缠绕的耳机能让我们了解 DNA 的哪些知识

众所周知，如果你把有线耳机塞进口袋，它们最终会乱成一团。这就是为什么数学生物学家 Mariel Vazquez 在她的办公桌上放着一副缠在一起的耳机：看着这根乱糟糟的耳机线，她就能想象出每个微小的人类细胞是如何塞进 6 英尺长的 DNA 的。

当然，我们体内的螺旋线比最混乱的音频线更危险。如果细胞不能在狭小的空间内有效地储存这些螺旋线，同时还能获取遗传信息，它们就会死亡。弄清楚它们如何做到这一点是 Vazquez 的跨学科实验室旨在解决的棘手问题之一，通常着眼于新型癌症治疗等实际应用。

实验室的工作围绕着数学领域拓扑学展开，Vazquez 在大学期间偶然接触到了这个领域。她在墨西哥国立自治大学读本科时主修数学，但这使得她几乎没有机会研究生物，而她从高中起就对生物很好奇。她在选修拓扑学课程时找到了一种融合兴趣的方法。拓扑学是一门根据形状的变形能力对形状进行分类的学科。例如，它认为球体等同于立方体，因为你可以将一个球体塑造成另一个立方体。然而，甜甜圈则完全不同：将球体变成圆环需要在球体上切一个洞或将其两端粘在一起，从而使它们形成两种完全不同的形状。

瓦兹奎兹开始将基因包装细胞视为一个拓扑问题。毕竟，她解释说，“归根结底，DNA 是一条很长的链，可以适应非常小的环境。”这一发现使她获得了博士学位和博士后学位，并最终成为加州大学戴维斯分校的数学、微生物学和分子遗传学教授。

在过去的二十年里，她的工作利用拓扑概念，对我们身体如何跟踪 DNA 链做出了核心发现。例如，数学家可以计算出一团乱麻的“解结数”——一团乱麻中的线必须解开的最少次数，才能使整个乱麻解开。Vazquez 的研究表明，一组特定的酶似乎知道细胞内的解结数；它们倾向于在需要的地方精确地访问 DNA，以有效地解开复杂的交叉，而不是采取更复杂的路线。

她团队的进展可能有助于生物学家更好地了解 DNA 在病毒内部如何缠绕，进而揭示疾病如何传播。它们还可能带来针对负责解开癌细胞内基因的酶的疗法，从而阻止癌细胞生长。

但 Vazquez 对这项研究的根本性质尤其感兴趣。通过研究 DNA 如何融入细胞，数学家对整体形状的感知能力得到了更敏锐的提升。像她这样的实验室取得的进展可能对我们身体以外的领域产生深远的影响——从发现用于电子和计算的新材料到揭示为什么杂乱的磁场会发出太阳耀斑。

这个故事最初刊登在 PopSci 2022 年春季 Messy 期刊上。阅读更多 PopSci+ 故事。