絡まったヘッドフォンからDNAについて学べること

有線ヘッドホンをポケットに押し込むと、やがて絡まったコードが絡まって出てくるというのは、誰もが認める事実です。数理生物学者のマリエル・バスケスが、絡まったコードをデスクに置いているのはそのためです。絡まったコードを見ると、人間の微小な細胞 1 つ 1 つに 6 フィートの DNA が詰め込まれている様子を思い浮かべることができるのです。

もちろん、私たちの体内のねじれたらせん構造は、最も無秩序なオーディオケーブルよりもはるかに大きなリスクを伴います。細胞は、遺伝情報にアクセスしながらこれらのらせん構造を狭い場所に効率的に保管できなければ、死んでしまいます。細胞がどのようにしてそれを実現しているのかを解明することは、バスケスの学際的な研究室が取り組む難問の 1 つであり、多くの場合、新しいがん治療などの実用化を視野に入れています。

研究室の研究は、数学のトポロジーという分野を中心に行われている。バスケス氏は大学時代に、ある意味偶然この分野に出会った。メキシコ国立自治大学で学部生として数学を専攻したが、高校時代から興味を持っていた生物を研究する機会はほとんどなかった。彼女は、トポロジーの授業を受けて、自分の興味を融合する方法を見つけた。トポロジーとは、形を変形できるかどうかに基づいて分類する学問である。たとえば、球体は立方体と同等とみなされる。なぜなら、球体を別の形に成形できるからである。しかし、ドーナツは別の話だ。球体をリングにするには、穴を開けるか、両端をくっつける必要があり、2つの根本的に異なる形になる。

バスケスは、遺伝子が詰まった細胞を位相幾何学の問題として考えるようになりました。結局のところ、「DNA は非常に小さな環境に収まる非常に長い鎖であるという事実に行き着くのです」と彼女は説明します。この啓示が博士号とポスドクにつながり、最終的にはカリフォルニア大学デービス校で数学、微生物学、分子遺伝学の教授としての役職に就きました。

過去 20 年間、彼女の研究は位相幾何学の概念を利用して、私たちの体が DNA 鎖を追跡する方法について中核的な発見をしてきました。たとえば、数学者は絡まった電線の「ほどける回数」を計算できます。これは、絡み合った電線全体を解くために、絡み合った電線を最低何回ほどけばよいかという回数です。バスケスの研究は、特定の酵素セットが細胞内のほどける回数を知っているらしいことを明らかにしました。酵素は、複雑な経路をたどるのではなく、必要な場所で DNA にアクセスして、複雑な交差を効率的にほどく傾向があります。

彼女のチームの進歩は、生物学者がウイルス内部で DNA がどのように巻き付いているかをより深く理解するのに役立つ可能性があり、それによって病気がどのように広がるかが明らかになるかもしれない。また、がん細胞内で遺伝子を巻き戻す酵素を標的にして、その増殖を止める治療法につながるかもしれない。

しかし、バスケス氏はこの研究の根本的な性質に特に興味を持っている。DNAが細胞にどのように適合するかを研究することで、数学者は全体的な形状に対する鋭敏な感覚を養う。彼女のような研究室での進歩は、電子機器や計算のための新素材の発見から、混乱した磁場が太陽フレアを放出する理由の解明まで、私たちの身体をはるかに超えた影響を与える可能性がある。

この記事はもともと、PopSci 2022年春のMessy号に掲載されたものです。PopSci+のその他の記事を読む。