Топология цепи свернутого линейного полимера относится к расположению его внутримолекулярных контактов. Примерами линейных полимеров с внутримолекулярными контактами являются нуклеиновые кислоты и белки . Белки сворачиваются посредством образования контактов различной природы, в том числе водородных связей, дисульфидных связей и бета-бета-взаимодействий. [1] Молекулы РНК сворачиваются за счет образования водородных связей между нуклеотидами, образуя вложенные или невложенные структуры. Контакты в геноме устанавливаются посредством белковых мостиков, включая CTCF и когезины , и измеряются с помощью технологий, включая Hi-C . [2] Топология схемы классифицирует топологическое расположение этих физических контактов, которые называются жесткими контактами (или h-контактами). Кроме того, цепи могут складываться за счет завязывания узлов (или образования «мягких» контактов (s-контактов)). Топология схемы использует аналогичный язык для классификации как «мягких», так и «жестких» контактов и обеспечивает полное описание свернутой линейной цепи. В этой структуре «цепь» относится к сегменту цепи, где каждый контактный сайт внутри сегмента образует соединения с другими контактными сайтами в том же сегменте и, таким образом, не остается непарным. Таким образом, сложенную цепь можно изучать на основе составляющих ее цепей.
Простым примером сложенной цепи является цепь с двумя жесткими контактами. Для цепи с двумя бинарными контактами возможны три варианта расположения: параллельное (П), последовательное (S) и скрещенное (Х). Для цепи с n контактами топология может быть описана матрицей размера n на n, в которой каждый элемент иллюстрирует связь между парой контактов и может принимать одно из трех состояний: P, S и X. Многовалентные контакты также могут быть классифицировать полностью или путем разложения на несколько бинарных контактов. Точно так же топология схемы позволяет классифицировать попарное расположение пересечений и клубков цепей, обеспечивая тем самым полное трехмерное описание свернутых цепей. Кроме того, можно применять операции топологии схемы к мягким и жестким контактам для создания сложных складок, используя инженерный подход «снизу вверх».
И теория узлов , и топология цепей направлены на описание запутанности цепей, поэтому важно понять их взаимосвязь. Теория узлов рассматривает любую запутанную цепь как связную сумму простых узлов , которые сами по себе неразложимы. Топология схемы разбивает любые запутанные цепи (включая простые узлы) на базовые структурные единицы, называемые мягкими контактами, и перечисляет простые правила объединения мягких контактов. [3] [4] Преимущество топологии схемы заключается в том, что ее можно применять к разомкнутым линейным цепям с внутрицепными взаимодействиями, так называемыми жесткими контактами. [5] Это позволило провести топологический анализ белков и геномов, которые в теории узлов часто описываются как «незавязанные». [6] [7] Наконец, топология цепей позволяет изучать взаимодействие между жесткими контактами и запутываниями и способна идентифицировать скользящие узлы, в то время как теория узлов обычно упускает из виду жесткие контакты и расщепленные узлы. Таким образом, топология цепей служит дополнительным подходом к теории узлов.
Топология схемы имеет значение для кинетики складывания и молекулярной эволюции и применяется для создания полимеров, включая молекулярное оригами. [8] Топология цепи, а также порядок и размер контактов являются определяющими факторами скорости сворачивания линейных полимеров. [9] Этот подход также можно использовать в медицинских целях, включая прогнозирование патогенности мутаций.