В конце 80-х годов российскими физиками была впервые предсказана необычная структура укладки макромолекулы. Двадцать лет спустя, в начале октября 2009 года, журнал «Science» опубликовал экспериментальную работу ученых из США, которые не только впервые в мире представили трехмерную модель ДНК человека, но и подтвердили на генетическом материале выводы своих российских коллег.

В 1988 году российские физики – Александр Гросберг и Сергей Нечаев из Института химической физики РАН и Евгений Шахнович из Института белка РАН – опубликовали теоретическую работу, в которой впервые высказывалась и физически обосновывалась гипотеза существования необычной «складчатой» укладки макромолекулы. До этой работы полимерная цепь (и, в частности, молекула ДНК) представлялась в виде цепи с открытыми концами, компактная (глобулярная) конфигурация которой сильно запутана и содержит множество узлов. Российские физики задались вопросом: изменятся ли свойства компактной структуры полимерной цепочки, изначально замкнутой в кольцо без узлов?

Оказалось, что физические и даже геометрические свойства компактного состояния полимерного кольца сильно отличаются от поведения аналогичной компактной структуры, образованной цепочкой с открытыми концами. Например, если отрезать от этой компактной незаузленной структуры половину и перемкнуть соседние свободные концы, то полученная «дочерняя» структура будет также слабо заузленной. Если от дочерней структуры опять отрезать часть, то и она будет обладать теми же топологическими свойствами, и т.д. Такую структуру укладки мы назвали складчатой или "фрактальной, – комментирует один из авторов работы, ныне ведущий научный сотрудник Сектора математической физики Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН), доктор физико-математических наук Сергей Нечаев.

Так как разные участки цепочки, замкнутой в кольцо, на любом масштабе не желают пронизывать друг друга петлями, то процесс компактификации и выпутывания может происходить очень быстро и обратимым образом. Такое поведение складчатой структуры укладки полимерной цепочки в виде кольца принципиальным образом отличается от поведения компактного состояния полимерной цепочки с открытыми концами, распутать которое, вытягивая участки цепи, практически невозможно. Впоследствии эта обратимость натолкнула группу российских физиков на мысль о возможной иерархичности складок в структуре укладки ДНК. Эта иерархичность заключается в следующем: полимерная цепь укладывается в складки, превращаясь в полимерную цепь уже большего диаметра, новая, «толстая», цепь, в свою очередь, вновь образует складки и т.д.

Иерархичная фрактальная структура укладки стала логичным объяснением возможности как быстрого «схлопывания» цепи молекулы ДНК, достигающей длины десятков сантиметров, до размеров хромосомы, умещающейся в клеточном ядре, так и быстрого выпутывания ее участков. Когда происходит считывание генетической информации, то необходимый участок просто «выпетливается» из молекулы ДНК, а после считывания «схлопывается» обратно, – рассказывает Сергей Нечаев.

Ученые из США пошли дальше: ими был разработан экспериментальный метод, позволивший составить карту пространственного положения генов в хромосоме человека. Обработав эту карту с помощью специализированной компьютерной программы, они получили трехмерную модель молекулы ДНК в конденсированном состоянии, которая полностью совпала с теоретическим предсказанием, сделанным российскими физиками, став его первым экспериментальным подтверждением.

Известие об экспериментальном подтверждении сделанного нами предсказания не может не радовать. Американские ученые проделали первоклассную работу, которая явно заняла немало времени и сил. Несколько месяцев назад мы, а именно, сотрудники ФИАНа, Университета «Париж-юг 11» и Института химической физики РАН, начали работы по определению локальных статистических характеристик иерархических случайных сетей, структура которых очень схожа с обнаруженной складчатой структурой ДНК. Анализ полученных американскими генетиками данных с точки зрения статистических свойств сетей позволил бы исследовать характеристики генома в рамках «сетевого подхода», – делится Нечаев.

Сотрудничество физиков с генетиками могло бы оказаться очень важным для решения ряда эволюционных проблем. Например, очень важным является вопрос о том, насколько похожи компактные (глобулярные) пространственные структуры укладки двух молекул ДНК с разными последовательностями. И можно ли сказать, что «похожие» последовательности имеют «похожие» компактные состояния? Количественной характеристикой такой «похожести» трехмерных глобулярных структур мог бы служить спектр карты контактов, полученной американскими учеными.