• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
24 января
ФизТех
4
8 588

Открыт новый фундаментальный механизм хранения информации в ДНК

5.5

Исследователь из России открыл механизм «молекулярной коммутации» ДНК, который меняет наше представление об одной из главных парадигм биологии. Более 70 лет считалось, что ДНК хранит и обрабатывает информацию за счет структуры двойной спирали – однозначно соответствующих друг другу (комплементарных) молекулярных цепей. Руководитель направления «Нанобиомедицина» Университета «Сириус», заведующий лабораторией МФТИ Максим Никитин экспериментально доказал, что для эффективной обработки генетической информации ДНК совершенно не обязательно образовывать двойную спираль. ДНК может хранить и передавать информацию за счет слабоаффинных взаимодействий, реализующийся в том случае, когда молекулы имеют низкое сродство друг к другу. Более того, он показал, что короткая ДНК, даже максимально некомплементарная гену, может регулировать его работу.

Открыт новый фундаментальный механизм хранения информации в ДНК /©Getty images

Результаты исследования опубликованы в одном из самых авторитетных научных журналов Nature Chemistry. Открытый фундаментальный феномен может быть ключом к познанию природы самых разнообразных процессов: от неразгаданных тайн генетики, сложных заболеваний, мгновенной памяти и старения до вопросов возникновения жизни на Земле и ее эволюции. Кроме этого, позволит качественно улучшить специфичность генной терапии и безопасность ДНК/РНК вакцин за счет выявления и снижения побочных реакций на препараты во время лечения.

На протяжении последних 70 лет представление биологов о хранении и передаче информации базировалось на гениальном открытии структуры ДНК Уотсоном и Криком: «молекула ДНК имеет две спирально закрученные цепи, которые связаны парами оснований аденин — тимин или гуанин — цитозин». Сформулированный закон «комплементарности» о строгой специфичности пар азотистых оснований (“кирпичиков” структуры ДНК) при формировании «двойной спирали» стал фундаментальным принципом в основе механизмов передачи информации в ДНК и процессов управления работой генов. Элегантная модель двойной спирали прекрасно показывала возможность восстановления одной цепи за счет другой и объясняла молекулярную сущность процессов передачи наследственной информации. Эта красота и понятность выстроенной в середине ХХ века модели долгое время закрывала ученым глаза на существование иных взаимодействий, существующих в живых объектах.

Руководитель направления «Нанобиомедицина» Университета «Сириус», заведующий лабораторией МФТИ Максим Никитин в своей статье, опубликованной в журнале Nature Chemistry, представил экспериментальные доказательства того, что ДНК вполне способна эффективно хранить и передавать информацию и без комплементарности цепей знаменитой двойной спирали. Единственный автор статьи (что крайне редко встречается в столь авторитетных журналах), Никитин открыл природное явление, названое им «молекулярной коммутацией». Молекулярная коммутация заключается в переносе информации при взаимодействии относительно коротких одноцепочечных молекул ДНК/РНК (олигонуклеотидов) или других молекул.

Максим Никитин заметил, что в смеси, состоящей из коротких одноцепочечных и некомплементарных друг другу олигонуклеотидов, одновременно будут сосуществовать самые различные их комплексы. Варианты этих взаимодействий определяются «сродством» молекул и в общем случае описываются открытым еще в XIX веке законом действующих масс о зависимости скорости реакции от концентрации участвующих веществ. При этом такие комплексы будут связаны друг с другом и будут передавать информацию между собой, даже если какие-то два олигонуклеотида не связываются друг с другом напрямую.

Например, в самой простой системе из трех олигонуклеотидов Х, А и В: если А и В не взаимодействуют друг с другом, они все равно могут передать друг другу информацию через посредника – «коммутатор» Х. При этом каждому из них достаточно взаимодействовать с Х очень слабо: увеличение концентрации А приведет к росту количества комплексов ХА, что снизит число комплексов ХВ, хотя А никак не взаимодействовало с В напрямую. Если же в системе находится большее количество олигонуклеотидов, то можно добиться передачи значительного объема информации.

«Я обратил внимание на необычное свойство ДНК, которое ровно 70 лет оставалось незамеченным – в тени красоты двойной спирали. А именно на то, что для любой одноцепочечной ДНК (оцДНК) существует великое множество других оцДНК с практически любой наперед заданной аффинностью – свойство, которое я назвал «континуумом аффинностей ДНК», – делится Максим Никитин. – «Например, возьмем олигонуклеотид из 10 оснований. Тогда полностью комплементарный ему олигонуклеотид, будет иметь максимальную силу сродства – аффинность. Если же начать постепенно заменять во втором олигонуклеотиде азотистые основания на произвольные, то их аффинность первому будет падать. При этом, перебирая все варианты оцДНК из 10 букв, для каждой аффинности мы получим множество вариантов, то есть плотный «континуум аффинностей».

Руководитель направления «Нанобиомедицина» Университета «Сириус», заведующий лабораторией МФТИ Максим Никитин / ©Пресс-служба МФТИ

Для того, чтобы доказать, что ДНК может образовывать наборы молекул с практически любыми наперед заданными взаимными аффинностями, в своей статье Максим Никитин показывает экспериментальную реализацию большого разнообразия систем, которые по-разному обрабатывают информацию, начиная с систем, включающих всего три суперкоротких олигонуклеотида длиной в семь азотистых оснований, до ячеек памяти, систем вычисления квадратного корня и др. При этом компьютерное моделирование явления коммутации продемонстрировало устойчивую обработку информации и системой, состоящей из 1000 олигонуклеотидов. Это позволяет создать 572-битную ячейку обработки информации, что превосходит битность всех существующих электронных компьютеров. Примечательно, что предложенная Никитиным модель концептуально вообще не имеет ограничения по числу взаимодействующих таким образом олигонуклеотидов.

Кроме того, открытое Никитиным явление позволило ему экспериментально показать и другой удивительный, не укладывающийся в современную парадигму молекулярной биологии факт: любая неструктурированная одноцепочечная ДНК может специфично регулировать экспрессию заданного гена безотносительно их взаимной комплементарности. Все зависит от наличия в среде или организме других олигонуклеотидов (также некомплементарных).

Более того, автор показал, что молекулярная коммутация дает возможность лучше управлять экспрессией генов. Если в рамках стандартной парадигмы комплементарный механизм регуляции допускает приблизительно 1012 вариантов регулирования генов (в таком случае существует всего 420=1012 разных 20-нуклеотидных олигонуклеотидов), то Никитин показал, что используя те же 20-нуклеотидные последовательности, можно реализовать не менее 10172 вариаций регуляции работы гена. Это число значительно превосходит количество элементарных частиц во Вселенной, которых «всего» 1080!

Открытый фундаментальный феномен коммутации цепей ДНК имеет важное практическое значение. Анализ возможных слабоаффинных взаимодействий с точки зрения молекулярной коммутации может улучшить специфичность генной терапии и безопасность ДНК/РНК вакцин за счет выявления и снижения побочных (нецелевых) действий вводимых препаратов. Для этого требуется создание программного обеспечения нового поколения, более точно предсказывающего слабоаффинное взаимодействие нуклеиновых кислот, а также анализирующего их вовлечение в различные естественные процессы, принимая во внимание механизм молекулярной коммутации. В конечном итоге все это поможет минимизировать риски негативных последствий нецелевого редактирования генома пациента и снизить число нежелательных явлений в процессе лечения.

Необходимо отметить, что в молекулярной коммутации могут участвовать не только нуклеиновые кислоты. Белки и малые молекулы также могут взаимодействовать по этому принципу, просто предсказать их взаимные аффинности в настоящее время, к сожалению, все еще очень сложно. Но уже сейчас понятно, что продемонстрированное явление коммутации, будучи фундаментальным и естественным механизмом взаимодействия молекул друг с другом, может быть ключом к познанию природы самых разнообразных процессов: от неразгаданных тайн генетики, сложных заболеваний, мгновенной памяти и старения до вопросов возникновения жизни на Земле и её эволюции. Все это открывает обширное поле для междисциплинарного сотрудничества ученых из совершенно различных областей знания. 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
Сегодня, 07:07
Мария Азарова

Согласно выводам авторов нового исследования, прием витамина D коррелирует с более низкой вероятностью того, что взрослый мужчина предпримет попытку суицида или членовредительства.

Сегодня, 10:33
Сергей Васильев

Эксперименты показали, что инъекции кисспептина могут возвращать сексуальный интерес и тягу к противоположному полу. Метод успешно работает и на мужчинах, и на женщинах, хотя нуждается в дополнительных испытаниях.

4 февраля
Анна Новиковская

В черных дырах заключено множество тайн, и теперь астрономам удалось раскрыть одну из них: почему раскаленные диски вокруг них иногда мерцают.

2 февраля
НИУ ВШЭ

Изучая потребление алкоголя, экономисты и социологи обычно связывают его с условиями жизни людей и их человеческим капиталом: образованием, опытом работы, знаниями. Ученые из Лаборатории исследований рынка труда и Лаборатории экономико-социологических исследований НИУ ВШЭ обратили внимание на некогнитивные навыки, формирующиеся в детстве и подростковом возрасте, и выяснили, что эти качества во многом определяют вероятность злоупотребления спиртным и сокращают степень влияния образования.

31 января
ФизТех

Ученым из МФТИ и ОИВТ РАН удалось построить теоретическую модель для описания процесса роста оксидной пленки на поверхности стали в контакте с тяжелым жидкометаллическим расплавом свинец-висмут — теплоносителем, который может использоваться в реакторах нового поколения на быстрых нейтронах. Оксидная пленка — результат коррозии, но ее образование защищает от очень быстрой (жидкометаллической и межкристаллитной) коррозии. Понимание процесса коррозии стали в контакте с теплоносителем необходимо для обоснования безопасности эксплуатации подобных реакторов.

3 февраля
Василий Парфенов

«Недостаточно комковатая» — так описал обнаруженную аномалию один из авторов нового исследования. В нем на основе наблюдений сразу двух обсерваторий, работающих с разными диапазонами излучений, удалось создать карту распределения материи во Вселенной с беспрецедентной точностью. Благодаря этому выяснилось, что стандартная модель — главная современная теория мироустройства, описывающая все частицы, поля и взаимодействия, кроме гравитации — имеет все шансы быть неполной.

10 января
Алиса Гаджиева

Исследователи, изучающие систему обороны Великой стены, обнаружили следы более 130 секретных сквозных проходов и полагают, что это только начало.

25 января
Василий Парфенов

Пока фанаты SpaceX увлеченно следят за достижениями компании, астрономы грустно наблюдают, как их работа становится сложнее с каждым запуском спутников Starlink. Прогресс не проходит без жертв. Поэтому различные научные ассоциации ищут способы снизить негативное влияние множества новых рукотворных объектов в околоземном пространстве на качество данных, получаемых телескопами. Некоторые решения со стороны выглядят экстремальными — например, теперь лазеры для корректировки адаптивной оптики можно не выключать, если в поле зрения есть спутник Starlink. А это десятки ватт излучения!

9 января
Александр Березин

Избыточный вес убивает куда больше людей, чем войны с голодом вместе. До самых недавних пор это объясняли то «мусорным» фастудным питанием, то недостаточными физическими нагрузками. Научные работы показывают: эти гипотезы были неверны. За последние полвека сильно потолстели даже лабораторные животные, корм и нагрузки которых не менялись. Эпидемия лишнего веса действительно убийственна, но ее причина не в калориях или нехватке нагрузки. А в чем же? Naked Science исследует для вас этот вопрос.

[miniorange_social_login]

Комментарии

4 Комментария

1 неделя назад
-
0
+
Ну вот.. не ожидала от Московского Комсомольца, но именно эта газета озаботилась беседой лично с автором данного открытия.. к сожалению, прокомментировать статью на сайте МК невозможно.. а здесь тема уже развита, теперь я ознакомилась с ней на более доступном языке.. поэтому внесу свои пять копеек. ... ".. это некая хаотическая сущность, которая мешает выстраиванию прочной генетической системы.." - на мой взгляд, "хаотическая сущность, которая мешает выстраиванию.." может оказаться нашей повседневностью. Начинается день, и мы не знаем, чего от него ждать.. события могут отсутствовать, а могут мчаться галопом.. .. и здесь надо понимать, что.. чтобы передавать потомкам генетическую информацию, её надо сначала накапливать.. Если наука вдруг думает, что эоны лет назад появилось первое человеческое существо.. у него образовалась своя ДНК, с особенными отличиями, рознящими человека с другими животными.. и с тех пор эта информация передаётся, и передаётся, и передаётся.. и за эоны лет ничего не меняется.. То надо менять эту кочку зрения. Думается, геном каждого человека за одну(!) жизнь претерпевает изменения и дополнения.. полнится новой важной информацией, которую необходимо передать по линии своей крови.. и частично приглушает те участки, которые оказались помехой в жизни особи.. Вот эта повседневность - она действительно хаотична для ДНК.. по сути, каждый новый день - непознанное будущее.. которое фиксируется, сортируется.. из которого вычленяется важное и сохраняется в ДНК.. .. хм.. подумалось вдруг.. ДНК должна пополняться в течение всей жизни.. даже после окончания репродуктивного возраста.. И важно, что после 50-ти лет человек получает пожалуй самый ценный опыт.. а передать его потомкам через ДНК уже не может. Интересно.. если работать с ДНК, то почему бы не попробовать сделать.. скажем так.. ДНК-пересадку.. подобно тому, как пересаживают сердце или печень.. Передадутся ли важные ДНК-сведения от умудрённого жизнью человека к более молодому?.. понимаю, что здесь столько подводных камней, что и думать страшно.. но тем не менее.. Вот бы жизненный опыт Владимира Владимировича Путина передать кому-либо помоложе.. жаль, что я не генетик.. поработала бы в этом направлении. Возможно, Максим подумает над данным вопросом.. и получит результаты, которые продвинут его исследования вперёд. Успехов..
2 недели назад
-
1
+
Поздравляю Максима с данным открытием.. .. но.. во-первых, все статьи по данному открытию написаны слишком сложно.. даже не столь сложно, сколь изворотливо.. вроде, посвящённые в тему и так всё поймут, а непосвящённым и понимать не надо.. жаль, что никто из комментаторов данного открытия не потрудился "перевести" текст из научного журнала в более доступный стиль изложения.. можно было бы реально понять, имеет ли смысл копать в этом направлении глубже.. .. во-вторых.. на мой взгляд, это замаскированное малопонятным языком открытие можно считать одним из первых, которые ещё предстоят в области, касаемой ДНК, двойных спиралей, одиночных цепочек.. и науки генетики в целом.. поэтому копать глубже и шире - всё таки необходимо.. успокаиваться на данном открытии, принимая его за финал генетики - абсолютно противопоказано! .. в-третьих.. а где параллельные исследования о роли мозга в генетике? наш мозг - не приложение к ДНК или оцДНК.. мозг - это штаб, который управляет активацией необходимых в данный момент участков ДНК, реакцией участков ДНК на события, которые происходят с нами в конкретный момент.. именно мозг задаёт режим экспрессии для конкретных молекул, обеспечивая их активность как ответную/предваряющую реакцию на - скажем так - внешние условия.. здесь разбираться и разбираться в механизмах, постоянно держа в уме важность нейронов мозга и важность клеток тела, их взаимосвязанность и взаимозависимость.. их параллельно-последовательную работу с ДНК хозяина.. .... .. всё-таки надеюсь, в ближайшем будущем об этом открытии будет рассказано более доступным стилем. Возможно, сам автор потрудится это сделать.. ну и успехов ему на этом пути, на который он рискнул встать..
2 недели назад
-
0
+
А оно точно фундаментальное? А то всяких тонкостей в молекулярной биологии открыто уже миллион, а ждет открытия еще миллиард.
2 недели назад
-
2
+
Наверное, все-таки следует вставить знак степени? Например так: "...можно реализовать не менее 10^172 вариаций регуляции работы гена. Это число значительно превосходит количество элементарных частиц во Вселенной, которых «всего» 10^80" (кстати, говорят, вместе с фотонами и нейтрино их еще на 7 порядков больше). Но касаемо самой заметки -- она чрезвычайно интересна даже для профана в биологии. Есть надежда, что парень в обозримом будущем получит Нобелевскую премию! Правда, сейчас ушлые биологи от медицины бросятся разрабатывать практические применения открытой закономерности, чтобы сесть М. Никитину на хвост и тоже урвать кусочек славы первооткрывателя и премии...
Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: