Как E. coli распутывает узлы в ДНК

Команда математиков, биологов и компьютерных учёных выяснила, как бактерия E. coli может распутывать заузленную ДНК с помощью локального процесса разрыва и воссоединения. Математика этого исследования, опубликованного в Scientific Reports, может иметь значение далеко за пределами биологии.

Геном E. coli — это одинарный круг двуцепочечной ДНК. Перед делением клетки этот круг копируется. Раскручивание двойной спирали для копирования создаёт скручивающее напряжение в других участках молекулы. В результате образуются две переплетённые петли ДНК.

Для их разделения E. coli использует фермент топоизомеразу IV. Он разрезает сегмент ДНК, позволяет петлям пройти через разрыв и затем запечатывает его. Когда топоизомераза IV отсутствует, другой ферментный комплекс может выполнить эту задачу, хотя и менее эффективно. Он вносит два разрыва и распутывает ДНК, пересоединяя четыре свободных конца.

Биологи предполагали, что ферменты удаляют по одной связи за раз, пока их не станет ноль. Математики же рассматривали ДНК как гибкую кривую в трёхмерном пространстве, где возможны многочисленные пути пересоединения, включая те, где число связей сначала возрастает, а затем уменьшается.

Для разрешения спора исследователи под руководством Мариэль Васкес разработали компьютерное моделирование. Они представили ДНК в виде гибких цепей и смоделировали миллионы конфигураций, представляющих 881 различную топологию. Были идентифицированы сотни минимальных путей для разделения двух кругов ДНК, связанных до девяти раз.

Результат моделирования подтвердил догадку биологов: предпочтительный путь разделения кругов ДНК — это удаление по одной связи за раз.

Полученные результаты могут иметь значение для понимания других природных явлений, где объекты сталкиваются, разрываются и воссоединяются — например, динамики связанных вихрей жидкости или пересоединения силовых линий магнитного поля при солнечных вспышках.