Topología de circuitos

La topología de circuito de un polímero lineal plegado se refiere a la disposición de sus contactos intramoleculares. Ejemplos de polímeros lineales con contactos intramoleculares son los ácidos nucleicos y las proteínas . Las proteínas se pliegan mediante la formación de contactos de diversas naturalezas, incluidos los enlaces de hidrógeno, los enlaces disulfuro y las interacciones beta-beta. ^[1] Las moléculas de ARN se pliegan formando enlaces de hidrógeno entre nucleótidos, formando estructuras anidadas o no anidadas. Los contactos en el genoma se establecen a través de puentes proteicos, incluidos CTCF y cohesinas , y se miden mediante tecnologías que incluyen Hi-C . ^[2] La topología de circuito clasifica la disposición topológica de estos contactos físicos, que se denominan contactos duros (o contactos h). Además, las cadenas pueden plegarse mediante anudamiento (o la formación de contactos "blandos" (contactos s)). La topología de circuito utiliza un lenguaje similar para clasificar los contactos "blandos" y "duros", y proporciona una descripción completa de una cadena lineal plegada. En este marco, un "circuito" se refiere a un segmento de la cadena en el que cada sitio de contacto dentro del segmento forma conexiones con otros sitios de contacto dentro del mismo segmento y, por lo tanto, no queda desparejado. Por lo tanto, una cadena plegada se puede estudiar en función de los circuitos que la constituyen.

Un ejemplo sencillo de una cadena plegada es una cadena con dos contactos duros. Para una cadena con dos contactos binarios, hay tres disposiciones disponibles: en paralelo (P), en serie (S) y cruzado (X). Para una cadena con n contactos, la topología se puede describir mediante una matriz n por n en la que cada elemento ilustra la relación entre un par de contactos y puede adoptar uno de los tres estados, P, S y X. Los contactos multivalentes también se pueden categorizar en su totalidad o mediante descomposición en varios contactos binarios. De manera similar, la topología de circuitos permite la clasificación de las disposiciones por pares de cruces y enredos de cadenas, proporcionando así una descripción 3D completa de las cadenas plegadas. Además, se pueden aplicar operaciones de topología de circuitos a contactos blandos y duros para generar pliegues complejos, utilizando un enfoque de ingeniería de abajo hacia arriba.

Tanto la teoría de nudos como la topología de circuitos tienen como objetivo describir el entrelazamiento de cadenas, por lo que es importante comprender su relación. La teoría de nudos considera cualquier cadena entrelazada como una suma conectada de nudos primos , que son en sí mismos indescomponibles. La topología de circuitos divide cualquier cadena entrelazada (incluidos los nudos primos) en unidades estructurales básicas llamadas contactos blandos, y enumera reglas simples sobre cómo se pueden unir los contactos blandos. ^{[3] [4]} Una ventaja de la topología de circuitos es que se puede aplicar a cadenas lineales abiertas con interacciones intracadena, los llamados contactos duros. ^[5] Esto permitió el análisis topológico de proteínas y genomas, que a menudo se describen como "desenredados" en la teoría de nudos. ^{[6] [7]} Finalmente, la topología de circuitos permite estudiar las interacciones entre los contactos duros y los entrelazamientos y puede identificar nudos corredizos, mientras que la teoría de nudos generalmente pasa por alto los contactos duros y los nudos divididos. Por lo tanto, la topología de circuitos sirve como un enfoque complementario a la teoría de nudos.

La topología de circuitos tiene implicaciones para la cinética de plegamiento y la evolución molecular y se ha aplicado a la ingeniería de polímeros, incluido el origami molecular. ^[8] La topología de circuitos junto con el orden y el tamaño de los contactos son determinantes de la tasa de plegamiento de los polímeros lineales. ^[9] El enfoque también se puede utilizar para aplicaciones médicas, incluida la predicción de la patogenicidad de las mutaciones.

• Scalvini, Barbara; Sheikhhassani, Vahid; Mashaghi, Alireza (2021). "Principios topológicos del plegamiento de proteínas". Química Física Química . 23 (37): 21316–21328. Bibcode :2021PCCP...2321316S. doi :10.1039/D1CP03390E. hdl : 1887/3277889 . PMID  34545868. S2CID  237583577.
• Golovnev, Anatoly; Mashaghi, Alireza (septiembre de 2020). "Topología de circuitos generalizada de cadenas lineales plegadas". iScience . 23 (9): 101492. Bibcode :2020iSci...23j1492G. doi :10.1016/j.isci.2020.101492. PMC  7481252 . PMID  32896769.
• Heidari, Maziar; Schiessel, Helmut; Mashaghi, Alireza (24 de junio de 2020). "Análisis de topología de circuitos de reacciones de plegamiento de polímeros". ACS Central Science . 6 (6): 839–847. doi :10.1021/acscentsci.0c00308. PMC  7318069 . PMID  32607431.

• Topología molecular