Что общего между спутанными проводами и ДНК?

Общеизвестный факт: если сунуть проводные наушники в карман, то достанешь оттуда клубок узлов, как будто внутри кармана живёт маленький моряк, увлечённый макраме. Именно поэтому математический биолог Мариэль Васкес держит на столе запутанную пару: эта мешанина помогает ей представить, как в каждой микроскопической клетке человеческого организма укладываются почти два метра ДНК.

Инженер и ДНК

Конечно, перекрученные нити внутри нашего тела имеют куда большее значение, чем даже самый капризный кабель для аудио. Клетки бы просто не выжили, если бы не умели упаковывать эти двойные спирали в тесном пространстве — и при этом быстро получать доступ к нужной информации. Понять, как им это удаётся, — одна из сложнейших задач, над которой работает междисциплинарная лаборатория Васкес. Причём исследователи думают не только о теории, но и о практическом применении — например, в создании новых методов лечения рака.

Центр работы лаборатории — область математики под названием топология. Васкес пришла к ней почти случайно, будучи студенткой Национального автономного университета Мексики, где изучала математику. Но тяга к живому, возникшая ещё в школьные годы, не оставляла её. Всё изменилось, когда она попала на курс по топологии — науке, изучающей формы и их способность к преобразованию. С точки зрения топологии, сфера и куб — одно и то же: из одного можно слепить другой. А вот пончик — уже другое дело: чтобы сделать из шара бублик, нужно либо прорезать в нём дырку, либо как-то склеить края — это уже принципиально иная форма.

Постепенно Васкес начала рассматривать клетки, наполненные генами, как топологическую задачу. Ведь, по её словам, всё сводится к следующему: «ДНК — это очень длинная цепочка, которая умещается в очень крошечном пространстве». Это озарение привело к защите докторской, постдоку, а затем и к профессорству по математике, микробиологии и молекулярной генетике в Калифорнийском университете в Дейвисе.

За последние два десятилетия её команда сделала немало открытий, применяя топологические идеи к тому, как организм управляется с нитями ДНК. Например, математики могут вычислить так называемое «число распутывания» для спутанных проводов — минимальное количество перекрещиваний, которые нужно разъединить, чтобы полностью развязать узел. Васкес показала, что в клетках есть особые ферменты, которые как будто знают это число: они обращаются к ДНК именно там, где нужно, чтобы распутать самые сложные узлы с минимальными усилиями, не тратя силы на обходные пути.

Достижения её лаборатории могут помочь биологам лучше понять, как ДНК сворачивается внутри вирусов, а это, в свою очередь, способно пролить свет на механизмы распространения болезней. Более того, исследования могут привести к созданию препаратов, нацеленных на ферменты, раскручивающие ДНК в раковых клетках, — и таким образом останавливающих рост опухоли.

Однако самой Васкес особенно интересна фундаментальная сторона этих исследований. Разбираясь в том, как ДНК умещается в клетке, математики начинают острее чувствовать форму как таковую. Продвижения в таких лабораториях, как её, могут иметь значение далеко за пределами биологии — от разработки новых материалов для электроники и вычислений до объяснения того, почему спутанные магнитные поля вызывают солнечные вспышки.

Источник: журнал Popular sciense, весна 2022, Ryan F. Mandelbaum

Предыдущая статья:
Сова сипуха — бесшумный охотник.