世界は結び目で結ばれています。それらは、渦を巻く煙の渦、長い糸や髪の毛、そしてなぜか常にポケットに絡まっているイヤホンのコードの中で自然に形成されます。分子レベルでさえ、それらはいくつかのタンパク質を構成する長鎖に現れ、DNA のねじれやコイルに現れると、酵素はそれらをほどくのを助けなければなりません.生物物理学者はこれらの結び目を研究して、それらがどのようにそこに到達し、それらの分子の挙動にどのように寄与するかを解明します.
一方、化学者は、自分たちで作った分子の結び目に注意を向けています。つまり、単一の連続した生体分子のひもで結ばれるのではなく、結合した断片から組み立てられた小さな合成構造です。彼らの研究室では、彼らはそのような小さな結び目を骨の折れる方法で合成し、複雑さのレベルを上げており、最終的には結び目のユニークなトポロジーを新しいナノツール、医薬品、および望ましい特性を持つ新しい材料で活用することを望んでいます。これらのランクに加わる最新の、そして最も複雑な結び目は、3 つの単純な結び目から形成された複合構造であり、先月 Nature Chemistry で報告されました。 構築には何年もかかりました。
8 月には、他の研究者が Nature Communications に理論論文を発表しました。 化学者が次に作ろうとすべきノットを表にしました。彼らは、この研究が小さな人工結び目が自発的に組み立てる能力を支配するものについての洞察を提供し、そのような結び目がどれほど複雑になり得るかを理解するのに役立つことを望んでいます.
そして、これらのデザインと DNA やタンパク質に見られる結び目との間には大きな違いがあるにもかかわらず、一部の科学者は、合成システムを分析することで、最終的には生物学的文脈における結び目の理解にも役立つと考えています.
研究室のノット ズー
数学者にとって、結び目とは、紐で結ばれた通常の結び目のようなものを意味し、もつれが緩まないように紐の端だけが取り付けられています.より正式には、3 次元空間に埋め込まれた閉じた曲線であり、交差せず、単純なループに縮小することはできません。結び目は、糸の一部が別の部分の上または下にある「交差」のある平面投影、2 次元の図として表すことができます。 2 つのノットは、基本的なトポロジーを変更することなく、一方をシフトおよび回転して他方を形成できる場合、同じと見なされます。
数学者は、交差の最小数に従ってノットを順序付けることにより、ノットを分類します。 「アンノット」（円）の後には、トレフォイルとして知られる、最も単純な 3 つの交差がある結び目が続きます。 (交差が 1 つまたは 2 つある結び目は、トポロジー的には、結び目のない結び目と同等です。) 次に、交差が 4 つあるものは 1 つ、交差が 5 つあるものは 2 つ、交差が 6 つあるものは 3 つ、交差が 7 つあるものは 7 つ….これらの数は爆発的に増加します。10 回の交差で 165 ノットがあり、16 回の交差では 100 万を超えます。さらに、複合結び目を形成するために、特定の方法で結び目を互いに接続することができます。
化学者たちは、自分たちの創造物がその複雑さの一部を達成することを望んでいますが、その進展は遅々として進んでいません.彼らは 1989 年に最初の分子結び目であるトレフォイルを製造し、それから数十年が経過しました。マンチェスター大学（英国）の化学者であるデビッド・リーは、「それは私たちには満足のいくものではないように思われました。 「漁師や登山家の世界と同じように、結び目ごとに機能が異なりますが、分子の世界でも同じことが言えます。」
より複雑な結び目を作ることができれば、研究者は結び目が材料の強度、柔軟性、およびその他の機能にどのように影響するかを調査し、どの結び目がどの目的に最も適しているかを判断するのに少なくとも役立ちます.一部の専門家は、結び目が織り合わされて、耐熱性または触媒特性を備えた機能性材料を形成する未来を予見しています。ある日、薬物分子やその他の微小貨物を安全に輸送するための巣として、微細な結び目を使用したいと考えている人もいます.
「分子の結び目を作成することは、化学者が分子の法則を本当にマスターしたことを示すことができる最良の方法です」と、イタリアの国際高等研究大学院の計算生物物理学者であり、 を発行したチームのリーダーであるクリスチャン ミケレッティは述べていますネイチャーコミュニケーションズ 紙。研究者が自分の気概を試すことができる「知的遊び場のようなもの」です。
そのため、リーらは、特別に設計された断片と、それらを結合するために配置できるイオン荷電分子足場を使用して、より精巧な種類の結び目を作成しています。このようにして、リーは最近、これまでで最も複雑な 2 つの結び目を作ることに成功しました。彼は現在、同じ戦略を適用して新しい構成を合成しています.
ただし、理想的には、科学者は、一般的な結び目のパターンと自己組織化の原則を理解することで、そのような構成をより体系的に調査できるようになるでしょう。それが、ミケレッティと彼の同僚が可能にしようと試みたものです。
新しいノット テーブル
ミケレッティのチームは、どのノットが最も簡単に合成できるかを調査したいと考えていました。彼らは、単純な計算モデルを使用して、らせんの 3 つ、4 つ、または 5 つの同一のフラグメントを閉じたチェーンにつなぎ合わせ、結合を壊すことなくフラグメントを移動させました。このようにして、研究者は何千もの潜在的な構成を生成しました。次に、どの種類の結び目が現れたかを特定し、ある程度の対称性を持つものを選び出しました。これは、化学者がこれまでに作成できた少数の分子結び目に共通するものです。
そのため、ノットのレパートリーはごくわずかしか残っていませんでした。ノットは、その後のシミュレーションで、より頻繁に自己集合したのです。その中には、これまでに実験的に作られた結び目のほとんどと、10 交差結び目と 15 交差結び目を含む合成の新しい候補が含まれていました。
ただし、最も注目に値するのは、単純な結び目が常に簡単に作成できるとは限らないという発見でした。たとえば、5 回の交差の後に現れる次の結び目は、6 回の交差ではなく 8 回の交差を含んでいました。研究者たちは、交差を追加すると、結び目が対称になり、合成が容易になることがあることに気付きました。これは、この研究で明らかになった 8 つの交差する結び目の 1 つに当てはまります。トポロジー的には 4 つの交差する結び目と同等ですが、4 つの交差するバージョンを作成するのはより困難です。
ミケレッティと彼のチームは、編み図 (糸がどのようにねじれて結び目を形成するかの周期的な側面を強調する) と呼ばれる 2 次元で結び目を表す別の方法を利用して、発見をより多くのビルディング ブロックとより大きな度合いに一般化することができました。 「織り込み」の。これにより、研究者は結び目の新しい種類の参照テーブルを設計することができました.
ミケレッティは、彼の「ノット ズー」がその範囲を制限する特定の仮定を行っていることを認めています。それでも、彼の研究は、化学者のさらなる合成の取り組みを導き始めることができます.
これは、他の理論的な取り組みにも当てはまります。スペインのバスク科学財団でタンパク質の折り畳みを研究している計算生物物理学者である Ivan Coluzza が率いる 1 つのグループは、ミケレッティの研究を参照として、タンパク質のようなモデルにアミノ酸の新しい配列を追加することが基本的なスペクトルにどのように影響するかをテストしています。それらに発生する結び目の。今月初めに発表されたこの研究は、使用可能なアミノ酸の種類が多いため、結び目のある骨格はタンパク質では非常にまれであることを示唆しています。アルファベットが、たとえば 3 文字だけで構成されている場合です。
生物学の遊び場
研究室でさまざまな結び目を作り続けることで、結び目がどのように自己集合するか、結び目が合成されたストランドの特性にどのように影響するかを判断できる可能性があります。そしておそらく、これらの洞察のいくつかは、生物物理学者が、結び目が自然に出現するDNA、タンパク質、またはその他の分子でどのように機能しているかを知るのに役立つ可能性があります. (たとえば、一部の研究者は、ノットが発見された少数のタンパク質により大きな安定性を与えるのではないかと疑っていますが、まだ証明していません.)
Leigh と Micheletti が使用する自己組織化プロセスは、自然界で生体分子を生成するプロセスとはまったく異なることを強調することが重要です。 Leigh と Micheletti は、実験的または計算的に、短い材料の断片を貼り合わせて結び目を作ります。これらの断片の形状は、形成できるものを制限します。対照的に、生物学的結び目は、完全な長さのストリング (たとえば、DNA のヌクレオチド塩基、またはタンパク質のアミノ酸) が曲がり、それ自体を通り抜けて、膨大な数の構造のいずれかを作成するときに形成されます。
それにもかかわらず、Leigh と彼の同僚は、自分たちの総合的な研究が (十分なレベルの複雑さに達したら)、生物学における結び目の科学者の理解を向上させることを望んでいます。ベイラー医科大学で DNA の構造と機能を研究している分子生物学者の Lynn Zechiedrich 氏は、少なくとも「発生する可能性が高いこれらの結び目を特定することで、生物学者は何かを探すことができます」と述べています。結局のところ、現在のイメージング技術では、非常に複雑な生物学的結び目の構造を確認することは困難です。絡み合ったスパゲッティのように見える未凝縮の染色体を例に挙げると、「[ミケレッティのテーブルからの] これらの非常に複雑な結び目」が含まれている可能性があると Zechiedrich 氏は述べています。 「それを見る覚悟がないだけです。」
「ミケレッティは、比較的複雑な結び目を作成する簡単な方法があることを示しています。そしてこれは、おそらく自然が同様の方法を使って結び目のある分子を作成している可能性があるというヒントを与えてくれるかもしれません」と、ワルシャワ大学の理論物理学者であるピョートル・シムチャクは付け加えました。また、自然界でより複雑なトポロジーを得ることが可能かどうかについての情報も提供できます。結び目システムはどの程度複雑な形状であり、自己集合することができ、生体分子にも現れるのでしょうか?
たとえば、Leigh は、彼の人工システムでいくつかのヒントが明らかになり始めている可能性があります (ただし、これらの結果はまだ生物学的システムでテストされていないと警告しています)。たとえば、彼と彼のチームは、結び目のきつさとそのキラリティー、つまり「利き手」の程度との相関関係を観察しました (キラルなノットもあります。つまり、回転したりシフトしたりして鏡像のように見えることはありません)。 ）。さらに、2016 年には、化学反応を加速できる 5 交差結び目を構築しました。結び目のない形では、分子は触媒として機能することができませんでした。これは、化学において結び目が持つ強力な効果を示しています。また、生物学においても結び目が持つ可能性があることを示しています。
一部の DNA は、たとえば、コイル状の電話コードがねじれるようにスーパーコイルを形成することができます。スーパーコイルは、それが DNA の挙動にどのように影響するかについての研究対象でした — Zechiedrich は、場合によっては (少なくとも細菌では)、もつれが解けない結び目やスーパーコイルは突然変異の影響を非常に受けやすいと考えています — しかし、化学者はそうしていません。より詳細に研究するために、そのスーパーコイル特性で結び目を作ることができました.
しかし、それは変わるかもしれません。リーの 9 交差結び目は、スーパーコイル DNA といくつかの重要な特徴を共有しています。 「したがって、これらの [複合結び目] を研究し、私たちが作成した単純な制御システムでそれらを理解することで、スーパーコイル DNA 構造で分子レベルで何が起こっているかについての洞察を開発できる可能性があります」と Leigh 氏は述べています。
誰もが同意するわけではありません。ミケレッティ自身は、合成の結び目を生物学的な結び目に外挿することに懐疑的です。イギリスのケンブリッジ大学の化学者で、結ばれたタンパク質を研究しているソフィー・ジャクソンも、合成の結節がこのように異なるプロセスで作られているという事実は、DNA や他の生体分子の結節について多くを語れないことを意味すると考えています。しかし、「それはまだ初期の段階です」とリーは言いました。 「数種類の結び目を作成しただけで、数種類の特性しか確認できませんでした。」
「境界を押し広げ、他に何があるかを見るのは、常に興味深いことだと思います」と Zechiedrich 氏は付け加えました。
10 月 30 日に追加された訂正:位相的に等価な結び目の描画の以前のバージョンでは、交差点の 1 つが正しく表示されていませんでした。
