقیماً آشکار کند و نمی‌تواند در همه موارد مشخص کند که یک اتصال مشاهده‌شده الزاماً به یک واکنش موفق منجر خواهد شد.
با وجود این محدودیت‌ها، پژوهش دانشگاه کانازاوا تصویری پویا از رابطه میان ساختار DNA، میزان دسترسی آن و تخریب آنزیمی ارائه می‌دهد. مشاهده مستقیم این فرایند در مقیاس نانو نشان می‌دهد که شکل و سازمان‌یافتگی سه‌بعدی DNA می‌تواند تعیین کند کدام بخش‌های این مولکول در معرض حمله قرار گیرند و کدام بخش‌ها در ساختارهای فشرده، از دسترس آنزیم‌ها دور بمانند.
نتایج این پژوهش در مجله Nature Communications منتشر شده است و می‌تواند چارچوبی تازه برای مطالعه هم‌زمان حفاظت و تخریب DNA در مقیاس مولکولی فراهم کند.