Узлы ДНК

Как возникла топология ДНК? Что изучает топология? Какие ферменты могут менять топологию ДНК? И к чему может привести разрыв ДНК? Об этом рассказывает доктор физико-математических наук Максим Франк-Каменецкий.

Ситуация, когда имеются две разных структуры, которые не могут быть деформированы друг в друга без хирургического вмешательства, и есть топология. Это означает разные топологические структуры. Наиболее очевидная вещь — это узлы. Изучение узлов — целая область математики, которая очень активно развивалась в течение XX века. Когда были открыты кольцевые ДНК, возникла топология ДНК.

В своих ранних работах мы предположили, что в клетке, вероятно, существует механизм, который препятствует образованию узлов. Вскоре такой механизм был обнаружен. Оказалось, что существует большой класс ферментов, которые были названы «топоизомеразы» (от слова «топология»). Узел и не узел — это два топологических изомера молекулы ДНК. Топоизомеразы — это ферменты, которые меняют топологию ДНК. Они умеют завязывать и развязывать узлы.

Когда топоизомеразы были обнаружены и изучены, выяснился очень важный для медицины факт: оказалось, большинство химиотерапевтических агентов, которые были разработаны чисто эмпирически, когда медики и фармацевты использовали разные малые молекулы, для того чтобы убивать раковые клетки и щадить нераковые, действуют именно на топоизомеразы. Это очень важно потому, что, когда ДНК разрывается и соединяется, это очень опасная для ДНК процедура.