Важность молекулы ДНК, открытой Уотсоном и Криком, – молекулы, несущей генетический код – поставила перед биохимиками целую серию топологических проблем. Эта длинная закрученная двойная спираль может, как известно, воспроизводить свою копию, затем разделяясь в две одинаковые молекулы, которые – в отличие от двух нитей исходной молекулы – не сцеплены между собой и могут разойтись. Как это возможно топологически?
Достаточно тонкие исследования показали, что существуют ферменты, выполняющие эту задачу. Они называются топоизомеразами. Точнее, топоизомеразы позволяют осуществлять три основных операции, представленные на рисунке ниже:
Просвещённые читатели наверняка сразу же узнают операции а) и б) – это, конечно, переброска и разрешение Конвея. Третья операция, которая называется твист, также известна в топологии; она имеет отношение к математической теории лент, весьма полезной в современной теоретической физике.
Схемы операций, производимых топоизомеразами над ДНК
Тем же, кто не знаком с переброской и разрешением Конвея, напоминаю эти операции на конкретных рисунках.
Переброска: верхняя дуга становится нижней
Первая операция, которую мы назвали переброской, состоит в преобразовании выбранного перекрёстка в противоположный – верхняя ветвь становится нижней и наоборот. На верёвке переброска может быть реализована разрезанием верхней ветви и склеиванием её под второй ветвью.
Вторая малая хирургическая операция – разрешение перекрёстка – состоит в ликвидации пересечения путём взаимной замены ветвей. На верёвке она реализуется разрезанием обеих ветвей в точке пересечения и последующим склеиванием их «наоборот».
Разрешение перекрёстка: дуги разрезаются и переклеиваются «наоборот»
Переброска и разрешение были известны и часто использовались топологами и до Конвея. В частности, американец Александер использовал их для вычисления полиномов, носящих его имя. Вклад Конвея состоял в том, что он показал, что эти две операции можно использовать в качестве базы для определения инварианта узлов совершенно элементарным образом (полином Конвея).
Рассмотрим более детально, как действуют эти необычные ферменты – топоизомеразы – на длинные молекулы, в частности, на молекулы ДНК. Нужно сразу же подчеркнуть, что наблюдать визуально это действие, происходящее на молекулярном уровне, невозможно: даже самые мощные электронные микроскопы позволяют получить лишь косвенные сведения.
Напомним, что молекула ДНК представляет собой длинную двойную спираль, каждая нить которой состоит из оснований А, Т, Г, Ц, порядок которых кодирует генетические свойства индивидуума (похоже на то, как порядок цифр: О, 1,2…..9 в строке текста даёт десятичный код числа). На рисунке схематично представлена часть молекулы ДНК.
Структура молекулы ДНК из двух нитей
Концы двух нитей ДНК обычно свободны. Существуют и молекулы из двух замкнутых нитей (две сплетённые змеи, кусающие свои хвосты), а также молекулы, состоящие из единственной нити, как замкнутой, так и со свободными концами. Эти молекулы участвуют в трёх классических генетических процедурах: репликации, транскрипции и рекомбинации; кроме того, молекулы из двух нитей способны свёртываться (превращаться из вытянутых в компактно упакованные объекты). Топоизомеразы играют решающую роль во всех этих процессах, осуществляя операции разрезания, перекомпоновки и склейки. Во-первых, они могут разрезать нить, переместить другую нить через полученное отверстие и затем заклеить разрез (переброска Конвея). Кроме того, осуществив два разреза и два склеивания, они соединяют две нити «наоборот» (разрешение Конвея).
Точный механизм операций разрезания, передвижения и склейки сегодня ещё недостаточно изучен. Тем не менее, известно, что существуют различные типы топоизомераз (они разные для ДНК из одной и двух нитей). В работе Джеймса Ванга (James Wang) описано, как происходит свёртывание (и обратная процедура) замкнутой молекулы ДНК.
Свёртывание ДНК похоже на то, что часто происходит с телефонным шнуром в форме длинной спирали. Когда вы после разговора опускаете трубку на аппарат, подводящий шнур немного подкручивается, постепенно запутываясь все больше и больше, и становится бесформенным компактным клубком. Это, конечно, досадно, поскольку сокращается расстояние, на которое можно отойти от аппарата. Свёртывание ДНК также преобразует длинную спираль в компактный клубок, но в данном случае это полезный результат: преобразование длинной молекулы (длина которой несколько сантиметров) в маленький клубок позволяет ей легко войти в ядро клетки, размеры которого измеряются в ангстремах (один ангстрем есть одна десятимиллиардная доля метра).
В своем нормальном, не свёрнутом состоянии спираль ДНК делает полный оборот на части нити, содержащей 10,5 последовательных оснований. Делая твист много раз (см. рис. «Схемы операций» – пункт в), соответствующие топоизомеразы преобразуют простую замкнутую кривую ДНК так, как это показано на рисунке.
Свёртывание в клубок молекулы ДНК из двух нитей
Отметим, что с топологической точки зрения одним из результатов твиста является изменение индекса сцеплений двух ветвей ДНК (этот инвариант, восходящий к Гауссу, измеряет, сколько раз одна ветвь оборачивается вокруг другой). Существуют и другие топологические явления, которые играют существенную роль в биологии; однако детальное описание полученных здесь результатов не входит в наши намерения. Более полную информацию читатель может найти в статье Ванга (Wang, 1994).
В математической теории узлов важное место занимает самый знаменитый инвариант узлов – полином Воана Джонса (Vaughan Jones), который двадцать лет назад привел к тому бурному развитию теории, о котором говорилось выше. Кроме всего прочего, он позволил многим исследователям установить первые серьёзные связи теории узлов с физикой. Удивительно, что физическая интерпретация (в статистической физике) полинома Джонса дает вполне элементарное описание инварианта Джонса, первоначальное чисто математическое определение которого было достаточно сложно. Это описание использует очень простой инструмент, который, тем не менее, играет важнейшую роль в современной теоретической физике – скобку Кауффмана.
ebooksa