I biofisici scoprono quattro nuove regole della 'grammatica' del DNA

Il biochimico austriaco Erwin Chargaff è famoso per le due regole che ha scoperto e che ora portano il suo nome. All'epoca di questa scoperta, nel 1950, il problema più grande in biologia era la comprensione della struttura del DNA. Le regole di Chargaff si sono rivelate un indizio importante in questo puzzle.

I biologi sapevano da tempo che il DNA era costituito da quattro molecole: adenina, guanina, timina e citosina. Hanno ipotizzato che queste molecole si trovassero in quantità uguale e hanno respinto qualsiasi misurazione che suggerisse il contrario come errori sperimentali.

Chargaff ha mostrato attraverso un'attenta misurazione che questa ipotesi era sbagliata. Scoprì che la quantità di adenina era uguale a quella della timina e la quantità di guanina era uguale a quella della citosina, ma queste non erano uguali tra loro. Le cifre approssimative sono: A=T=30% e G=C=20%.

La prima regola di parità di Chargaff, come viene ora chiamata, era un indizio importante che James Watson e Francis Crick usarono per sviluppare il loro modello di coppia di basi per la struttura a doppia elica. I biologi ora sanno che poiché A si lega a T e G si lega a C per formare una doppia elica, questa regola vale per tutto il DNA a doppia elica.

Chargaff ha continuato scoprendo che una versione approssimativa della sua regola vale anche per la maggior parte (ma non per tutto) il DNA a singolo filamento. È molto più di un puzzle e i biologi non sono ancora abbastanza sicuri del perché sia ​​vero.

Le regole di Chargaff sono importanti perché puntano a una sorta di grammatica della biologia, un insieme di regole nascoste che governano la struttura del DNA. Questa grammatica dovrebbe rivelarsi come modelli nel DNA che sono invarianti in tutte le specie.

Ma nei 60 anni da quando Chargaff ha scoperto i suoi modelli invarianti, non ne sono emersi altri. Finora.

Oggi, Michel Yamagishi dell'Applied Bioinformatics Laboratory in Brasile e Roberto Herai dell'Unicamp di San Paolo, affermano di aver scoperto diversi nuovi modelli che ampliano significativamente la grammatica del DNA.

Il loro approccio è semplice. Questi ragazzi usano la teoria degli insiemi per dimostrare che le regole esistenti di Chargaff implicano l'esistenza di altri modelli di ordine superiore.

Ecco come. Un modo per pensare ai modelli nel DNA è dividere una sequenza di DNA in parole di lunghezza specifica, k. Le regole di Chargaff si applicano alle parole dove k=1, in altre parole, ai singoli nucleotidi.

Ma che dire delle parole con k=2 (es. AA, AC, AG, AT e così via) o k=3 (AAA, AAG, AAC, AAT e così via)? I biochimici chiamano queste parole oligonucleotidi. La teoria degli insiemi implica che gli interi insiemi di queste k-parole debbano anche obbedire a certi schemi frattali.

Yamagishi e Herai li distillano in quattro equazioni.

Naturalmente, è possibile vedere questi modelli solo in enormi set di dati del DNA. Abbastanza sicuro, Yamagishi e Herai hanno analizzato i numeri delle sequenze di DNA di 32 specie alla ricerca di questi nuovi modelli frattali. E li hanno trovati.

Dicono che i modelli si presentino con grande precisione in 30 di queste specie, inclusi umani, e coli e la pianta arabidopsis. Solo il virus dell'immunodeficienza umana (HIV) e la Xylella fastidiosa 9a5c, un insetto che attacca le pesche, non sono conformi.

Queste nuove regole mostrano per la prima volta che le frequenze degli oligonucleotidi hanno proprietà invarianti su un ampio set di genomi, dicono.

Ciò potrebbe rivelarsi estremamente utile per valutare le prestazioni di nuove tecnologie per il sequenziamento di interi genomi ad alta velocità.

Un problema con queste tecniche è sapere con quanta precisione funzionano. Yamagishi e Herai suggeriscono che un semplice test sarebbe quello di verificare se i genomi appena sequenziati contengono questi modelli invarianti. In caso contrario, questo è un segno che la tecnologia potrebbe introdurre una sorta di pregiudizio.

Questo è un po' come un test di checksum per individuare errori accidentali in blocchi di dati e un bel pezzo di scienza per l'avvio.

Rif: arxiv.org/abs/1112.1528 : Grammatica della biologia di Chargaff: nuove regole frattali

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