세상은 매듭으로 묶여 있습니다. 그들은 소용돌이 치는 연기 소용돌이, 원사 나 머리카락의 긴 가닥, 그리고 어떻게 든 항상 주머니에 얽힌 이어 버드 코드에서 자발적으로 형성됩니다. 분자 규모로도 단백질을 구성하는 긴 사슬에 나타나며 DNA의 비틀기와 코일에서 발생할 때 효소는 긴장을 풀도록 도와야합니다. 생물 생리 학자들은이 매듭을 연구하여 그들이 어떻게 그곳에 도착하는지, 그들이 그 분자의 행동에 어떻게 기여하는지 알아 내기 위해 연구합니다.
한편, 화학자들은 단일 연속 생체 분자 줄에 묶기보다는 결합 된 조각에서 조립 된 작은 합성 구조물의 분자 매듭에 관심을 돌렸다. 그들의 실험실에서 그들은 새로운 나노 툴, 제약 및 바람직한 특성을 가진 새로운 재료에서 매듭의 독특한 토폴로지를 악용하기 위해 복잡한 수준의 복잡한 수준을 달성하여 이러한 작은 매듭을 힘들게 합성 해 왔습니다. 지난 달에 3 개의 더 간단한 매듭으로 만들어진 복합 구조 인이 순위에 합류하기 위해 가장 최근에 가장 복잡한 매듭은 지난 달 Nature Chemistry 에서보고되었습니다. 건축하는 데 몇 년이 걸렸습니다.
8 월에 다른 연구자들은 자연 커뮤니케이션 에 이론적 논문을 발표했습니다. 그것은 어떤 매듭 화학자들이 다음에 만들려고 노력해야하는지 표현했다. 그들은 작품이 작은 인공 매듭이 자발적으로 조립하는 능력에 대한 통찰력을 제공하고 그러한 매듭이 얼마나 복잡 할 수 있는지에 대한 손잡이를 얻도록 도와줍니다.
.그리고 DNA와 단백질에서 발견 된 디자인과 매듭 사이의 중요한 차이에도 불구하고, 일부 과학자들은 합성 시스템을 분석하는 것이 결국 생물학적 맥락에서 매듭을 이해하는 데 도움이 될 수 있다고 생각합니다.
실험실의매듭 동물원
수학자들에게 매듭은 줄에 묶인 평범한 매듭과 같은 것을 의미합니다. 그런 다음 문자열의 끝 만 부착하여 엉킴이 느슨해 질 수 없습니다. 보다 공식적으로, 그것은 3 차원 공간에 내장 된 폐쇄 곡선으로, 스스로 교차하지 않고 간단한 루프로 줄일 수 없습니다. 매듭은 평면 투영으로 표현 될 수 있으며, 스레드의 한 부분이 다른 나사회가 다른 부분이 이동하는 "교차"가있는 2 차원 도면으로 표시 될 수 있습니다. 기본 토폴로지를 변경하지 않고 하나를 바꾸고 회전 할 수있는 경우 두 개의 매듭이 동일하게 간주됩니다.
수학자들은 최소 횡단 수에 따라 주문하여 매듭을 분류합니다. "Unknot"(원) 이후에는 가장 간단한 매듭이 발생합니다. (1 ~ 2 개의 교차점을 가진 매듭은 토폴로지와 동일합니다.) 다음에는 4 개의 교차점이있는 1 개, 교차로는 5 개, 교차로는 6 개, 7 개의 교차로가있는 7 개가 있습니다. 그 숫자는 폭발합니다. 10 개의 교차로가있는 165 개의 매듭이 있으며 16 개의 교차로의 경우 백만 명이 넘습니다. 또한, 매듭은 복합 매듭을 형성하기 위해 특정한 방식으로 서로 연결할 수 있습니다.
화학자들은 자신의 작품이 그 복잡성 중 일부를 얻기를 원하지만 진행 속도가 느 렸습니다. 그들은 1989 년에 최초의 분자 매듭 (Treefoil)을 제조했습니다. 영국 맨체스터 대학의 화학자 인 데이비드 리 (David Leigh)는“우리에게 불만족스러운 상황이었던 것처럼 보였다. "어부 나 등산가의 세계와 마찬가지로, 다른 매듭이 다른 기능을 가지고있는 곳에서는 분자 세계에서도 마찬가지입니다."
.더 복잡한 매듭을 구축 할 수있게되면 적어도 연구원들은 매듭이 강도, 유연성 및 재료의 다른 기능에 어떤 영향을 미치는지, 어떤 목적에 가장 적합한지를 결정하는 데 도움이됩니다. 일부 전문가들은 매듭이 함께 짜여 질 수있는 미래를 예측하여 열 내성 또는 촉매 특성으로 기능적 재료를 형성합니다. 다른 사람들은 언젠가 약물 분자 또는 기타 분화물의 안전한 수송을위한 둥지로 미세 매듭을 사용하기를 희망합니다.
이탈리아의 고급 연구를위한 국제 연구 학교의 계산 생물 물리학 자이자 Nature Communications 를 발표 한 팀의 리더 인 Cristian Micheletti는“분자 매듭을 만드는 가장 좋은 방법은 화학자들이 분자 법을 실제로 마스터했다는 것을 보여줄 수있는 가장 좋은 방법입니다. 종이. “이것은 연구자들이 자신의 틀을 테스트 할 수있는 지적 놀이터와 같습니다.
따라서 Leigh와 다른 사람들은 특별히 설계된 조각과 이온적으로 하전 된 분자 스캐 폴드를 사용하여 더 정교한 종류의 매듭을 만들고 있습니다. 이런 식으로, Leigh는 가장 최근에 가장 최근에 가장 복잡한 두 가지 매듭을 구축하는 데 성공했습니다. 그는 현재 새로운 구성을 종합하기 위해 동일한 전략을 적용하고 있습니다.
그러나 과학자들은 일반적인 매듭 패턴과 지시 된 자기 조립의 원리에 대한 이해를 통해 이러한 구성을보다 체계적으로 탐구 할 수있을 것입니다. 그것이 Micheletti와 그의 동료들이 가능하게하기 위해 출시 한 것입니다.
새로운 매듭 테이블
Micheletti의 팀은 가장 쉽게 합성 할 수있는 매듭을 조사하기를 원했습니다. 그들은 간단한 계산 모델을 사용하여 나선의 3, 4 또는 5 개의 동일한 조각을 닫힌 체인으로 묶은 다음 연결을 끊지 않고 조각을 옮겼습니다. 이런 식으로 연구원들은 수천 개의 잠재적 구성을 생성했습니다. 그런 다음 어떤 종류의 매듭이 나타 났는지 확인하고 어느 정도의 대칭을 가진 사람들을 골라 냈습니다. 화학자들이 지금까지 만들 수 있었던 소수의 분자 매듭에 공통적 인 것.
그로 인해 작은 레퍼토리의 매듭 만 남겼습니다. 추가 시뮬레이션에서 실제로 더 자주 자기 조립 된 매듭. 그중에는 현재까지 실험적으로 만들어진 대부분의 매듭뿐만 아니라 10 크로스와 15 크로스 매듭을 포함하는 새로운 합성 후보자가있었습니다.
.그러나 가장 주목할만한 것은 더 간단한 매듭이 항상 쉽게 만들 수있는 것은 아니라는 발견이었습니다. 예를 들어, 5 개의 교차점 후에 나타날 다음 매듭은 6 개의 교차점이 아니라 오히려 8 개를 포함했다. 연구원들은 교차로를 추가하는 것이 때때로 매듭 대칭을 빌려주는 것을 쉽게 합성 할 수 있다는 것을 깨달았습니다. 그것은 작품이 발견하지 못한 8 개의 교차 매듭 중 하나의 경우입니다. 그것은 4 개의 교차로가있는 하나와 동등하지만 4 개의 교차 버전은 만들기가 더 어렵습니다.
Micheletti와 그의 팀은 연구 결과를 더 많은 수의 빌딩 블록과 더 큰“intermanness”로 일반화 할 수있었습니다. 이를 통해 연구원들은 매듭에 대한 새로운 종류의 참조 테이블을 설계 할 수있었습니다.
Micheletti는 그의 "매듭 동물원"이 범위를 제한하는 특정 가정을한다는 것을 인정합니다. 예를 들어 매듭은 동일한 빌딩 블록으로 만 구성됩니다. 그럼에도 불구하고 그의 작업은 화학자들의 추가 합성 노력을 이끌어 내기 시작할 수 있습니다.
그것은 다른 이론적 노력에도 적용됩니다. 스페인 바스크 과학 재단에서 단백질 폴딩을 연구하는 계산 생물 물리학자인 이반 콜루자 (Ivan Coluzza)가 이끄는 한 그룹은 단백질 유사 모델에 새로운 아미노산을 추가하는 것이 기본 매듭의 기본 스펙트럼에 영향을 미치는 방법에 대한 테스트에서 Micheletti의 연구를 기준으로 사용하고 있습니다. 이번 달 초에 발표 된이 작품은 매듭을 짓는 백본이 사용할 수있는 아미노산 유형의 수로 인해 단백질이 너무 드물다는 것을 제안했습니다. 20 글자 알파벳을 처리 할 때 단백질은 알파벳이 자발적으로 매듭을 형성 할 가능성이 적습니다.
생물학적 놀이터
실험실에서 다양한 매듭을 계속 구성함으로써 매듭이 자기 조립 방식과 매듭이 합성 된 가닥의 특성에 대한 방식을 결정할 수 있습니다. 그리고 어쩌면 그러한 통찰력 중 일부는 언젠가 생물 물리학 자들이 매듭이 DNA, 단백질 또는 자연적으로 나타나는 다른 분자에 대해 배우는 데 도움이 될 수 있습니다. (예를 들어, 일부 연구자들은 매듭이 발견 된 소수의 단백질에 더 큰 안정성을 부여하지만 아직 증명하지 못한다고 의심합니다.)
.Leigh와 Micheletti의 자기 조립 프로세스는 본질적으로 생체 분자를 생성하는 것과는 상당히 다르다는 것을 강조하는 것이 중요합니다. 실험적으로 또는 계산적으로 Leigh와 Micheletti는 짧은 재료 조각을 함께 붙여서 매듭을 얻습니다.이 조각의 형상은 형성 될 수있는 것을 제한합니다. 대조적으로, 생물학적 매듭은 DNA의 뉴클레오티드 염기 또는 단백질의 아미노산의 전장 끈이 형성 될 때 형성됩니다.
그럼에도 불구하고 Leigh와 그의 동료들은 그들의 합성 작업이 일단 충분한 수준의 복잡성에 도달하면 과학자들의 생물학에서 매듭에 대한 이해를 향상시킬 수 있기를 희망합니다. Baylor College of Medicine에서 DNA의 구조와 기능을 연구하는 분자 생물학자인 Lynn Zechiedrich는“최소한이 매듭을 식별함으로써 생물 학자들에게 찾을 수있는 매듭을 식별함으로써… 현재의 이미징 기술을 사용하면 결국 매우 복잡한 생물학적 매듭의 구조를 확인하기가 어려웠습니다. 스파게티의 엉킴처럼 보이는 무모한 염색체를 가져 가십시오. 그들은“Micheletti 's 테이블에서 나오는이 매우 복잡한 매듭”을 보유 할 수 있다고 Zechiedrich는 말했다. "우리는 그것을 볼 수있는 해결책이 없다는 것입니다."
“Micheletti는 비교적 복잡한 매듭을 만드는 간단한 방법이 있음을 보여줍니다. 그리고 이것은 아마도 자연이 매듭을 짓는 분자를 만들기 위해 비슷한 방법을 사용할 수 있다는 힌트를 줄 수 있습니다.”라고 바르샤바 대학교의 이론적 물리학자인 Piotr Szymczak은 덧붙였습니다. 또한 자연 세계에서 더 복잡한 토폴로지를 얻을 수 있는지에 대한 정보를 제공 할 수 있습니다. 매듭 시스템이 얼마나 복잡하게 형성 될 수 있고 여전히 자기 조립 할 수 있으며, 생체 분자로도 나타 납니까?
Leigh는 이미 인공 시스템에서 일부 힌트가 등장하는 것을 이미보기 시작했을 수도 있습니다 (그러나 그 결과는 생물학적 시스템에서 아직 테스트되지 않았 음을 경고합니다). 예를 들어, 그와 그의 팀은 매듭의 압박감과 키랄성 또는 "손잡이"가 어떻게 뚜렷한 지에 대한 상관 관계를 관찰했습니다 (일부 매듭은 키랄이며, 이는 결코 거울 이미지처럼 보이도록 회전하거나 이동할 수 없음을 의미합니다). 또한 2016 년에는 화학 반응 속도를 높일 수있는 5 개의 교차 매듭을 건설했습니다. 노트가없는 형태로 분자는 촉매로 작용할 수 없었으며, 이는 매듭이 화학에 가질 수있는 강력한 효과를 보여주고 생물학에도 가질 수 있음을 보여줍니다.
일부 DNA는 예를 들어 코일이있는 전화 코드가 스스로 뒤틀릴 수있는 방식과 같은 슈퍼 코일을 할 수 있습니다. Supercoiling은 그것이 DNA의 행동에 영향을 줄 수있는 방법에 대한 연구의 대상이었다. Zechiedrich는 (적어도 박테리아에서) 어떤 경우에는 혀를 뽑지 않는 매듭과 슈퍼 코일이 돌연변이에 매우 취약하다고 생각하지만 화학자들은 상세하게 연구하기 위해 그 슈퍼 코일의 재산으로 매듭을 만들 수 없었습니다.
.그러나 그것은 변할 수 있습니다. Leigh의 9 크로스 매듭은 슈퍼 코일 DNA와 몇 가지 주요 특성을 공유합니다. Leigh는“이러한 [복합 노트]를 연구하고 우리가 만든 간단한 제어 시스템에서 이해함으로써, 우리는 슈퍼 코일 DNA 구조와 함께 분자 수준에서 무슨 일이 일어나고 있는지에 대한 통찰력을 개발할 수있을 것입니다.
모든 사람이 동의하는 것은 아닙니다. Micheletti 자신은 합성 매듭에서 생물학적 매듭으로 추정하는 것에 대해 회의적입니다. 단백질을 연구하는 영국 캠브리지 대학교의 화학자 인 소피 잭슨 (Sophie Jackson)은 또한 합성 매듭이 다른 과정에 의해 만들어진다는 사실은 DNA 및 기타 생체 분자에 대해 많은 것을 말할 수 없다는 것을 의미한다고 생각합니다. 그러나 "아직 초기입니다."Leigh가 말했습니다. "우리는 몇 가지 다른 종류의 매듭 만 만들었고 몇 가지 다른 종류의 속성 만 보았습니다."
Zechiedrich는“항상 흥미 롭다고 생각합니다. 경계를 밀고 다른 것이 무엇인지 확인하기 위해.”
.수정이 추가 된 10 월 30 일 :토폴로지 적으로 동등한 매듭의 초기 버전에서 교차로 중 하나가 잘못 표시되었습니다.
