Математический анализ помогает распутать хромосомы бактерий

При делении клетки E. coli необходимо реплицировать её кольцевую хромосому и развести получившиеся кольца по двум новым клеткам. Этот процесс, похожий на фокус с кольцами, на самом деле включает сложное распутывание и разъединение переплетённой ДНК.

В новом исследовании, опубликованном на этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, доцент математики Университета штата Калифорния в Сан-Франциско (SF State) Мариэль Васкес и международная команда учёных представили математический анализ того, как эти хромосомные кольца разделяются ферментами рекомбинации XerCD.

Антибиотики, такие как ципрофлоксацин, назначаемый при инфекциях E. coli, нацелены на топоизомеразы — другой тип ферментов, участвующих в разъединении ДНК. Под действием этих препаратов бактериальные клетки могут найти другие способы разъединения, подобные описанному в исследовании Васкес, что даёт клеткам шанс на выживание. Понимание этого процесса у E. coli, как отметила Васкес, «также может привести к разработке более эффективных антибактериальных препаратов с очевидным положительным эффектом для здоровья человека».

Инфекции, вызываемые патогенной E. coli и другими бактериями, представляют высокий риск для здоровья. По данным Центров по контролю и профилактике заболеваний (CDC), ежегодно в США не менее 2 миллионов человек заражаются бактериями, устойчивыми к антибиотикам. Не менее 23 000 человек умирают каждый год непосредственно в результате этих инфекций. Для понимания бактериальных инфекций необходимо изучать, как делятся такие клетки, как E. coli.

Биологические эксперименты дали Васкес и её коллегам некоторые подсказки о том, как переплетённые хромосомы E. coli разделяются перед делением клетки. Однако эксперименты не могли дать чёткой картины промежуточных шагов на пути к разделению.

Чтобы восполнить этот пробел, исследователи предложили строгий математический анализ, использующий метод «клубков» (tangle method) для моделирования изменений во время разделения. В данном случае «клубок» представляет два специфических участка хромосомы, связанных вместе ферментами рекомбинации. Они подтвердили, что разделение происходит поэтапно. Переплетённые после репликации хромосомы преобразуются в узлы, затем снова в связи, затем снова в узлы, пока не останутся два свободных кольца.

Исследователи отмечают, что дальнейшие биологические эксперименты могут помочь обосновать допущения математической модели, но признают, что проведение таких экспериментов будет чрезвычайно сложным. «В их отсутствие математический анализ представляет собой явный прогресс по сравнению с предыдущими биологическими исследованиями», — сказала Васкес.

Васкес подчеркнула, что математика, физика, информатика и статистика наряду с биологией играют роль в понимании топологии ДНК.

«Людям важно знать, что ДНК — это не просто последовательность букв. Это очень длинная молекула, которая может принимать сложную трёхмерную структуру, упаковываясь внутри клеточного ядра», — сказала она. «Каждый биологический процесс, затрагивающий ДНК, будет зависеть от её топологии, а топологические изменения могут иметь важные биологические последствия».

В 2011 году Васкес получила грант CAREER Национального научного фонда (NSF) для проведения исследований топологии ДНК. В рамках гранта она работает с местными начальными школами в программе San Francisco Math Circles. В 2012 году она получила Президентскую премию для учёных и инженеров на ранней стадии карьеры (PECASE) за свою работу.