Если вы когда-нибудь пытались распутать пару наушников, вы поймете, как могут скручиваться петли и шнуры. ДНК может запутаться таким же образом, и в некоторых случаях ее нужно разрезать и снова соединить, чтобы развязать узлы. Теперь команда математиков, биологов и компьютерщиков раскрыла, как бактерии E. coli могут разъединять запутанные ДНК с помощью локального процесса повторного соединения. Математика исследования, недавно опубликованная в Scientific Reports, может иметь последствия далеко за пределами биологии.
Е. coli могут вызывать кишечные заболевания, но они также являются лабораторными рабочими лошадками. Геном кишечной палочки представляет собой одиночный цикл двухцепочечной ДНК. Прежде чем клетка кишечной палочки делится, этот круг копируется. Открытие двойной спирали для ее копирования создает скручивающие напряжения в другом месте молекулы - точно так же, как разматывание шнура в одном месте приведет к перекручиванию его в другом месте. В результате этого процесса образуются две перекрученные петли ДНК, которые проходят друг через друга, как трюк с «волшебными кольцами».
Чтобы разделить кольца, E. coli использует фермент под названием топоизомераза IV, который точно разрезает сегмент ДНК, позволяет петлям пройти через разрыв, а затем запечатывает разрыв. Поскольку топоизомераза IV так важна для бактерий, она является заманчивой мишенью для антибиотиков, таких как ципрофлоксацин. Но когда топоизомераза IV отсутствует, другой ферментный комплекс может вмешаться, чтобы осуществить это разъединение, хотя и менее эффективно. Этот комплекс вводит два разрыва и разъединения путем повторного соединения четырех свободных концов.
"Есть и другие способы разъединения колец, но как они это делают?" - сказала Мариэль Васкес, профессор математики, микробиологии и молекулярной генетики Калифорнийского университета в Дэвисе.
Один путь, по словам Васкеса, заключается в том, что ферменты пересоединения удаляют одно звено за раз, пока они не станут нулевыми. Это решение поддержали биологи.
Но математики смотрят на проблему несколько иначе. Они понимают ДНК как гибкую кривую в трехмерном пространстве. Некоторые точки на кривой могут быть разорваны и пересоединены. Для математика существует много потенциальных путей для работы процессов переподключения, в том числе такие, при которых количество ссылок фактически увеличивается, прежде чем опуститься.
«Все это одинаково для математика, но не для биолога», - сказал Васкес. Чтобы определить наиболее вероятный маршрут и решить проблему, они обратились к компьютерному моделированию.
Вазкес и его коллеги разработали компьютерное программное обеспечение с ДНК, представленной в виде гибких цепей, чтобы смоделировать возможные места, где ферменты пересоединения могут разрезать и снова соединять цепи. В целом они смоделировали миллионы конфигураций, представляющих 881 различную топологию или математическую фигуру, и определили сотни минимальных путей для соединения двух кругов ДНК в девяти местах вплоть до двух отдельных кругов.
Компьютерная модель подтвердила догадку биологов: удаление одной связи за раз является предпочтительным способом разделения кругов ДНК.
Результаты могут иметь значение далеко за пределами биологии ДНК, сказал Васкес. В природе есть и другие примеры объектов, которые сталкиваются, разрываются и воссоединяются - например, динамика связанных вихрей жидкости или узоры, образованные кольцами дыма. Когда солнечные вспышки выбрасываются с Солнца, мощные силовые линии магнитного поля пересекаются и вновь соединяются.
«Математика не зависит от ДНК, и вычисления можно адаптировать», - сказал Васкес.