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domenica 25 ottobre 2015

I più piccoli "mattoni" del DNA sono identici in tutte le specie

Il professor Jakob Bohr sta lavorando ad una teoria per spiegare il motivo per cui un elemento specifico nei cromosomi è identico negli esseri umani, negli animali e nelle piante.
Il Professor Jacok Bohr

Il diametro di un singolo componente cilindrico del DNA, è sempre lo stesso, indipendentemente dal fatto che faccia parte di un moscerino della frutta, di un faggio, o di un essere umano. Questo minuscolo "mattoncino" nell'architettura del DNA è parte di ciò che è noto come nucleosoma. Il diametro del nucleosoma ha per lungo affascinato il professor Jakob Bohr del DTU Nanotech (Politecnico della Danimarca). Perché se è lo stesso in tutte le specie, quale principio universale o legge di natura è in vigore?

"Come fisico, cerco di trovare le risposte a queste domande nel mondo della matematica e della fisica. E in questi contesti, i nostri calcoli dimostrano che la dimensione dei nucleosomi ha perfettamente senso. Creano ciò che abbiamo scelto di chiamare twist neutrality (ndt neutralità della torsione)", racconta Jakob Bohr, che ha studiato il diametro dei nucleosomi, in collaborazione con il suo collega, Kasper Olsen.



"La twist neutrality assicura che il numero di giri nel materiale del DNA rimane sempre costante, tale che la struttura più piccola nell'architettura del DNA -l'elica del DNA - può essere allungata senza influenzare il numero di torsioni. Questa proprietà è essenziale in natura ogni volta che il materiale del DNA deve essere copiato; nel caso di divisione cellulare, per esempio. In poche parole, la twist neutrality aiuta a prevenire che le torsioni si impiglino tra loro danneggiando il nostro DNA", aggiunge.

Il nucleosoma è solo una piccola parte dell'architettura complessa del DNA. In totale, ogni singola cellula contiene più di un metro di DNA, e per fare spazio a così tanto materiale, il DNA è contorto e piegato insieme più e più volte. Questo porta alla creazione di ciò che può essere percepito come diversi livelli di strutturazione, e a seconda di come un livello può effettivamente essere definito, sono creati otto di tali livelli.

"Ogni livello modifica la scala del nostro materiale ereditario di un fattore di circa tre, nello stesso modo in cui si piega un pezzo di carta più volte, lo spessore è aumentato di un fattore due ogni volta. Questa compressione del DNA assicura che sia abbastanza piccolo da stare all'interno del nucleo della cellula", spiega Jakob Bohr.

Il più alto livello di DNA comprende le strutture cromosomiche, dove i cromosomi di genere - Y e X - sono i più conosciuti. Il livello inferiore, vale a dire la struttura più piccola nell'architettura del DNA, è la famosa doppia elica, l'accattivante spirale di due filamenti di DNA avvolti uno intorno all'altro.



L'illustrazione mostra in maniera semplificata l'organizzazione del DNA. L'organizzazione serve per comprimere la lunghezza di oltre 1 metro del DNA, in modo che possa adattarsi all'interno del nucleo cellulare. Leggere la figura all'indietro cioè da H a A - corrisponde a guardare un cromosoma, zoomando fino alla struttura ad elica del DNA della figura A. Figura A - La nota doppia elica-spirale con i due filamenti di DNA è la struttura più piccola del cromosoma. Qui è riprodotta senza le coppie di basi che collegano i due filoni e che fanno assomigliare la spirale ad un scala a chiocciola. 
Figura B - Mostra come la doppia elica sia avvolta due volte intorno a un nucleo cilindrico di proteine. Questa struttura è chiamata nucleosoma. È il diametro di questa struttura che è identico in diverse specie e che affascina il Professor Jakob Bohr. Le proporzioni in questa figura non corrispondono al mondo reale, in cui l'elica del DNA è uguale nel formato al centro della proteina. 
Figura C - Mostra la fila di nucleosomi, che fanno somigliare la struttura ad una catena di perle. 
Figura D -> G Illustra i livelli successivi , dove il DNA viene ulteriormente confezionato. Finora, la geometria di questi livelli non è completamente chiarita. 
Figura H  - Illustra i contorni del cromosoma visto sotto un microscopio.


La legge naturale delle torsioni

A livello prima di questo, la doppia elica è avvolta due volte attorno un nucleo cilindrico di proteine. Questa struttura si chiama nucleosoma. Ci vogliono un sacco di nucleosomi per contenere l'intera doppia elica, e questo fa assomigliare la struttura ad un filo di perle - dove i nucleosomi sono le perle e la doppia elica è la catena.

I calcoli eseguiti dal Jakob Bohr e dai suoi colleghi dimostrano che, se il diametro dei nucleosomi fosse diversi, la twist neutrality semplicemente non esisterebbe.

"Questo non sarebbe buono, perché potrebbe significare che nuove, inadeguate strutture potrebbero apparire nel DNA. Così pensiamo che la ragione per cui la dimensione dei nucleosomi rimane costante tra le specie è che non vi è alcun beneficio per la natura di sviluppare o modificare queste dimensioni. In caso contrario, probabilmente lo avremmo incontrato come una fase del processo evolutivo", spiega Jakob Bohr.


La nuova tecnologia dovrebbe aiutare

L'obiettivo a lungo termine della ricerca sul diametro dei nucleosomi è di contribuire ad una descrizione completa della geometria del DNA. Questo potrebbe aiutare a rivelare i principi generali per la costruzione dei cromosomi, che ci consentano di comprenderli con dettaglio ancora maggiore.

"Perché anche se si può già scavare fino al livello del gene nella doppia elica - il livello più basso nel cromosoma - un certo numero degli altri otto livelli sono ancora in gran parte territorio inesplorato. In poche parole, non abbiamo idea di quali strutture esistano in alcuni degli altri livelli", aggiunge Jakob Bohr.

Secondo Jakob Bohr, i ricercatori non hanno attualmente accesso alla tecnologia con la capacità di chiarire completamente le strutture a tutti i livelli dei cromosomi. Tuttavia, egli è sicuro che la tecnologia necessaria dovrebbe apparire nei prossimi 10-15 anni, probabilmente a causa di altre ricerche in bioinformatica e attraverso le nuove strutture, tra SSE e MAX IV di Lund. 


Fonti
Articolo in DTU-avisen n. 8, ottobre 2015: Qui
Articolo su Science Daily: Qui
Articolo dal Politecnico della Danimarca (DTU): Qui



domenica 11 ottobre 2015

Le mani e i piedi dell'Homo Naledi

La seconda serie di articoli relativi alla notevole scoperta del Homo Naledi, una nuova specie di parente umano, sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Nature Communications il 6 ottobre 2015.

La mano e il piede del Homo Naledi si sono adattati in modo univoco
sia al tree climbing che al camminare eretti.
CREDIT Peter Schmid e William Harcourt-Smith | Wits University

I due articoli, dal titolo: Il piede del Homo Naledi e La mano di Homo Naledi, descrivono la struttura e la funzione delle mani e dei piedi  del Homo Naledi. Nel loro insieme, i risultati indicano che l'Homo Naledi si potrebbe essere adattato in modo univoco sia al tree climbing e sia a camminare come forme dominanti di movimento, ma anche di essere capace di una precisa manipolazione manuale.



La ricerca è stata condotta da un team di scienziati internazionali associato al Evolutionary Studies Institute presso l'Università di Witwatersrand in Sudafrica, sede del team della Rising Star Expedition che fin dalla scoperta del 2013 del più grande ominide trovato nel continente africano, ha recuperato e numerato circa 1550 elementi fossili da una grotta nel Cradle of Humankind World Heritage Site, a circa 50 chilometri a nord ovest di Johannesburg.


Secondo i ricercatori, se considerati insieme, queste studi indicano un disaccoppiamento delle funzioni degli arti superiori e inferiori nell'Homo Naledi, e forniscono una panoramica importante sulla forma e la funzione scheletrica che possono aver caratterizzato i primi membri del genere Homo.


Il piede dell'Homo Naledi

L'autore principale William Harcourt-Smith e i suoi colleghi descrivono il piede dell'Homo Naledi basandosi su 107 frammenti di piedi trovati nella Camera Dinaledi, tra cui il piede destro di un adulto ben conservato. Questi mostrano che le parti del piede dell'Homo Naledi condividono molte caratteristiche con un piede umano moderno, ciò indica che era ben adattato per la posizione eretta e a camminare su due piedi. Tuttavia, gli autori fanno notare che differisce per avere più ossa curve (falangi prossimali).


La mano dell'Homo Naledi

L'autore principale Tracey Kivell e i suoi colleghi descrivono la mano dell'Homo Naledi basandosi su circa 150 ossa di mani trovati nella Camera Dinaledi, tra cui la mano destra quasi completa di un singolo individuo adulto (manca solo un osso del polso), che è raro trovare nella documentazione fossile umana.

La mano dell'Homo Naledi rivela una combinazione unica di anatomia, che non è stata trovata in qualsiasi altro essere umano fossile prima. Le ossa del polso e le caratteristiche anatomiche mostrano un pollice in comune con gli esseri umani e i Neanderthal e suggeriscono potente forza di presa e la capacità di utilizzare strumenti di pietra.

Tuttavia, le ossa delle dita sono più curve della maggior parte delle prime specie umane fossili, come la specie di Lucy l'Australopithecus afarensis, suggerendo che l'Homo Naledi utilizzava ancora le mani per arrampicarsi sugli alberi. Questo mix di caratteristiche umane in combinazione con le caratteristiche più primitive dimostra che la mano dell'Homo Naledi era specializzata sia per le attività di utilizzo di strumenti complessi, sia per muoversi scalando gli alberi.

"Le caratteristiche della mano dell'Homo Naledi per l'utilizzo di strumenti, in combinazione con le piccole dimensioni del suo cervello, hanno interessanti implicazioni su quali requisiti cognitivi potrebbero essere necessari per produrre e utilizzare strumenti, e, a seconda dell'età di questi fossili, chi potrebbe aver fatto gli strumenti di pietra che troviamo in Sud Africa," dice Kivell.

Fonte: Qui e Qui

Articoli in PDF e lingua inglese: