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DNA中的疑难问题

如果你曾试图解开一对耳塞,你就会明白环和绳索是如何扭曲的。DNA可以以相同的方式纠缠在一起,并且在某些情况下,必须切割并重新连接以解决结。现在,一个由数学家,生物学家和计算机科学家组成的团队已经揭开了大肠杆菌细菌如何通过局部重新连接过程来消除缠结DNA的联系。最近发表在“科学报告”上的研究背后的数学可能会产生远远超出生物学的影响。

DNA中的疑难问题

大肠杆菌可引起肠道疾病,但它们也是实验室的主力。大肠杆菌的基因组是双链DNA的单个环。在大肠杆菌细胞分裂之前,复制该圆圈。打开双螺旋来复制它会在分子的其他地方抛出扭曲的应变 - 正如在一个地方解开一根绳子会使它在其他地方过度缠绕。这个过程导致两个扭曲的DNA循环,像一个“魔法戒指”技巧一样穿过彼此。

为了分离环,大肠杆菌使用一种称为拓扑异构酶IV的酶,它精确地切割DNA片段,允许环通过断裂然后重新密封断裂。因为拓扑异构酶IV对细菌如此重要,所以它是抗生素如环丙沙星的诱人靶标。但是当拓扑异构酶IV不存在时,另一种酶复合物可以介入进行这种去连接,尽管效率较低。这个复合体通过重新连接四个松散的末端引入了两个中断和取消链接。

“还有其他方法可以取消戒指,但他们是如何做到的?”加州大学戴维斯分校数学与微生物学和分子遗传学教授Mariel Vazquez说。

Vazquez说,其中一条途径是重新连接酶一次去除一个链接,直到它们变为零。该解决方案受到生物学家的青睐。

但是数学家们对这个问题的看法略有不同。他们将DNA理解为三维空间中的灵活曲线。曲线上的某些点可以被打破并重新连接。对于数学家来说,重新连接过程有很多潜在的工作路线 - 包括一些在重新连接之前链路数量实际上升的路径。

“对于数学家来说,这些都是一样的,但不是生物学家,”巴斯克斯说。为了确定最可能的路线并解决问题,他们转向计算建模。

Vazquez及其同事开发了计算机软件,其DNA表示为柔性链,用于模拟重连酶可切割和重新连接链的可能位置。总体而言,他们模拟了数百万个代表881种不同拓扑或数学形状的配置,并确定了数百个最小路径,以便将两个DNA圈连接到多达九个位置,直至两个独立的圆圈。

计算机模型证实了生物学家的预感:一次撤消一个链接是分离DNA圈子的首选途径。

巴斯克斯说,结果可能远远超出DNA生物学。在物体的性质中存在碰撞,破坏和重新连接的其他示例 - 例如,链接的流体涡流的动力学,或者由烟圈形成的图案。当太阳耀斑从太阳射出时,强大的磁场线交叉并重新连接。

“数学不是DNA特定的,计算可以适应,”巴斯克斯说。

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