ДНК сказала ученому «Да»

Мой сегодняшний день начался с чтения заголовка «Российский ученый из Научно-технологического университета «Сириус» перевернул представление человечества о работе ДНК». Такую новость пустили по Первому каналу с пояснением:

«Несколько лет Максим Никитин работал в тайне даже от своих коллег. Пытался подтвердить свои догадки экспериментально. И ему это удалось. Прорыв в мировой науке, шаг в новую эру биологии, так о его экспериментах написали в одном из самых авторитетных научных журналов».

Одновременно с этим коллега переслал мне ссылку на оригинальную статью с комментарием: «трудно понять, то ли это лженаука уровня Эпштейна [примечание: автор концепции релиз-активных препаратов, известных как стыдливая гомеопатия»], то ли свежая струя». Я статью прочитал. Мое мнение: это не лженаука, но и не новая эра в биологии. Попробуем разобраться.

Статья Максима Никитина (не путать с Михаилом Никитиным, автором книги про происхождение жизни) называется «переключение некомплементарных цепей как фундаментальная альтернатива регуляции генов и обработки информации, записанной в ДНК» [1]. Статья, действительно, опубликована в серьезном научном журнале Nature Chemistry, а сам автор довольно высокоцитуремый ученый (h-index 30).

Молекула ДНК представляет собой двойную спираль. Каждая из одиночных цепей в норме состоит из четырех типов нуклеотидов, обозначаемых символами A,T,G и С. Причем в двойной спирали A всегда стоит напротив T, а G напротив C. Это называется принцип комплементарности, и он позволяет молекуле ДНК эффективно копироваться. Двойная спираль расплетается на две одиночные цепи, к каждой из которых достраивается комплементарная цепь. Получается две идентичных двойных спирали по образу и подобию исходной.

На принципе комплементарности построено не только удвоение ДНК. Например, его использует система редактирования ДНК CRISPR/Cas9. В данном случае для разрезания ДНК молекулярными ножницами Cas9 комплементарность должна возникнуть между мишенью и специальной одноцепочечной направляющей молекулой РНК (тоже состоит из четырех нуклеотидов).

Комплементарность используется и при синтезе белков на молекулярных фабриках – рибосомах. Здесь она возникает между тройками нуклеотидов (кодонами) матричной РНК и тройками нуклеотидов (антикодонами) в транспортной РНК. Матричная РНК содержит инструкции по синтезу белка, а транспортная доставляет в рибосомы аминокислоты, из которых собственно и строится белок.

Еще по принципу комплементарности работают микро-РНК – короткие одноцепочечные молекулы, которые могут связываться с другими РНК и влиять на их работу. И так примеров можно привести множество.

В своей работе автор создал искусственную систему для простейших логических и вычислительных операций, состоящих из смеси одноцепочечных молекул ДНК, которые друг другу комплементарны лишь частично и могут конкурировать за связывание друг с другом.

Допустим, что у вас есть три коротких молекулы ДНК: S, Q и I. Молекула S помечена и выдает световой сигнал, который можно увидеть в специальный микроскоп. Молекула Q частично комплементарна S и к ней приделан молекулярный выключатель свечения. Если мы смешаем S + Q, то они свяжутся, и световой сигнал будет слабым (ноль). Теперь добавим к системе молекулу I, которая частично комплементарна Q, в гораздо большей степени, чем к S. В этом случае баланс взаимодействий изменится: Q свяжется с I, а S высвободится и начнет светиться. Теперь сигнал есть (единица).

Таким образом, мы получили положительный ответ на вопрос: «есть ли в смеси молекула I» (выражение «Да»). Аналогично можно сделать систему, которая будет светиться, если молекулы I в смеси нет (выражение «Нет») или систему, которая будет светиться если присутствует несколько молекул I1, I2, I3 одновременно (функция «И»). Отдельно можно создать свечение в ответ на присутствие одной из молекул I1, I2, I3 (функция «ИЛИ»). Дальше можно накрутить и более сложные логические или вычислительные операции, которые берут некий набор молекул на вход и выдают некоторый результат на выход.

Приведу пример на пальцах. У нас есть вводные данные: морковка (есть или нет), заяц (есть или нет) и волк (есть или нет). Задача понять останется ли в живых морковка, если волк съедает зайца, заяц съедает морковку, но волк съедает зайца быстрее, чем тот съедает морковку. Первоначальное наличие морковки, зайца и волка можно закодировать в виде добавления (или не добавления) трех последовательностей ДНК в пробирку. А в пробирке у нас своеобразный «алгоритм» выраженный в виде смеси из других молекул ДНК. На выходе пробирка либо светится (морковка выжила) либо нет (морковку съели или ее не было изначально). Это и есть «решение» задачи.

Некоторые из простых «вычислительных систем» автор создает и тестирует экспериментально. Ничего невероятного или неожиданного во всем этом, на мой взгляд, нет, но штука интересная. Любопытно, что нигде в научной статье я не нашел утверждений, что существуют реальные биологические процессы основывающиеся на таком принципе, вопреки заявлениям некоторых СМИ.

На самом деле на похожем (хоть и не идентичном) конкурентном взаимодействии молекул основано очень много ранее изученных биологических процессов. Простейший пример – рибопереключатели (Riboswitch). Это структуры на молекулах РНК, которые могут регулировать, например, будет ли с этой РНК происходить синтез белка. Молекулы РНК обычно одноцепочечные и могут быть частично комплементарными самим себе, образуя сложные вторичные структуры: одни части РНК прилипают к другим ее частям по принципу комплементарности или частичной комплементарности с формированием шпилек.

Связывание с определенными лигандами может менять структуру таких РНК, приводить к появлению или исчезновению шпилек и, как следствие, работать сигналом включения или выключения синтеза белков. Сами лиганды могут при этом связываться с другими молекулами, которые будут мешать им связываться с нашей РНК в одних условиях, но не в других. Это тоже можно сравнить с логическими контурами, хотя такое описание будет не совсем точным.

В заключение я хочу сказать, что никаких представлений о работе ДНК статья не перевернула, ни в какую новую эры мы не вступили и мне непонятно почему столько шума вокруг этой истории. Мне также кажется, что похожие идеи мне уже попадались в других работах, где пытались создавать вычислительные системы на основе ДНК.

[1] Nikitin MP. Non-complementary strand commutation as a fundamental alternative for information processing by DNA and gene regulation. Nat Chem. 2023 Jan;15(1):70-82

Источник: vk.com

Комментарии: