Защо спиралата на ДНК почти винаги е усукана надясно?

Грег Хубер, биофизик от биоцентъра „Чан Зукърбърг“ в Сан Франциско, е прекара три години в изучаване на тези въпроси и много други, използвайки проста асиметрична форма върху триъгълна решетка – мозайката на сфинкса. Изследването е публикувано в Physical Review Research, съобщава Phys.org.

Хиралността е липсата на симетрия по отношение на дясната и лявата страна. Ако отражението на обект в идеално плоско огледало се различава от самия обект, тогава на обекта е присъща хиралност. Класически пример може да се види на ръцете: едната е като огледално отражение на другата.

ОЩЕ: Математици планират компютърно доказателство на последната теорема на Ферма

РНК и ДНК, отговорни за възпроизвеждането и съхранението на генетичната информация, се състоят от последователности от градивни елементи с еднаква дължина, нуклеотиди. Именно хиралността на нуклеотидите придава спиралната структура на ДНК и РНК. Тъй като РНК и ДНК се състоят от D-захари (десностранни), по-стабилна се явява дясната спирала. Защо тези молекули са само десни, е една от най-важните загадки в науката.

Състоящият се от шест равностранни триъгълника „сфинкс“ също може да бъде левостранен или десностранен. Тази фигура, мащабирана n пъти, може да бъде съставена от n•n „сфинксове“ с по-малък размер. С други думи, сфинкс от 2-ри ред може да бъде съставен от 4 сфинкса, сфинкс от 3-ти ред може да бъде съставен от 9 и т.н. Броят на възможните комбинации първоначално е малък: 1, 1, 4, 16,..., но това не е за дълго. С увеличаването на броя на сфинксовете в мозайката количеството нараства свръхекспоненциално. Например сфинкс от 5-и ред има 153 възможни плочки (показани по-долу), 6-и ред има почти 72 000 плочки, а 13-и ред има колосалните 10 на степен 30.

Плочката сфинкс е както асиметрична, така и "повторна", което означава, че нейната форма може да бъде съставена с повтарящи се, по-малки копия на себе си. Greg Huber et al. / Physical Review Research, 2024

Асиметрията на фигурата е отворила широки възможности за изследване на хиралността. Нека вземем един прост въпрос: поставете две плочки една до друга. Има 46 (или 47, в зависимост от това как броите) различни начина за свързване на два "сфинкса". (Но има само един начин да се образува диада от два квадрата.) Те могат да бъдат разположени така, че повечето части да са в една и съща ориентация (само вляво или само вдясно) или в приблизително равен брой отляво и отдясно.

Авторите забелязали, че колкото повече плочки има, толкова по-често най-ефективният начин за създаване на плътно опакована структура включвал еднопосочност. Изненадващо, пространственото разпределение на хиралността в мозайките показва области на прекомерна лево- или десностранност в зависимост от конкретни ъгли. Това може да се дължи на асиметрията на цялостната фигура, но ако се опакова ромб със сфинксове, се наблюдава същият ефект. Тоест в дадения случай се получава, че необходимостта от „левостранност“ или „десностранност“ зависи от формата, в която трябва да бъдат поставени асиметричните „градивни елементи“.

ОЩЕ: Разгадаха генетичната история на европейците

Засега статистическата значимост на тези наблюдения не е особено висока, но авторите предполагат, че констатациите могат да станат по-очевидни с по-големи обеми данни и по-голяма сложност на фигурата.

 „Това начинание беше повече от абстрактно упражнение. Геометрията и хиралността имат важни, но често пренебрегвани връзки с биологията. Вселената не трябва да предпочита дясното пред лявото и обратното, но това се случва. Хиралността е много загадъчна“, отбелязва Грег Хубер.