Cơ sở vật lí của những chuỗi xoắn của sự sống (Phần 1)

Sáu thập niên đã trôi qua kể từ khi người ta khám phá ra cấu trúc xoắn kép của ADN, những phân tử cấu tạo nên mã di truyền vẫn đang tiếp tục biểu hiện một số bước ngoặt hấp dẫn. Trong bài, Davide Marenduzzo, Cristian Micheletti và Enzo Orlandini phân tích cơ sở vật lí của các nút thắt ADN.

Ảnh chụp hiển vi điện tử truyền qua của ADN (màu xanh) lấy từ một thực khuẩn (đốm sáng ở chính giữa). Dưới những điều kiện bình thường, toàn bộ ADN cần khớp vào bên trong thực khuẩn, đưa đến ý tưởng về sự giam cầm rất chặt. (Ảnh: Biology Pics/Science Photo Library)

Các nút thắt là một bộ phận rất quen thuộc của cuộc sống hàng ngày. Trong một số trường hợp, chúng cực kì hữu ích: thủy thủ và dân leo núi, chẳng hạn, cần đến chúng để bảo vệ an toàn hoặc neo buột tàu thuyền và trang thiết bị. Nhưng trong những trường hợp khác, các nút thắt lại là chuyện phiền hà. Có lẽ tự bạn đã biết điều này khi gần đây nhất bạn phải cố gỡ mớ dây cáp điện rối tung, ví dụ, sau khi hút bụi hoặc cắt cỏ trong vườn. Lúc nào cũng vậy, có một nút thắt trong mớ cáp khi bạn muốn giữ cho nó suôn thẳng, và để mở nút bạn phải liên tục kéo một đầu của nó qua chỗ bị rối – một thao tác hơi bực bội và chán ngán, bất kì ai từng mở rối dây headphone hay đèn trang trí cây thông Giáng sinh đều có thể xác nhận.

Lí thuyết giải thích các nút thắt hình thành như thế nào, và làm thế nào có thể phân biệt những nút thắt khác nhau, đã ra đời dưới dạng một môn toán học hơi trừu tượng. Được phát triển bởi bộ ba nhà vật lí người Scotland – Peter Guthrie Tait, James Clerk Maxwell và William Thomson (sau này là Huân tước Kelvin) – vào cuối thế kỉ 19, ban đầu nó được xây dựng để giải thích cho quan điểm ngày nay đã bị phủ nhận rằng các nguyên tử có thể gồm những ống thắt của aether. Tuy nhiên, kể từ đó, các nhà vật lí còn tìm thấy các ứng dụng thực tế cho lí thuyết nút. Một ví dụ quan trọng là về những cấu hình khả dĩ của các phân tử ADN. Giống như những sợi cáp kéo dài, những sợi tạo nên ADN có thể bị thắt nút theo đủ kiểu loại, và nghiên cứu các loại nút thắt tạo bởi ADN cho chúng ta biết một số thông tin thú vị về các tính chất của phân tử ADN.

Ví dụ, người ta có thể tưởng tượng rằng các nút thắt ADN sẽ gây khó khăn cho các protein đọc, biên dịch và sao chép phần bị thắt nút của phân tử. Sự thắt nút ADN liên tiếp còn có thể ngăn cản sự phân chia tế bào và dẫn tới cái chết của tế bào. Hơn nữa, ADN bên trong vi khuẩn và tế bào người quá dài (tương ứng là hàng milli mét và hàng mét) nên người ta nghĩ các nút thắt sẽ xảy ra thường xuyên. Tuy nhiên, những enzyme nhất định, gọi là topoisomerase, đã tiến hóa để giải quyết vấn đề này bằng cách cắt khúc ADN và dán nó trở lại. Mặt khác, bên trong một số virus rất nhỏ, nơi chỉ có đủ không gian cho bản thân ADN, các nút thắt là không thể tránh khỏi vì sự giam cầm quá chặt – nhưng các nút thắt hình thành như thế không ngăn cản virus lây nhiễm vào vật chủ của nó. Nếu hiểu rõ hơn về các nút thắt ADN, chúng ta có thể biết nhiều hơn về những quá trình tế bào quan trọng này.

Những đầu mối lỏng lẻo

Trước khi nói chi tiết hơn về các nút thắt ADN, trước tiên chúng ta cần một số thông tin cơ bản về lí thuyết nút. Các nút thắt được chia nhóm theo số lượng giao điểm tối thiểu mà chúng chứa, và mỗi nút thắt trong một nhóm được gán cho một con số. Ví dụ, nút thắt-không tầm thường đơn giản nhất, nút ba lá, được gọi là 3₁: nó có ba giao điểm, và nó mang chỉ số dưới 1 vì nó là nút đầu tiên và duy nhất có thể với ba giao điểm. Hình 1 minh họa nút ba lá cùng với một vài nút thắt đơn giản khác. Lưu ý rằng trong những sơ đồ như thế này, cái quan trọng là ghi nhớ thông tin về đoạn nào nằm ở phía trên tại một giao điểm. Chẳng hạn, nếu bạn đảo đoạn trên và đoạn dưới chỉ ở một giao điểm của nút ba lá, thì đường cong thu được không còn chứa nút nào nữa hết: nó đã trở thành một nút mở (0).

Hình 1. Bảng nút thắt này thể hiện những nút thắt “đơn giản” với nút nhiều nhất có sáu giao điểm, trong đó có nút ba lá với ba giao điểm và “nút mở” không có giao điểm nào. Những nút này là đơn giản theo nghĩa là chúng có một thành phần bị thắt nút, trong khi những nút thắt “hỗn hợp” được hình thành bởi sự gắn kết hai hoặc nhiều nút đơn giản.

Giờ hãy tưởng tượng vẽ một nút thắt dưới dạng một đường cong kín trên một bề mặt. Nếu mặt đó là một mặt cầu, ví dụ như quả bong bóng, thì chỉ có thể vẽ được một nút thắt không có bất kì giao điểm tự cắt nào, tức là nút mở. Tuy nhiên, nếu mặt đó có dạng một mặt xuyến, giống như cái bánh rán hay chiếc nhẫn, thì ta có thể vẽ vô số nút thắt trên nó (hình 2). Những nút này được gọi là nút xuyến, và các ví dụ bao gồm nút ba lá và nút sao 5₁.

Một họ nút thắt quan trọng thứ hai là nút xoắn. Để tạo ra một nút thắt như vậy, ta lấy một sợi dây và giữ nó cố định tại hai đầu của nó. Sau đó nắm chính giữa dây và xoắn nguyên vòng dây đó một số nguyên lần. Chẳng mấy chốc sợi dây sẽ bắt đầu trông y hệt như dây xoắn chỗ tay cầm máy điện thoại, một hiện tượng gọi là “siêu quấn”. Cuối cùng, cầm một trong hai đầu dây, luồn nó qua vòng phía trên của dây, sau đó buột hai đầu lại, giờ thì sợi dây đã bị thắt nút. Bằng cách tăng số vòng xoắn, bạn có thể tạo ra nút ba lá (cái đáng lưu ý là nút ba lá vừa là nút xoắn vừa là nút xuyến), nút tám (4₁), nút ba-xoắn (5₂), hoặc nút Stevedore (6₁).

Trong hai họ nút này, nút xoắn thường gặp hơn trong tự nhiên. Đây là vì khi mở một dây xoắn, người ta thường vô tình luồn một đầu dây xoắn qua một vòng dây – và điều tương tự cũng đúng nếu một quá trình tự nhiên nào đó chứ không phải con người làm công việc mở dây. Nói một cách chặt chẽ hơn việc các nút xoắn dễ được tạo ra là lưu ý “số mở nút” của chúng là 1. Số mở nút là số lần tối thiểu một nút thắt phải được luồn qua chính nó để mở nút. Hay tương đương, nó bằng với số giao điểm tối thiểu phải được đảo dây để thu được sự mở nút. Với một ít nét vẽ và suy nghĩ (và có lẽ với sự hỗ trợ của dây headphone của bạn), bạn khá dễ dàng thấy rằng số mở nút của một nút xuyến 5₁ là bằng 2. Nút này khó được tạo ra bởi sự tình cờ hơn, vì dây xoắn phải luồn qua nó hai lần, chứ không phải một.

>> Còn tiếp Phần 2