Проблеми в ДНК

Що відбувається, коли ваша ДНК пошкоджується [TED-Ed] (Юли 2019).

Anonim

Ако някога сте се опитвали да разпънете чифт слушалки, ще разберете как могат да се усукват бримки и шнурове. ДНК може да бъде заплетена по същия начин, а в някои случаи трябва да бъде отрязана и повторно свързана, за да се разрешат възлите. Сега екип от математици, биолози и компютърни специалисти разясни колко бактериите от Е. coli могат да прекратят връзката на заплетената ДНК чрез процес на местно възстановяване. Математиката зад изследванията, публикувана неотдавна в научните доклади, може да има последици далеч отвъд биологията.

Е. coli бактериите могат да причинят чревно заболяване, но те също са лабораторни работни коне. Геномът на Е. coli е единичен кръг от двойно-верижна ДНК. Преди разделянето на клетката от Е. coli, този кръг се копира. Отварянето на двойната спирала, за да се копира, хвърля изкривяващи се щамове другаде надолу по молекулата - точно както развъртането на въжето на едно място ще го направи пренавиване някъде другаде. Процесът води до два усукани цикъла на ДНК, които преминават през един друг като "магически пръстени" трик.

За да се разделят пръстените, Е. coli използва ензим, наречен топоизомераза IV, който пресира точно сегмент от ДНК, позволява на бримките да премине през пробива и след това отново да прекъсне прекъсването. Тъй като топоизомераза IV е толкова важна за бактериите, това е примамлива цел за антибиотици като ципрофлоксацин. Но когато липсва топоизомераза IV, друг ензимен комплекс може да се намеси, за да извърши това прекъсване, макар и по-малко ефективно. Този комплекс въвежда две прекъсвания и прекратява връзките, като свързва отново четирите свободни края.

- Има и други начини да разкачите пръстените, но как го правят? каза Мариел Vazquez, професор по математика и микробиология и молекулярна генетика в Калифорнийския университет, Дейвис.

Един от пътищата, каза Vazquez, е, че ензимите за повторно свързване премахват една връзка в даден момент, докато не достигнат нула. Това решение беше облагодетелствано от биолозите.

Математиците обаче гледат проблема малко по-различно. Те разбират ДНК като гъвкава крива в триизмерното пространство. Някои точки на кривата могат да бъдат счупени и повторно свързани. На математик има много потенциални начини за свързване на процесите за свързване - включително някои, където броят на връзките всъщност се покачва, преди да се върне надолу.

"Всички те са едни и същи за един математик, но не и за един биолог", каза Вазкес. За да се определи най-вероятният маршрут и да се реши проблемът, те се обърнаха към изчислителното моделиране.

Vazquez и колеги разработиха компютърен софтуер с ДНК, представен като гъвкави вериги за моделиране на възможните места, където ензимите за повторно свързване биха могли да режат веригите. Като цяло моделираха милиони конфигурации, представляващи 881 различни топологии или математически фигури, и идентифицираха стотици минимални пътища, за да получат два ДНК кръга, свързани до девет места до два отделни кръга.

Компютърният модел потвърди убеждението на биолозите: Отмяната на една връзка в даден момент е предпочитаният начин за отделяне на кръговете от ДНК.

Резултатите могат да имат последици далеч извън биологията на ДНК, каза Вазкес. Съществуват и други примери в природата на обекти, които се сблъскват, разчупват и свързват отново - като динамиката на свързаните течни вихри или модели, образувани например от димни пръстени. Когато слънчевите излъчвания се изхвърлят от слънцето, мощни линии на магнитно поле се пресичат и се свързват отново.

"Математиката не е специфична за ДНК и изчислението може да бъде адаптирано", каза Вазкес.

menu
menu