Коммутация без двойной спирали

В России было совершено сенсационное открытие мирового уровня. Руководитель направления «Нанобиомедицина» Университета «Сириус», заведующий лабораторией МФТИ Максим Никитин представил результаты исследования, полностью меняющие существующие взгляды на механизмы хранения ДНК. Подробности работы были опубликованы в крупном научном журнале Nature Chemistry.

Как известно, именно в ДНК зашифрована информация о строении всех живых организмов. Но этот уникальный код может содержать еще и сведения о состоянии здоровья, в том числе болезнях, которые могут развиться у человека в течение жизни, и предположительно даже о нашем характере, психологических качествах и склонности к тем или иным видам деятельности.

Более 70 лет считалось, что хранение и обработка информации в ДНК происходят за счет структуры двойной спирали, состоящей из соответствующих друг другу молекулярных цепочек, открытой в свое время Уотсоном и Криком. Двойная спираль ДНК может существовать благодаря тому, что обе ее «половинки» притягиваются друг к другу посредством водородных связей. Последние, в свою очередь, возникают как притяжение между частично положительно и отрицательно заряженными атомами, к примеру атомами кислорода и водорода или кислорода и азота. Так, строение молекул воды – яркий пример водородных связей. В молекуле ДНК такие связи существуют между двумя ее главными фрагментами – азотистыми основаниями. В условных «буквах» А и Т присутствуют две такие связи, в Ц и Г – три. Эта модель до недавнего времени наглядно демонстрировала возможность восстановления одной цепочки за счет другой и легко объясняла механизмы передачи наследственной информации. При этом специалисты не обращали внимания на другие виды взаимодействий в молекуле ДНК.

Однако Никитин и его коллеги смогли экспериментально доказать, что для эффективности этих процессов образование двойной спирали совершенно необязательно. Хранение и передача информации происходят за счет слабоаффинных взаимодействий. Речь идет об аффинной хроматографии – методе отделения биомолекулы от смеси, основанном на высокоспецифичном макромолекулярном связывающем взаимодействии между биомолекулой и другим веществом. Этот механизм реализуется в тех случаях, когда молекулы имеют низкое сродство друг к другу. Также оказалось, что короткая ДНК, даже максимально некомплементарная гену (комплементарность – это взаимное соответствие), может регулировать его работу.

Если говорить проще, Никитин заметил, что в смеси, состоящей из коротких одноцепочечных и некомплементарных друг другу олигонуклеотидов, будут одновременно сосуществовать их самые различные комбинации. Это явление ученый назвал молекулярной коммутацией. Варианты этих взаимодействий, например, скорость реакции между ними, зависят от сродства молекул. Но в любом случае информация будет передаваться, даже если какие-то из пар олигонуклеотидов не связываются друг с другом напрямую. Тогда они будут передавать информацию через молекулу-посредника. То есть если молекулы А и B не слишком подходят друг другу, то они могут взаимодействовать между собой через третью молекулу С, одинаково успешно взаимодействующую и с молекулой А, и с молекулой B.

В своей статье, опубликованной в журнале, Никитин показывает, как реализуются эти механизмы в системах, по-разному обрабатывающих информацию, начиная с состоящих из всего трех суперкоротких олигонуклеотидов длиной в семь азотистых оснований, до ячеек памяти, систем вычисления квадратного корня и проч.

При компьютерном моделировании видно, что устойчивая обработка информации проводится системой, состоящей из 1000 олигонуклеотидов. В результате создается 572‑битная ячейка для обработки информации, что превосходит по битности все существующие на сегодняшний день электронные компьютеры. Между тем модель, предложенная Никитиным, теоретически вообще не ограничена по количеству взаимодействующих таким образом олигонуклеотидов.

Молекулярная коммутация дает возможность более эффективно управлять экспрессией генов. Но почему открытие имеет такое важное значение? Эксперты считают, что анализ возможных слабоаффинных взаимодействий нуклеиновых кислот может повысить эффективность генной терапии, а также безопасность ДНК/РНК-вакцин за счет выявления и снижения побочного (нецелевого) воздействия препаратов, вводимых пациентам. Правда, для этого требуется создать принципиально новое программное обеспечение, которое позволит получать более точные данные о взаимодействии молекул и их участии в различных естественных процессах. Предполагается, что в общем и целом такой подход поможет снизить риски, связанные с нецелевым редактированием генома пациента, и минимизировать число нежелательных эффектов, которые могут возникнуть при лечении.

Еще один немаловажный факт – в процессах молекулярной коммутации теоретически могут участвовать не только нуклеиновые кислоты, но также малые молекулы и белки, однако особенности их взаимодействия спрогнозировать пока крайне сложно.

Тем не менее исследователи, ознакомившиеся с открытием, уверены, что если феномен молекулярной коммутации является фундаментальным и естественным механизмом взаимодействия между молекулами, то он может объяснить природу самых разнообразных процессов – от существующих загадок генетики, включая сложные наследственные заболевания и процессы старения, до проблем, связанных с появлением и эволюцией жизни на Земле. Кроме того, генетикой все не ограничивается. Исследования Никитина открывают обширное поле для междисциплинарного сотрудничества специалистов из совершенно различных сфер знания.

Ирина ШЛИОНСКАЯ