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      DNA中的疑難問題
      
			
      
				2019-05-22 10:12:47
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      如果你曾試圖解開一對(duì)耳塞，你就會(huì)明白環(huán)和繩索是如何扭曲的。DNA可以以相同的方式糾纏在一起，并且在某些情況下，必須切割并重新連接以解決結(jié)?，F(xiàn)在，一個(gè)由數(shù)學(xué)家，生物學(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)揭開了大腸桿菌細(xì)菌如何通過局部重新連接過程來消除纏結(jié)DNA的聯(lián)系。最近發(fā)表在“科學(xué)報(bào)告”上的研究背后的數(shù)學(xué)可能會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出生物學(xué)的影響。
      

      DNA中的疑難問題
      

      大腸桿菌可引起腸道疾病，但它們也是實(shí)驗(yàn)室的主力。大腸桿菌的基因組是雙鏈DNA的單個(gè)環(huán)。在大腸桿菌細(xì)胞分裂之前，復(fù)制該圓圈。打開雙螺旋來復(fù)制它會(huì)在分子的其他地方拋出扭曲的應(yīng)變 - 正如在一個(gè)地方解開一根繩子會(huì)使它在其他地方過度纏繞。這個(gè)過程導(dǎo)致兩個(gè)扭曲的DNA循環(huán)，像一個(gè)“魔法戒指”技巧一樣穿過彼此。
      

      為了分離環(huán)，大腸桿菌使用一種稱為拓?fù)洚悩?gòu)酶IV的酶，它精確地切割DNA片段，允許環(huán)通過斷裂然后重新密封斷裂。因?yàn)橥負(fù)洚悩?gòu)酶IV對(duì)細(xì)菌如此重要，所以它是抗生素如環(huán)丙沙星的誘人靶標(biāo)。但是當(dāng)拓?fù)洚悩?gòu)酶IV不存在時(shí)，另一種酶復(fù)合物可以介入進(jìn)行這種去連接，盡管效率較低。這個(gè)復(fù)合體通過重新連接四個(gè)松散的末端引入了兩個(gè)中斷和取消鏈接。
      

      “還有其他方法可以取消戒指，但他們是如何做到的?”加州大學(xué)戴維斯分校數(shù)學(xué)與微生物學(xué)和分子遺傳學(xué)教授Mariel Vazquez說。
      

      Vazquez說，其中一條途徑是重新連接酶一次去除一個(gè)鏈接，直到它們變?yōu)榱?。該解決方案受到生物學(xué)家的青睞。
      

      但是數(shù)學(xué)家們對(duì)這個(gè)問題的看法略有不同。他們將DNA理解為三維空間中的靈活曲線。曲線上的某些點(diǎn)可以被打破并重新連接。對(duì)于數(shù)學(xué)家來說，重新連接過程有很多潛在的工作路線 - 包括一些在重新連接之前鏈路數(shù)量實(shí)際上升的路徑。
      

      “對(duì)于數(shù)學(xué)家來說，這些都是一樣的，但不是生物學(xué)家，”巴斯克斯說。為了確定最可能的路線并解決問題，他們轉(zhuǎn)向計(jì)算建模。
      

      Vazquez及其同事開發(fā)了計(jì)算機(jī)軟件，其DNA表示為柔性鏈，用于模擬重連酶可切割和重新連接鏈的可能位置?？傮w而言，他們模擬了數(shù)百萬個(gè)代表881種不同拓?fù)浠驍?shù)學(xué)形狀的配置，并確定了數(shù)百個(gè)最小路徑，以便將兩個(gè)DNA圈連接到多達(dá)九個(gè)位置，直至兩個(gè)獨(dú)立的圓圈。
      

      計(jì)算機(jī)模型證實(shí)了生物學(xué)家的預(yù)感：一次撤消一個(gè)鏈接是分離DNA圈子的首選途徑。
      

      巴斯克斯說，結(jié)果可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出DNA生物學(xué)。在物體的性質(zhì)中存在碰撞，破壞和重新連接的其他示例 - 例如，鏈接的流體渦流的動(dòng)力學(xué)，或者由煙圈形成的圖案。當(dāng)太陽耀斑從太陽射出時(shí)，強(qiáng)大的磁場(chǎng)線交叉并重新連接。
      

      “數(shù)學(xué)不是DNA特定的，計(jì)算可以適應(yīng)，”巴斯克斯說。
      
			

			
        
      
			
      
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