Почему спираль ДНК почти всегда закручена вправо? Исследование загадки хиральности

Почему у большинства людей сердце располагается немного слева? Почему у ДНК почти всегда правостороннюю спираль? А белки повернуты влево? Хиральность присутствует в биологии повсюду, но причины — загадка. Есть множество гипотез, в новом исследовании авторы предлагают объяснение с точки зрения геометрии. 

Грег Хубер, биофизик из Биоцентра Чана Цукерберга в Сан-Франциско, потратил три года на изучение этих и многих других вопросов, используя простую асимметричную форму на треугольной решетке — мозаику сфинкса. Исследование опубликовано в Physical Review Research, сообщает Рhys.org.

Хиральность — отсутствие симметрии относительно правой и левой стороны. Если отражение объекта в идеальном плоском зеркале отличается от самого объекта, то объекту присуща хиральность. Классический пример можно увидеть, если посмотреть на руки: одна как бы зеркальное отражение другой.

РНК и ДНК, отвечающие за воспроизведение и хранение генетической информации, состоят из последовательностей строительных блоков с одинаковой протяженностью, нуклеотидов. Именно хиральность нуклеотидов придает спиральную структуру ДНК и РНК. Поскольку РНК и ДНК состоят из D-сахаров (правосторонних), более стабильной является правосторонняя спираль. Почему эти молекулы только правые — одна из важнейший загадок в науке.

Состоящий из шести равносторонних треугольников, «сфинкс» тоже может быть левосторонним или правосторонним. Эту масштабированную в n раз фигуру, можно составить с помощью n•n «сфинксов» меньшего размера. Другими словами, сфинкс 2-го порядка может быть составлен из 4 сфинксов, сфинкс 3-го порядка — из 9 и так далее. Количество возможных комбинаций (раскладок плиток) сначала небольшое: 1, 1, 4, 16,…, но это ненадолго. По мере увеличения количества сфинксов в мозаике количество возможных раскладок увеличивается сверхэкспоненциально. Например, сфинкс 5-го порядка имеет 153 возможных плитки (показано ниже), 6-го порядка — почти 72 000 плиток, а 13-го порядка — колоссальные 10 в степени 30.

Асимметрия фигуры открыла широкие возможности для изучения хиральности. Возьмем простой вопрос: разместите две плитки рядом. Существует 46 (или 47, в зависимости от того, как считать) различных способов соединения из двух «сфинксов». (Напротив, есть только один способ образования диады из двух квадратов.) Их можно выложить, чтобы большинство фрагментов находились в одной ориентации (только влево или вправо) или в примерно в равном количестве и влево, и вправо.

Авторы заметили, что чем больше плиток, тем чаще наиболее эффективный способ создания плотно упакованной структуры включал в себя однонаправленность. Удивительно, но пространственное распределение хиральности в мозаиках демонстрирует области избыточной лево- и правосторонности в зависимости с конкретных углов. Это можно было бы списать на ассимметричность общей фигуры, но если упаковывать сфинксами ромб, то наблюдается тот же эффект. То есть в данном случае получилось, что необходимость «левостороннести» или «правостороннести» зависела от формы, в которой надо расположить несимметричные «строительные блоки».

Пока статистическая значимость этих наблюдений не особенно высока, но авторы предполагают, что данные могут стать более очевидными при бОльших объемах данных и сложностях фигуры.

Грег Хубер, биофизик и исследователь из Биоцентра Чана Цукерберга в Сан-Франциско: «Это начинание было чем-то большим, чем абстрактное упражнение. Геометрия и хиральность имеют важные, но часто упускаемые из виду связи с биологией. Вселенная не должна отдавать предпочтение правому перед левым и наоборот, но это происходит. Хиральность очень загадочна».