Космос под ногами: спецпроект Naked Science о космонавтике и «трудной» нефти
Читать
  • Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
24 января
ФизТех
3
6 407

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
Позавчера, 17:40
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!

7 часов назад
Василий Парфенов

Печальная история туристической экспедиции под руководством Игоря Дятлова, во время которой 64 года назад погибли девять человек, по-прежнему окутана множеством загадок. Хотя вину за произошедшее следственные органы возлагают на стечение факторов и погодные условия как основную причину, сторонники альтернативных версий находят очередные доказательства свой правоты. Исследователи трагедии озвучили новые доводы в пользу ее техногенной природы.

Позавчера, 10:24
Сергей Васильев

Изучив образцы астероида Итокава, ученые выяснили, что он представляет собой рыхлую «кучу щебня», которая легко поглощает энергию ударного воздействия. В таком состоянии астероид сохраняется больше четырех миллиардов лет, что говорит об исключительной устойчивости подобных объектов.

Позавчера, 17:40
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!

21 января
Сергей Васильев

Грибница вешенок оказалась усеяна крошечными отростками, заполненными мощным нейротоксином, который почти мгновенно парализует мелких червей. Ученым удалось выяснить, из чего состоит и как действует этот смертельный яд.

24 января
Анна Новиковская

Согласно исследованию американских ученых, съесть одну форель, выловленную в реках и озерах США, эквивалентно месячному употреблению воды, загрязненной «вечными химикатами».

10 января
Алиса Гаджиева

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

5 января
Александра Медведева

Биологи показали, что нейронные сети гиппокампа, ответственные за пространственное восприятие, изменяются не линейным образом, а в соответствии с гиперболической геометрией. То есть мозг представляет пространство в форме расширяющихся песочных часов. Результаты исследования могут иметь значение для лучшего понимания различных нейродегенеративных расстройств.

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

3 Комментария

3 дня 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..
3 дня назад
-
0
+
А оно точно фундаментальное? А то всяких тонкостей в молекулярной биологии открыто уже миллион, а ждет открытия еще миллиард.
3 дня 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: