La topología del 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 diversa naturaleza, incluidos enlaces de hidrógeno, enlaces disulfuro e 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 del circuito clasifica la disposición topológica de estos contactos físicos, que se denominan contactos duros (o contactos h). Además, las cadenas pueden plegarse mediante nudos (o mediante la formación de contactos "suaves" (contactos s)). La topología de circuitos 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 donde cada sitio de contacto dentro del segmento forma conexiones con otros sitios de contacto dentro del mismo segmento y, por lo tanto, no queda desapareado. Por tanto, se puede estudiar una cadena plegada basándose en los circuitos que la constituyen.
Un ejemplo sencillo de cadena plegada es una cadena con dos contactos duros. Para una cadena con dos contactos binarios, están disponibles tres disposiciones: paralelo (P), 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 tomar uno de los tres estados, P, S y X. Los contactos multivalentes también pueden ser categorizados en su totalidad o mediante descomposición en varios contactos binarios. De manera similar, la topología de circuito permite la clasificación de las disposiciones por pares de cruces y enredos de cadenas, proporcionando así una descripción tridimensional completa de las cadenas plegadas. Además, se pueden aplicar operaciones de topología de circuitos a contactos duros y blandos para generar pliegues complejos, utilizando un enfoque de ingeniería ascendente.
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 en sí mismos no se pueden descomponer. La topología de circuito divide cualquier cadena entrelazada (incluidos los nudos primarios) 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 circuito es que se puede aplicar a cadenas lineales abiertas con interacciones dentro de la cadena, los llamados contactos duros. [5] Esto permitió el análisis topológico de proteínas y genomas, que a menudo se describen como "desanudados" en la teoría de nudos. [6] [7] Finalmente, la topología de circuitos permite estudiar las interacciones entre contactos duros y entrelazamientos y es capaz de identificar nudos corredizos, mientras que la teoría de nudos normalmente pasa por alto los contactos duros y los nudos divididos. Por 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 plegado y la evolución molecular y se ha aplicado para diseñar polímeros, incluido el origami molecular. [8] La topología del circuito junto con el orden y el tamaño de los contactos son determinantes de la tasa de plegado de los polímeros lineales. [9] El enfoque también se puede utilizar para aplicaciones médicas, incluida la predicción de la patogenicidad de mutaciones.