Masalah Knotty dalam DNA

Recovered from the Marianas Trench - An SCP Tale (Juni 2019).

Anonim

Jika Anda pernah mencoba menguraikan sepasang earbud, Anda akan memahami bagaimana loop dan kabel bisa dipelintir. DNA dapat terjerat dengan cara yang sama, dan dalam beberapa kasus, harus dipotong dan dihubungkan kembali untuk menyelesaikan simpul. Sekarang tim ahli matematika, ahli biologi, dan ilmuwan komputer telah menguraikan bagaimana bakteri E. coli dapat melepaskan DNA kusut melalui proses rekoneksi lokal. Matematika di balik penelitian, yang baru-baru ini diterbitkan dalam Laporan Ilmiah, dapat memiliki implikasi jauh melampaui biologi.

Bakteri E. coli dapat menyebabkan penyakit usus, tetapi mereka juga pekerja laboratorium. Genom E. coli adalah satu lingkaran DNA beruntai ganda. Sebelum sel E. coli membelah, lingkaran itu disalin. Membuka helix ganda untuk menyalinnya melemparkan strain melilit di suatu tempat di bawah molekul-sama seperti membuka gulungan kabel di satu tempat akan membuatnya over-coil di tempat lain. Proses ini menghasilkan dua putaran DNA yang saling melintang seperti trik "cincin ajaib".

Untuk memisahkan cincin, E. coli menggunakan enzim yang disebut topoisomerase IV, yang secara tepat memotong segmen DNA, memungkinkan loop untuk melewati istirahat dan kemudian reseals istirahat. Karena topoisomerase IV sangat penting untuk bakteri, itu adalah target yang menggoda untuk antibiotik seperti ciprofloxacin. Tetapi ketika topoisomerase IV tidak ada, kompleks enzim lain dapat masuk untuk melakukan pembatalan tautan ini, meskipun kurang efisien. Kompleks ini memperkenalkan dua jeda dan menghapus tautan dengan menghubungkan kembali keempat ujung yang lepas.

"Ada cara lain untuk memutus sambungan cincin, tapi bagaimana cara melakukannya?" kata Mariel Vazquez, profesor matematika dan mikrobiologi dan genetika molekuler di University of California, Davis.

Satu jalur, kata Vazquez, adalah bahwa enzim rekoneksi menghapus satu tautan pada satu waktu hingga mencapai nol. Solusi itu disukai oleh para ahli biologi.

Tetapi para matematikawan melihat masalah ini sedikit berbeda. Mereka memahami DNA sebagai kurva fleksibel dalam ruang tiga dimensi. Titik-titik tertentu pada kurva dapat rusak dan terhubung kembali. Bagi seorang matematikawan, ada banyak rute potensial untuk proses rekoneksi untuk bekerja — termasuk beberapa di mana jumlah tautan sebenarnya naik sebelum kembali turun.

"Ini semua sama dengan ahli matematika, tetapi tidak untuk seorang ahli biologi, " kata Vazquez. Untuk menentukan rute yang paling mungkin dan menyelesaikan masalah, mereka beralih ke pemodelan komputasi.

Vazquez dan rekan mengembangkan perangkat lunak komputer dengan DNA diwakili sebagai rantai fleksibel untuk memodelkan lokasi yang mungkin di mana enzim rekoneksi dapat memotong dan menghubungkan kembali rantai. Secara keseluruhan, mereka mencontohkan jutaan konfigurasi yang mewakili 881 topologi berbeda, atau bentuk matematis, dan mengidentifikasi ratusan jalur minimal untuk mendapatkan dua lingkaran DNA yang terhubung di hingga sembilan tempat ke dua lingkaran terpisah.

Model komputer menegaskan firasat biolog: Membatalkan satu tautan dalam satu waktu adalah rute yang disukai untuk memisahkan lingkaran DNA.

Hasilnya bisa memiliki implikasi jauh melampaui DNA biologi, kata Vazquez. Ada contoh lain dalam sifat benda-benda yang bertabrakan, patah dan berhubungan kembali — seperti dinamika vortisitas cairan yang terhubung, atau pola yang dibentuk oleh lingkaran asap, misalnya. Ketika jilatan api matahari dikeluarkan dari matahari, garis-garis medan magnet yang kuat bersilangan dan terhubung kembali.

"Matematika itu bukan spesifik DNA, dan perhitungannya bisa disesuaikan, " kata Vazquez.

menu
menu