Источник: Фотоархив издательства «КоммерсантЪ»

Заведующий кафедрой нанобиомедицины Университета «Сириус» и заведующий лабораторией МФТИ Максим Никитин экспериментально показал, что для эффективной обработки генетической информации ДНК не нужно образовывать двойную спираль. ДНК может хранить и передавать информацию посредством взаимодействий со слабым сродством, которые возникают, когда молекулы имеют низкое «сродство» друг к другу. Кроме того, он показал, что короткая ДНК, даже самая некомплементарная гену, может регулировать его работу. Результаты исследования опубликованы в одном из самых авторитетных научных журналов Nature Chemistry.

Обнаруженный фундаментальный феномен может стать ключом к пониманию природы самых разнообразных процессов: от неразгаданных тайн генетики, сложных болезней, непосредственной памяти и старения до вопросов происхождения жизни на Земле и ее эволюции.

Кроме того, он качественно повышает специфичность генной терапии и безопасность ДНК/РНК-вакцин за счет выявления и снижения побочных реакций на лекарства во время лечения.

В последние 70 лет представление биологов о хранении и передаче информации основывалось на гениальном открытии структуры ДНК Д. Уотсоном и Ф. Криком: «Молекула ДНК имеет две нити, закрученные в спираль которые связаны парами оснований аденин-тимин или гуанин-цитозин». Сформулированный закон «комплементарности» о строгой специфичности пар азотистых оснований («кирпичиков» структуры ДНК) при образовании двойной спирали стал основополагающим принципом в основе механизмов передачи информации в ДНК. и процессы управления работой генов. Изящная модель двойной спирали прекрасно продемонстрировала возможность восстановления одной цепи за счет другой и объяснила молекулярную сущность процессов передачи наследственной информации. Эта красота и наглядность модели, построенной в середине 20 века, закрыли глаза ученых на существование других взаимодействий, давно существующих в живых объектах.

Максим Никитин, заведующий кафедрой нанобиомедицины Университета «Сириус», заведующий лабораторией МФТИ, представил экспериментальные доказательства того, что ДНК вполне способна эффективно хранить и передавать информацию даже без комплементарности цепочек знаменитой двойной спирали.

ЧИТАТЬ  Волонтер «Хорошо. Центры будут оснащены умными колонками от ВК

Единственный автор статьи (что очень редко встречается в столь авторитетных журналах) Никитин открыл природное явление, которое он назвал молекулярной мутацией.

Он заключается в передаче информации при взаимодействии относительно коротких одноцепочечных молекул ДНК/РНК (олигонуклеотидов) или других молекул.

Максим Никитин заметил, что в смеси, состоящей из коротких одноцепочечных олигонуклеотидов, не комплементарных друг другу, одновременно сосуществуют их самые разнообразные комплексы. Варианты этих взаимодействий определяются «сродством» молекул и в общем описываются открытым в 19 в. законом действующих масс о зависимости скорости реакции от концентрации участвующих веществ.

Такие комплексы будут связаны друг с другом и передавать информацию между собой, даже если какие-то два олигонуклеотида не связываются напрямую.

Например, в простейшей системе из трех олигонуклеотидов — X, A и B: если A и B не взаимодействуют друг с другом, они все равно могут передавать друг другу информацию через посредника — «переключатель» X. В этом случае каждый из них достаточно для взаимодействия с Х очень слабо: увеличение концентрации А приводит к увеличению количества комплексов ХА, что приведет к уменьшению количества комплексов ХВ, даже если А не взаимодействует с В непосредственно в Любые. способ Если система содержит большее количество олигонуклеотидов, то может передаваться значительный объем информации.

«Я обратил внимание на необычное свойство ДНК, которое вот уже ровно 70 лет остается незамеченным, в тени красоты двойной спирали. А именно на то, что для каждой одноцепочечной ДНК (оцДНК) существует большое разнообразие других оцДНК практически с любой заданной аффинностью — свойство, которое я называю континуумом аффинности ДНК, — делится мыслями заведующий кафедрой Университета Сириус Максим Никитин. максимальная сила сродства – сродство.Если же мы начнем постепенно заменять азотистые основания во втором олигонуклеотиде на произвольные, то его сродство к первому будет уменьшаться.Переходя все и десятибуквенные варианты оцДНК, для каждого сродства имеем набор вариантов, то есть плотный «континуум сродства».

ЧИТАТЬ  С 1 февраля изменится размер пособия: Кто получит прибавку и в каком размере

Чтобы показать, что ДНК может образовывать наборы молекул практически с любым заранее заданным взаимным сродством, в своей статье Максим Никитин показывает экспериментальную реализацию самых разнообразных систем, которые по-разному обрабатывают информацию, начиная с систем, включающих всего три суперкоротких олигонуклеотида семь. по длине азотистых оснований, к ячейкам памяти, системам вычисления квадратного корня и т. д. В то же время компьютерное моделирование явления переключения показало стабильное преобразование информации из системы, состоящей из 1000 олигонуклеотидов. Это позволяет создать 572-битную ячейку обработки информации, что превышает разрядность всех существующих электронно-вычислительных машин.

Стоит отметить, что предложенная Никитиным модель концептуально не имеет ограничения на количество взаимодействующих таким образом олигонуклеотидов.

Кроме того, обнаруженный Никитиным феномен позволил испытать еще один удивительный факт, не укладывающийся в современную парадигму молекулярной биологии: любая неструктурированная монофиламентная ДНК может специфически регулировать экспрессию данного гена независимо от его взаимной комплементарности. Все зависит от наличия в среде или организме других олигонуклеотидов (даже некомплементарных).

Кроме того, автор показал, что молекулярные изменения позволяют лучше контролировать экспрессию генов. Если в рамках стандартной парадигмы механизм комплементарной регуляции допускает около 10^12 вариантов регуляции генов (в этом случае имеется всего 4^20 = 10^12 различных 20-нуклеотидных олигонуклеотидов), то Никитин показал, что используя одну и ту же последовательность из 20 нуклеотидов, можно реализовать не менее 10^172 вариаций регуляции генов.

Это число намного превышает количество элементарных частиц во Вселенной, которых «всего» 10^80!

Обнаруженное фундаментальное явление изменения цепи ДНК имеет большое практическое значение. Анализ возможных слабоаффинных взаимодействий с точки зрения молекулярных изменений может повысить специфичность генной терапии и безопасность ДНК/РНК-вакцин за счет выявления и уменьшения побочных эффектов (нецелевых) вводимых препаратов. Это требует создания программного обеспечения нового поколения, более точно предсказывающего слабоаффинное взаимодействие нуклеиновых кислот, а также анализирующего их участие в различных природных процессах с учетом механизма молекулярного изменения.

ЧИТАТЬ  Минюст РФ включает лидера Little Big Прусикина и поэтессу Серенко в реестр иностранных агентов.

В конечном итоге все это поможет минимизировать риски негативных последствий неадекватного редактирования генома пациента и снизить количество нежелательных явлений в процессе лечения.

Следует отметить, что в молекулярном изменении могут участвовать не только нуклеиновые кислоты. Белки и малые молекулы также способны взаимодействовать по этому принципу, но предсказать их взаимное сродство в настоящее время пока очень сложно.

Но уже сейчас ясно, что продемонстрированный феномен изменения, являясь фундаментальным и естественным механизмом взаимодействия молекул друг с другом, может быть ключом к пониманию природы самых разнообразных процессов: от неразгаданных тайн генетики, сложный. болезней, мгновенной памяти и старения к вопросам происхождения жизни на Земле и ее эволюции. Все это открывает огромное поле для междисциплинарного сотрудничества ученых из совершенно разных областей знаний.

Source

от admin