人们普遍认为，如果你把有线耳机塞进口袋里，它们最终会变成一团乱麻。这就是为什么数学生物学家 Mariel Vazquez 的桌子上会放着一副缠绕的耳机：看着杂乱的线缆，有助于她想象我们身体里每个微观的人体 细胞是如何将 6 英尺长的 DNA 塞进去的。
当然，我们体内扭曲的 DNA 链比任何混乱的音频线都承载着更高的风险。如果细胞不能有效地将这些螺旋状的 DNA 紧凑地存储起来，并且仍然能够获取它们的遗传信息，那么它们就会死亡。弄清楚它们是如何做到这一点的，是 Vazquez 的跨学科实验室旨在解决的棘手问题之一，常常着眼于像新型癌症治疗等实际应用。
该实验室的工作围绕着 一门名为拓扑学的数学领域，Vazquez 在大学时有些偶然地接触到了它。她本科在墨西哥国立自治大学学习数学，但这几乎没有给她研究她从高中起就好奇的生物的机会。当她选修了一门研究形状变形能力的学科——拓扑学时，她找到了融合兴趣的方法。例如，它认为球体 等同于立方体，因为你可以将一个塑造成另一个。然而，甜甜圈是另一回事：将一个球体变成一个环形需要在其上切开一个洞，或者将它们的末端粘在一起，使它们成为两种根本不同的形状。
Vazquez 开始将装满基因的细胞视为一个拓扑学问题。毕竟，她解释说，“归根结底，DNA 是一条非常长的链，它被装进了一个非常小的环境中。”这个发现促使她获得了博士学位和博士后，并最终成为加州大学戴维斯分校的数学、微生物学和分子遗传学教授。
在过去的二十年里，她的工作利用拓扑学概念，对我们的身体如何追踪 DNA 链进行了核心发现。例如，数学家 可以计算一团乱麻的电线的“解结数”——即混乱中链条需要解开的最小次数才能让整个混乱变得整齐。Vazquez 的研究表明，特定的一组酶 似乎知道细胞内的解结数；它们倾向于在精确必要的地方访问 DNA，以高效地解开复杂的交叉，而不是采取更复杂的路线。
她团队的进展可以帮助生物学家更好地理解 DNA 在病毒内如何盘绕，从而揭示疾病的传播方式。它们也可能导致开发针对癌细胞内解开基因的酶的疗法，从而阻止其生长。
但 Vazquez 对这项研究的根本性质尤其感兴趣。通过研究 DNA 如何装入细胞，数学家对形状整体有了更敏锐的感知。像她这样的实验室的进展可能远远超出我们身体的影响——从发现用于电子和计算的新材料，到解释为什么混乱的 磁场会发出太阳耀斑。
这个故事最初刊登在《科普》杂志 2022 年春季“混乱”特刊上。阅读更多PopSci+故事。
