90

Óçëû â íàóêå è èñêóññòâå

© ÊÎÌÏÜÞÒÅÐÍÛÅ ÈÍÑÒÐÓÌÅÍÒÛ Â ÎÁÐÀÇÎÂÀÍÈÈ. ¹ 2, 2007 ã.

ÓÇËÛ Â ÍÀÓÊÅ È ÈÑÊÓÑÑÒÂÅ

 íàøåì æóðíàëå óæå ïóáëèêîâàëèñüñòàòüè îá óçëàõ (À.À. Íîçèê. Òàéíû óçëîâ,6-2004), à â ýòîì íîìåðå ïîìåùåí îáçîðëó÷øèõ îòå÷åñòâåííûõ ïîïóëÿðíûõ ïóáëè-êàöèé ïî ýòîé òåìå è èìååòñÿ ïðîãðàììàäëÿ ýêñïåðèìåíòîâ ñ óçëàìè, êîòîðàÿ èñ-ïîëüçîâàëàñü íà êîíêóðñå ÊÈÎ-2007.

Ñ îäíîé ñòîðîíû, ñ óçëàìè ìû âñòðå÷à-åìñÿ ïîâñþäó: èõ ìîæíî ðàçãëÿäåòü â ïåðå-ïëåòåíèè âîëîêîí òêàíè, âÿçàíèè èëè äåêî-ðàòèâíîì ïëåòåíèè, ìîðÿêè èñïîëüçóþò èõïðè øâàðòîâêå ñóäîâ, à ðûáàêè â îñíàñòêåóäî÷êè.

Ñ äðóãîé ñòîðîíû, óçëû ÿâëÿþòñÿ îáúåê-òîì ìàòåìàòè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé (òàê íå-äàâíî ìîñêîâñêèì ìàòåìàòèêîì È.À. Äûí-íèêîâûì áûëà çàùèùåíà äîêòîðñêàÿ äèñ-ñåðòàöèÿ íà òåìó «Íîâûé ïîäõîä ê êëàññè-ôèêàöèè çàöåïëåíèé è àëãîðèòìè÷åñêîìóðàñïîçíàâàíèþ òðèâèàëüíîãî óçëà»).

Íàêîíåö, êàê íåäàâíî îáíàðóæèëîñü, òå-îðèÿ óçëîâ èìååò ïðèêëàäíîå çíà÷åíèå.

Íà÷í¸ì ñ ïîñëåäíåãî. 2006 ãîäó áûëè îïóáëèêîâàíû ïåðâûå

ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèé êîëëåêòèâà èññëå-äîâàòåëåé Ìàññà÷óñåòñêîãî Òåõíîëîãè÷åñ-êîãî Èíñòèòóòà (Peter Virnau, Leonid Mirny,

Mehran Kardar), êîòîðûå ïûòàþòñÿ ïîíÿòü,ïî÷åìó ìîëåêóëû íåêîòîðûõ áåëêîâ çàâÿ-çàíû â óçëû (http://web.mit.edu/newsoffice/2006/techtalk51-2.pdf) (ðèñ. 1).

Îäíà èç ðàáî÷èõ ãèïîòåç ñîñòîèò â òîì,÷òî ïðîñòðàíñòâåííàÿ ñòðóêòóðà áåëêîâ èã-ðàåò ñóùåñòâåííóþ ðîëü â èõ ôóíêöèîíè-ðîâàíèè.

Èññëåäîâàòåëè ïðîàíàëèçèðîâàëè 32853áåëêà, èñïîëüçóÿ âû÷èñëèòåëüíóþ òåõíèêó,íèêîãäà ïðåæäå íå ïðèìåíÿâøóþñÿ ê èñ-ñëåäîâàíèÿì áåëêîâ â òàêîì ìàñøòàáå. Îêà-çàëîñü, ÷òî óçëû ñðàâíèòåëüíî ðåäêî âñòðå-÷àþòñÿ â áåëêàõ � óçëû èìåþò ìåíåå îäíî-ãî ïðîöåíòà âñåõ áåëêîâ, è áîëüøèíñòâî èçýòèõ óçëîâ äîâîëüíî ïðîñòû. Îáû÷íî óçëûèìåëè ôîðìó ïðîñòûõ òð¸õ-ïåðåïëåò¸ííûõóçëîâ (èëè òðèëèñòíèêîâ, â òàáëè÷êå óçëîâòàêîé óçåë ïîìåù¸í ïîä íîìåðîì 31), íå-ñêîëüêî èìåëî ÷åòûðå ïåðåïëåòåíèÿ, à íàè-áîëåå ñëîæíûé, ïÿòè-ïåðåïëåò¸ííûé óçåë,áûë ïåðâîíà÷àëüíî íàéäåí â òîëüêî îäíîìáåëêå � ubiquitin hydrolase.

Îáíàðóæèëèñü ëþáîïûòíûå çàêîíîìåð-íîñòè. Òàê âñå çàóçë¸ííûå áåëêè îêàçàëèñüôåðìåíòàìè. Ó÷¸íûå ïîëàãàþò, ÷òî ýòî ìî-æåò áûòü ñâÿçàíî ñ ôóíêöèåé çàóçë¸ííîãîáåëêà êàê ñïàñàòåëüíîãî àãåíòà áåëêîâ, ïî-ìå÷åííûõ äëÿ ðàçðóøåíèÿ.

Ñàìûé ñëîæíûé óçåë èç íàéäåííûõ ïðåä-ïîëîæèòåëüíî èãðàåò çàùèòíóþ ðîëü äëÿáåëêà ubiquitin hydrolase, ÷üÿ ôóíêöèÿ � ñïà-ñàòü äðóãèå áåëêè îò ðàçðóøåíèÿ � îïàñíàÿðàáîòà.

×òî ïðåäøåñòâóåò ðàñùåïëåíèþ è êàêïðîèñõîäèò ñïàñåíèå áåëêà?

Êîãäà áåëîê â êëåòêå äîëæåí áûòü ðàç-ðóøåí, îí ìàðêèðóåòñÿ äðóãèì áåëêîì, íà-çûâàåìûì ubiquitin. Êàê òîëüêî «ñìåðòåëü-Ðèñ. 1

91

Óçëû â íàóêå è èñêóññòâå

È ÂØÓÒÊÓ È ÂÑÅÐܨÇ

íàÿ ìåòêà» ïîñòàâëåíà, áåëîê îòïðàâëÿåò-ñÿ ê êëåòî÷íîé ñòðóêòóðå, íàçûâàåìîé ïðî-òåàñîìîé (proteasome), êîòîðàÿ ïðèòÿãèâà-åò áåëîê è ðàñêàëûâàåò åãî íà ÷àñòè. Îäíà-êî åñëè ubiquitin hydrolase âìåøèâàåòñÿ èóäàëÿåò ubiquitin, áåëîê ñïàñåí.

Ïî÷åìó æå ñàìè áåëêè-ñïàñàòåëè íå âòÿ-ãèâàþòñÿ â ïðîòåàñîìó?

Îêàçûâàåòñÿ, ÷òî ïðåïÿòñòâèåì ñëóæèòóçåë. Âåäü äëÿ ðàñùåïëåíèÿ áåëêà ïðîòåà-ñîìà äîëæíà «ðàñïóòàòü» áåëîê, îäíàêîóçåë ðàñïóòàòü íåëüçÿ â ïðèíöèïå, è çàóç-ë¸ííûé áåëîê ïðîòåàñîìå óíè÷òîæèòü íåóäà¸òñÿ!

Ëþáîïûòíî, ÷òî îäèí è òîò æå óçåë íàé-äåí â ubiquitin hydrolase êàê ó ëþäåé, òàê èâ äðîææàõ, ÷òî ïîäòâåðæäàåò òåîðèþ î òîì,÷òî èìååòñÿ ñâÿçü ìåæäó óçëîì è ôóíêöèåéáåëêà. Àâòîðû òàêæå ñ÷è-òàþò, ÷òî ýòî ãîâîðèò î òîì,÷òî óçëû ñîõðàíÿþòñÿ âïðîöåññå ýâîëþöèè áåëêà.

Ñî âðåìåíè íà÷àëà èñ-ñëåäîâàíèé ó÷¸íûå îáíàðó-æèëè ïÿòè-ïåðåïëåò¸ííûåóçëû â äâóõ äðóãèõ áåëêàõ �ìîçãîâîì áåëêå, ÷üè ïåðå-ðîæäåíèÿ è ìóòàöèè ñâÿçà-íû ñ ðàêîì è áîëåçíüþÏàðêèíñîíà, è áåëêå, âîâ-ëå÷åííûì â HIV-ðåïëèêà-öèîííûé öèêë.

Îíè òàêæå íàøëè ïðè-ìåðû áåëêîâ, êîòîðûå áëèç-êî ñâÿçàíû è ñòðóêòóðíî ïî-äîáíû, îòëè÷àÿñü ëèøü ïðè-ñóòñòâèåì èëè îòñóòñòâèåìóçëà. Äâå âåðñèè ôåðìåíòàtranscarbamylase, âçÿòûå èçîðãàíèçìà ëþäåé è èç íåêî-òîðûõ áàêòåðèé, ïîêàçûâà-þò ðàçëè÷íûå ðåàêöèè, â çà-âèñèìîñòè îò òîãî, èìååòñÿëè óçåë.

Íà ðèñ. 2 ïîìåùåíàòàáëè÷êà ñ êëàññèôèêàöè-åé óçëîâ, ïî êîòîðîé ìîæ-íî ïîïûòàòüñÿ îïðåäåëèòüóçëû, íàéäåííûå â áåëêî-âûõ ñòðóêòóðàõ. Ðèñ. 2

Ñàìûé ñëîæíûé óçåë èç íàéäåííûõïðåäïîëîæèòåëüíî èãðàåò çàùèòíóþ ðîëüäëÿ áåëêà ubiquitin hydrolase, ÷üÿ ôóíêöèÿ �ñïàñàòü äðóãèå áåëêè...

92

Óçëû â íàóêå è èñêóññòâå

© ÊÎÌÏÜÞÒÅÐÍÛÅ ÈÍÑÒÐÓÌÅÍÒÛ Â ÎÁÐÀÇÎÂÀÍÈÈ. ¹ 2, 2007 ã.

Ðèñ. 3

(http://knotplot.com/thesis/). Ñàéò îêàçàëñÿíàñòîëüêî óäà÷íûì, ÷òî â 2004 ãîäó ïîëó-÷èë çâàíèå «Ëó÷øèé ñàéò íåäåëè» Íàó÷íî-ãî Îíëàéí-ñîîáùåñòâà Àìåðèêè (AmericanScientist Online) è ïîëó÷èë ïðèçíàíèå òà-êèõ æóðíàëîâ, êàê Science è ScientificAmerican, à òàêæå ìíîãèõ ìóçååâ íàóêè.

Ê ñîæàëåíèþ, ñîçäàííîå àâòîðîì ïðî-ãðàììíîå îáåñïå÷åíèå äëÿ èçîáðàæåíèÿ óç-ëîâ, ÿâëÿåòñÿ ïëàòíûì (â ïðîòèâîâåñ îáúÿâ-ëåíèþ, êîòîðîå áûëî ñäåëàíî àâòîðîì íå-ñêîëüêî ëåò íàçàä, êîãäà ïðîãðàììà åù¸ íåáûëà íàïèñàíà).

Íî ìîæíî íàéòè è ìíîãî ñâîáîäíûõ ïðî-ãðàìì äëÿ êîíñòðóèðîâàíèÿ óçëîâ, íàïðèìåðíà ñàéòå Knots on the Web , êîòîðûé ïî îáú¸-ìó ñîáðàííîé ññûëî÷íîé èíôîðìàöèè ìîæíîñìåëî íàçâàòü «óçåëêîâûì ïîðòàëîì» (http://www.earlham.edu/~peters/knotlink.htm#animal).

 çàêëþ÷åíèå ìû ïðèâåä¸ì ïðèìåð àï-ïëåòà, ïîçâîëÿþùåãî ñîçäàâàòü ïëåò¸íûåêîíñòðóêöèè èç ñòàíäàðòíîé çàãîòîâêè ñïîìîùüþ ïðîñòîãî èíñòðóìåíòà � «êðåñ-òèêà» (ðèñ. 4), òàê ÷òî ïîëó÷àåòñÿ ÷òî-òîâðîäå «âûøèâàíèÿ êðåñòèêîì». Ïîñåòèòåñàéò http://www.webmonkey.com/96/51/stuff/index.html è ñïëåòèòå ÷òî-íèáóäü íà ïàìÿòü.

Êàê âû âèäèòå èíòåðåñîâàòüñÿ óçëàìèìîæíî ñ ðàçíûõ òî÷åê çðåíèÿ:

� ìàòåìàòè÷åñêîé òåîðèè,� ïðèëîæåíèé ê áèîëîãèè,� êîìïüþòåðíîé ãðàôèêè,� è ïðîñòî â êà÷åñòâå ðàçâëå÷åíèÿ.×òî âû âûáèðàåòå äëÿ ñåáÿ?

Ðèñ. 4

...åñëè ubiquitin hydrolase âìåøèâàåòñÿ èóäàëÿåò ubiquitin, áåëîê ñïàñåí.

Ýòà òàáëè÷êà âçÿòà ñ àäðåñà http://knotplot.com/zoo, è åñëè ó âàñ åñòü äîñòóï âÈíòåðíåò, òî âû ìîæåòå «ïîêðóòèòü» ýòèóçëû è ïîìåíÿòü èõ âèä, òàê êàê êàæäîìó óçëóñîîòâåòñòâóåò àïïëåò (ðèñ. 3).

Ýòîò çàìå÷àòåëüíûé ñàéò ñäåëàí ÐîáîìØàðåéíîì (Rob Scharein http://knotplot.com)è ÿâëÿåòñÿ ïðîäîëæåíèåì åãî äèññåðòàöèèInteractive Topological Drawing, ñ êîòîðîéìîæíî òàêæå ïîçíàêîìèòüñÿ íà ýòîì ñàéòå