Als je ooit hebt geprobeerd een paar oordopjes los te maken, je zult begrijpen hoe lussen en koorden in de war kunnen raken. DNA kan op dezelfde manier verstrikt raken, en in sommige gevallen, moet worden doorgesneden en opnieuw worden aangesloten om de knopen op te lossen. Nu een team van wiskundigen, biologen en computerwetenschappers hebben ontrafeld hoe E. coli-bacteriën verward DNA kunnen ontkoppelen door een lokaal herverbindingsproces. De wiskunde achter het onderzoek, onlangs gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten , implicaties kunnen hebben die veel verder gaan dan de biologie.

E. coli-bacteriën kunnen darmaandoeningen veroorzaken, maar het zijn ook laboratoriumwerkpaarden. Het genoom van E. coli is een enkele cirkel van dubbelstrengs DNA. Voordat een E. coli-cel zich deelt, die cirkel wordt gekopieerd. Door de dubbele helix te openen om deze te kopiëren, worden elders in het molecuul draaiende spanningen geworpen - net zoals het afwikkelen van een koord op de ene plaats ervoor zorgt dat het ergens anders overspoelt. Het proces resulteert in twee gedraaide lussen van DNA die door elkaar heen gaan als een "magische ringen"-truc.

Om de ringen te scheiden, E. coli gebruikt een enzym genaamd topoisomerase IV, die precies een DNA-segment knipt, laat de lussen door de pauze gaan en sluit de pauze vervolgens opnieuw. Omdat topoisomerase IV zo belangrijk is voor bacteriën, het is een verleidelijk doelwit voor antibiotica zoals ciprofloxacine. Maar wanneer topoisomerase IV afwezig is, een ander enzymcomplex kan ingrijpen om deze ontkoppeling uit te voeren, hoewel minder efficiënt. Dit complex introduceert twee onderbrekingen en ontkoppelingen door de vier losse eindjes weer met elkaar te verbinden.

"Er zijn andere manieren om de ringen te ontkoppelen, maar hoe doen ze dat?" zei Mariel Vazquez, hoogleraar wiskunde en microbiologie en moleculaire genetica aan de Universiteit van Californië, Davy.

één pad, Vazquez zei, is dat de herverbindingsenzymen één schakel per keer verwijderen totdat ze op nul komen. Die oplossing kreeg de voorkeur van de biologen.

Maar wiskundigen kijken iets anders naar het probleem. Ze begrijpen het DNA als een flexibele kromme in de driedimensionale ruimte. Bepaalde punten op de curve kunnen worden doorbroken en opnieuw worden verbonden. Voor een wiskundige, er zijn veel mogelijke routes om herverbindingsprocessen te laten werken, waaronder enkele waarbij het aantal links daadwerkelijk omhoog gaat voordat het weer naar beneden gaat.

"Voor een wiskundige zijn deze allemaal hetzelfde, maar niet voor een bioloog, " zei Vazquez. Om de meest waarschijnlijke route te bepalen en het probleem op te lossen, ze wendden zich tot computationele modellering.

Vazquez en collega's ontwikkelden computersoftware met DNA weergegeven als flexibele ketens om de mogelijke locaties te modelleren waar herverbindingsenzymen de ketens kunnen doorsnijden en opnieuw verbinden. Algemeen, ze modelleerden miljoenen configuraties die 881 verschillende topologieën vertegenwoordigen, of wiskundige vormen, en identificeerde honderden minimale paden om twee DNA-cirkels op maximaal negen plaatsen met elkaar te verbinden tot twee afzonderlijke cirkels.

Het computermodel bevestigde het vermoeden van de biologen:het ongedaan maken van één schakel tegelijk is de voorkeursroute om de cirkels van DNA te scheiden.

De resultaten kunnen implicaties hebben die veel verder gaan dan de DNA-biologie, zei Vázquez. Er zijn andere voorbeelden in de natuur van objecten die botsen, breken en opnieuw verbinden - zoals de dynamiek van gekoppelde vloeistofwervels, of de patronen gevormd door rookringen, bijvoorbeeld. Wanneer zonnevlammen door de zon worden uitgestoten, krachtige magnetische veldlijnen kruisen en verbinden opnieuw.

"De wiskunde is niet DNA-specifiek, en de berekening kan worden aangepast, ' zei Vázquez.