DNA thường được hình dung như một chiếc thang xoắn kép. Trong tế bào, các phân tử DNA được cuộn, nén và sắp xếp trong một không gian cực kỳ nhỏ, đồng thời ở những thời điểm nhất định các đoạn DNA tương đồng phải tìm và nhận diện nhau.

Điều này đặc biệt quan trọng trong quá trình tái tổ hợp di truyền, khi các nhiễm sắc thể tương đồng bắt cặp và trao đổi thông tin.

Vấn đề nằm ở chỗ hai phân tử DNA đều mang điện tích âm ở bộ khung phosphate bên ngoài, vì vậy về mặt điện học chúng phải đẩy nhau thay vì tự nhiên hút lại gần.

Vậy bằng cách nào hai phân tử DNA giống nhau có thể vượt qua lực đẩy này? Một nghiên cứu của các nhà khoa học tại Đại học Sheffield và Đại học York, Anh được công bố trên Nucleic Acids Research đã đưa ra hình ảnh trực tiếp đầu tiên về câu trả lời.

Nhóm nghiên cứu sử dụng kính hiển vi lực nguyên tử (AFM). Một đầu dò có mũi nhọn rất nhỏ quét trên bề mặt chứa các phân tử DNA. Chuyển động của đầu dò được ghi lại và chuyển thành hình ảnh ở cấp độ nanomet.

Nhóm nghiên cứu sử dụng những đoạn DNA dài 251 cặp base. Trong các hình ảnh AFM, hai chuỗi xoắn kép không chỉ tình cờ nằm cạnh nhau mà nhiều đoạn còn xếp song song và khớp các rãnh của chúng với độ chính xác đáng kể. Nếu hai phân tử chỉ bị hút một cách ngẫu nhiên, chúng khó có thể duy trì sự sắp xếp chính xác như vậy.

Agnes Noy, giáo sư vật lý tại Đại học York và đồng lãnh đạo nghiên cứu, cùng các cộng sự mô phỏng động lực học phân tử ở cấp độ nguyên tử của DNA.

Kết quả cho thấy các ion kim loại mang hai điện tích dương, chẳng hạn Mg²⁺, Ca²⁺ và Ni²⁺, có thể nằm trong những rãnh của DNA. Các ion này đóng vai trò như những chiếc cầu phân tử.

Một ion dương có thể tương tác với những vùng mang điện tích âm trên hai phân tử DNA, giúp giảm lực đẩy giữa chúng và giữ hai chuỗi xoắn kép ở vị trí thích hợp.

Quan trọng hơn, các ion có xu hướng nằm ở những vị trí hình học thuận lợi trong các rãnh của chuỗi xoắn.

Khi nhiều tương tác như vậy nối tiếp nhau, hai phân tử DNA có thể xếp khớp giống như hai nửa của một chiếc khóa kéo.

Đó là cơ sở của “mô hình khóa kéo DNA” được đề xuất từ hơn hai thập niên trước. Nghiên cứu mới cung cấp bằng chứng hình ảnh trực tiếp đầu tiên phù hợp với mô hình này.

Một phát hiện khác khiến kết quả trở nên đáng chú ý là sự bắt cặp không diễn ra đồng đều dọc theo toàn bộ phân tử.

Victor Velasco-Berrelleza, nghiên cứu viên tại Khoa Khoa học Toán học và Vật lý của Đại học Sheffield, là đồng tác giả chính và phụ trách phần mô phỏng, cho thấy một số trình tự DNA tạo ra những “điểm nóng” có khả năng tương tác mạnh hơn những vị trí khác.

Điều này có nghĩa hình dạng của rãnh DNA và trình tự các base có thể cùng quyết định nơi hai phân tử dễ nhận diện và khóa vào nhau.

Các loại ion khác nhau cũng không hoạt động hoàn toàn giống nhau. Mô phỏng cho thấy Mg²⁺ và Ca²⁺ có thể tạo ra những kiểu cầu nối khác nhau, trong khi Ni²⁺ có xu hướng ổn định một số vị trí đặc biệt. Với Mg²⁺, các tương tác ở cả rãnh lớn và rãnh nhỏ có thể góp phần tạo thành một mạng tương tác liên tục giống “khóa kéo”.

Điều này gợi ý rằng sự nhận diện DNA có thể dựa trên sự kết hợp giữa điện tích, hình dạng không gian và trình tự base, thay vì chỉ đơn giản là hai đoạn DNA “giống nhau thì hút nhau”.

Hiểu rõ cách các chuỗi DNA nhận diện và áp sát nhau có thể giúp các nhà khoa học kiểm soát quá trình tự lắp ráp tốt hơn.