DNA中的疑難問題
如果您曾試圖解開一對耳塞,您就會明白環(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,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)可能會產(chǎn)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出生物學(xué)的影響。
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)制它會在分子的其他地方引起扭曲的應(yīng)變 - 正如在一個地方解開一根繩子會使它在其他地方過度纏繞。這個過程導(dǎo)致兩個扭曲的DNA循環(huán),像一個“魔戒”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,另一種酶復(fù)合物可以介入以實(shí)現(xiàn)這種去連接,盡管效率較低。這個復(fù)合體通過重新連接四個松散的末端引入了兩個中斷和取消鏈接。
“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鏈接,直到它們變?yōu)榱恪T摻鉀Q方案受到生物學(xué)家的青睞。
但數(shù)學(xué)家對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??偟膩碚f,他們模擬了數(shù)百萬個代表881種不同拓?fù)浠驍?shù)學(xué)形狀的配置,并確定了數(shù)百個最小路徑,以便將兩個DNA圈連接到多達(dá)九個位置,直至兩個獨(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:一次撤消一個鏈接是分離DNA圈的首選途徑。
Vazquez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,斷裂和重新連接的其他示例 - 例如,連接的流體渦流的動力學(xué),或者由煙圈形成的圖案。當(dāng)太陽耀斑從太陽射出時,強(qiáng)大的磁場線交叉并重新連接。
“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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