Поиск - новости науки и техники

Распутать узлы. Исследования российских ученых позволяют решать задачи в разных областях.

Подумать только: 20 лет оригинальная теоретическая работа, объединившая статистическую физику полимеров и топологию, оставалась практически незамеченной. И лишь через много лет блестящий эксперимент в молекулярной генетике подтвердил теорию. Научный мир наконец воздал ей должное, открылись перспективы ее применения в разнообразных приложениях. Справедливость восторжествовала, однако у авторов осталось чувство сожаления.
А теперь сначала. В 1968 году выдающийся физик И.Лифшиц постарался понять, что будет с длинной полимерной цепочкой, если ее поместить в такие условия, когда она переходит в каплеобразное плотное состояние. Переход макромолекулы из развернутого (клубкового) в конденсированное (глобулярное) состояние – одно из важнейших изменений структуры любого полимера под влиянием внешних воздействий (например, температуры). Так на свет появилась ставшая классической теория “перехода клубок-глобула”, разработанная И.Лифшицем в соавторстве с А.Гросбергом и А.Хохловым. Через некоторое время Александр Гросберг, Сергей Нечаев и Евгений Шахнович задались вопросом: как происходит тот же переход в полимере без узлов? В 1988 году они напечатали статью во французском физическом журнале Journal de Physique. Развитие этих исследований открывало большие перспективы: появлялась возможность намного больше узнать о роли топологии в статистической физике полимеров. Что и подтвердилось в дальнейшем.
Об этой работе и ее судьбе “Поиск” попросил рассказать Сергея Нечаева, в то время недавнего выпускника физфака МГУ, сегодня доктора физико-математических наук, ведущего научного сотрудника ФИАН и параллельно Центра национальных исследований Франции (CNRS).

– Моим наставником на физфаке был Алексей Хохлов, – вспоминает Сергей Нечаев. – Его отличало потрясающее чутье на перспективные, еще не разработанные области физики. Он поддержал меня, когда я увлекся фундаментальными топологическими задачами. Объясню их на примерах. Собака на длинной цепи бегает среди деревьев и возвращается в конуру, не запутавшись и обойдя все препятствия. Возможно ли это? Или как вытянуть длинную нить из клубка шерсти, с которым играет котенок? Несмотря на кажущуюся простоту, эти задачи очень сложные. Первую из них мне удалось решить в дипломной работе, признанной в СССР лучшей по математике в 1985 году.
Однако в аспирантуру я не попал (в том числе из-за “тройки” по политэкономии социализма), но Александр Гросберг взял меня стажером-исследователем в Институт химической физики РАН. Оглядываясь назад, понимаю, как мне повезло: общение с Гросбергом и коллегами, симпатия, ирония, царившие в нашей небольшой группе, создавали особую творческую атмосферу. С благодарностью вспоминаю о той поре и поддерживаю подобные отношения в своем маленьком коллективе. А прежде чем взяться за новую задачу, спрашиваю себя: “А как Шура Гросберг стал бы ее решать?” И если не нахожу ответа… делаю вид, что задача мне неинтересна.
К Гросбергу я пришел со своей “топологической” темой и практически сразу начал писать кандидатскую диссертацию, в расширенном виде ставшую затем основой докторской. Насколько важно исследование статистических свойств полимерных цепей? Кусок резины представляет собой сетку, сшитую из длинных “веревок” (полимерных нитей). Когда резину растягивают, они вытягиваются и запутанность нитей существенно влияет на упругость. Естественно, даже и “без знания топологии” резина все равно будет тянуться, но улучшить ее качество, создать новые материалы со специфическими свойствами не удастся. Не зная, как топология влияет на статистические свойства полимеров, химики не смогли бы решать задачи хроматографии, а биологи не узнали бы, как “упаковывается” ДНК в клеточном ядре – это необходимо для понимания процесса транскрипции (считывания) генетической информации.
Но о перспективах исследований и их применении я тогда не думал: важен был сам процесс поиска методов в новой для всех нас области – “статистической топологии”. Самым “биологическим” из нас, физиков, был Евгений Шахнович, специалист по исследованию пространственной структуры белка, тогда – сотрудник пущинского Института белка РАН, сегодня – профессор Гарварда. В нашей работе удивительным образом переплелись топология, статистическая физика и неевклидова геометрия Лобачевского, но осознавали все это мы постепенно. Результат, теперь это понятно, изменил представление о возможной структуре ДНК в ядре клетки.
Тогда, разумеется, мы не предполагали, к чему это исследование приведет. Нас (во всяком случае, меня) увлекло неожиданное и оригинальное теоретическое построение, в котором учитывалось влияние топологии на статистические свойства кольцевой полимерной цепочки без узлов, “упакованной” в маленьком “ящике”. Нам повезло: мы попали в “зазор” между физиками и математиками. Любой достаточно квалифицированный математик мог бы решить поставленную задачу, но топологов и специалистов по теории вероятности не интересовала наша физическая задача, а физики и биологи не очень-то владели соответствующим математическим аппаратом. Мне кажется, что только с середины 1990-х годов стали появляться работы по “статистической топологии” в физике полимеров.
Нам самим очень нравилась придуманная нами новая конструкция, которую мы назвали “складчатая глобула”. В 1993 году Гросберг с соавторами опубликовал статью в Europhysics Letters, предложив рассматривать нашу конструкцию как структуру ДНК в хромосоме. Я с коллегами пытался найти более строгие математические аргументы, которые объясняли бы стабильность нашей “складчатой” конструкции и связь пространственной укладки цепи с наличием (или отсутствием) узлов. В 2005 году наша работа вышла в Journal of Knot Theory and Ramifications.
Я уже приводил пример котенка, играющего с мотком шерсти. Из мотка очень трудно вытащить длинную нить. А в нашей “складчатой” конструкции это сделать чрезвычайно просто. Так же просто затем сложить нить и “упаковать” обратно внутрь, поскольку конструкция представляет собой иерархическую систему складок. Полимер образует маленькие складочки, становясь более толстой и короткой “сосиской”, она затем опять образует складки, становясь еще более толстой и короткой “сарделькой” и т.д. В результате получается компактная структура без узлов, плотно заполняющая все пространство. Сложность заключалась в том, чтобы понять, когда такая структура станет стабильной и не будет разрушаться со временем. Наша конструкция стала неожиданностью для математиков, биологов, физиков. Но хотелось подтвердить опытным путем, что ее можно реализовать, и мы неоднократно обращались к экспериментаторам. Косвенные указания на справедливость наших теоретических построений были, однако в то время осуществить прямые эксперименты не удалось.
Только через 20 лет работа А.Гросберга, С.Нечаева и Е.Шахновича была подтверждена экспериментально. В 2009 году журнал Science опубликовал статью группы ученых из США (одним из ключевых ее авторов был Леонид Мирный, заведующий лабораторией MIT, выпускник МИФИ и ученик Е.Шахновича). Впервые в мире на основе анализа генетических карт хромосом авторы представили трехмерную модель ДНК человека с помощью так называемого Hi-C метода. Оказалось, что укладка ДНК в хромосоме в точности совпадает с теоретически предсказанной нашими учеными конструкцией “складчатой глобулы”. Американцы провели сложный и тонкий эксперимент. Им, в частности, удалось определить пространственный размер отрезков ДНК разной длины, “упакованной” в хромосоме (чего пытались добиться от экспериментаторов наши авторы в 1988 году, чтобы подтвердить свою теорию). Этот эксперимент вместе с явным указанием на старую теоретическую работу произвел эффект разорвавшейся бомбы: набрав в Интернете “crumpled globule” или “fractal globule” (как эту структуру назвали американцы), получим около десятка тысяч ссылок на сайты, где это название упоминается. Эти работы меняют представление о структуре ДНК в ядре клетки, и, возможно, сегодня мы становимся свидетелями формирования новой парадигмы в молекулярной генетике, в основе которой лежат топологические идеи.
Авторы эксперимента ссылались на работу трех наших героев и цитировали ее, так что частица славы досталась и им – появилось множество ссылок на их давнюю статью. Получив экспериментальное подтверждение, теория перестала быть хотя интересной и оригинальной, но все же гипотезой. Давняя идея наконец-то “выстрелила”.
– В науке такое случается, – продолжает Сергей Нечаев. – Жаль только, что времени прошло так много: в свое время научное сообщество отнеслось к нашей теории не очень внимательно, что пусть и немного обидно, но справедливо: мало ли гипотез на свете. Но “хорошо то, что хорошо кончается”… Хотя, надеюсь, теперь все только начинается. В химии, биологии и молекулярной генетике можно ждать новых работ, основанных на принципах, которые привели к формированию “складчатой глобулы”. Не исключена возможность создания новых “молекулярных машин” из синтетических полимеров и новых катализаторов. Мы думаем над этим, фантазируем, но стараемся не слишком увлекаться.
Лаборатория Леонида Мирного и моя группа выиграли совместный грант MIT-France на исследование карт генетических контактов в хромосомах, полученных с помощью Hi-C метода. В Страсбурге проводят эксперименты по исследованию специальным образом приготовленных полимерных сеток со специфическими свойствами упругости. Возникла идея объединить несколько молодежных теоретических групп, работающих по этой тематике в Москве (МГУ, Институт химической физики, ФИАН). Мы собираемся обратиться к руководству ФИАН с предложением создать пока виртуальную лабораторию и привлечь биологов и химиков-синтетиков.
Здесь можно было бы поставить точку в описании перипетий в судьбе “складчатой глобулы”. Но интересно было узнать, много ли сегодня, по мнению Сергея Константиновича, едет за границу наших соотечественников?
– В 1990-е годы мы уезжали из страны, потому что другого выхода не видели. В большинстве это были уже сформировавшиеся научные работники, имеющие контакты за границей, где знали их труды. В нулевые годы отъезд стал массовым – поехали студенты и аспиранты. Сегодня картина несколько изменилась. Массовый переезд за границу сохранился, но стал более избирательным: молодые специалисты часто ищут себе научных руководителей среди бывших соотечественников. Прекрасно понимая при этом, что им будет трудно: за рубежом очень сильная конкуренция, в том числе среди своих. В том, что молодые люди едут в другие страны, на мой взгляд, ничего плохого нет, только неизвестно, вернутся ли они? А потерять их не хотелось бы: ведь едут искать себя в основном энтузиасты, самородки.
Если посмотреть на отъезд научных работников с точки зрения теории эволюции, то я бы рассматривал его как инстинктивную попытку “сохранить научный генофонд” – пережить неблагоприятные “климатические условия” и иметь возможность (хотя бы гипотетическую) вернуться назад.

Записал Юрий Дризе

Нет комментариев