выполняющие функции ферментов и являющиеся источниками энергии для различных химических реакций.
Рассматривая химические реакции, происходящие в клетке, по модулю нуклеотидов и аминокислот, мы наблюдаем функционирование механического вычислительного устройства, осуществляющего считывание информации с молекулы ДНК, расшифровку этой информации и формирование результата в виде новых молекул (ДНК, РНК и белков), в виде нового взаимного расположения уже имеющихся молекул или в виде модификации формы молекул. В каждой живой клетке располагается миниатюрный механический вычислитель, способный решать сложнейшие задачи с высокой скоростью и высокой степенью надежности.
В последние десятилетия генетические последовательности были объектом весьма интенсивного изучения, стимулировавшегося преимущественно исследованиями вокруг проекта «Геном человека» (см., например, [1], [2]). На сегодняшний день уже известны полные генетические последовательности достаточно большого количества организмов (см., например, [3], [4]). Кроме того, хотя геном человека еще не полностью изучен, уже есть достаточно большой биологический материал для того, чтобы проводить сравнительные исследования. Это дает возможность для детального изучения генетических особенностей конкретных организмов и сравнительного анализа биологических последовательностей различных организмов (см., например, [5] – [7]). В частности, это дает возможность изучать связи структуры биологических последовательностей и их функций посредством построения моделей (см., например, [8] – [12]). Отметим, что некоторые биологические базы данных поддерживают автоматическое создание моделей (см., например, [12], [13]).
Существенные продвижения в области молекулярной биологии обеспечили достаточный фундамент для того, чтобы взглянуть на генетические последовательности не только как на объект изучения, но и как на материал для разработки различных устройств. Хотя на сегодняшний день молекулярная биология еще не достигла того уровня, который бы позволял полностью контролировать клетку и управлять ею, отдельные механические процессы уже достаточно хорошо изучены и могут быть использованы при разработке новых устройств. К числу таких процессов прежде всего относятся:
6
процесс образования слабых связей, основанный на принципе комплементарности Уотсона – Крика;
процессы рестрикции и гибридизации;
белковые механические процессы.
Процесс образования слабых связей, основанный на принципе
комплементарности Уотсона – Крика. В 1950 году Эрвин Кирхгоф обнаружил, что между нуклеотидами существует определенная зависимость. В частности, существует взаимнооднозначное соответствие между количеством вхождений в ДНК аденина и тимина, цитозина и гуанина. В 1951 году Морис Вилкинс и Розалинда Франклин,
изучая внешний вид ДНК, высказали предположение, что ДНК – это спиралевидная молекула. В 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик совместили эти два открытия,
что позволило им создать модель молекулы ДНК. Согласно модели Уотсона – Крика ДНК обычно образует спираль из двух нитей нуклеотидов. В каждой нити нуклеотиды соединены сильными связями. Нуклеотиды – как из одной нити, так и из разных – склонны также образовывать слабые связи. Нуклеотиды делятся на две группы:
пурины и пиримидины. Пурины – это аденин и гуанин, а пиримидины – это тимин и цитозин.
При этом A взаимодействует с T, а C – с G. Связь C – G сильнее, чем A – T.
Пары C – G и A – T называют комплементарными, а нуклеотиды входящие в них парными. Последовательность
Y[1] Y[2] … Y[n]
называется комплементарной последовательности
X[1] X[2] … X[n],
если для любого i из множества {1, 2, …, n} нуклеотиды X[i] и Y[i] образуют комплементарную пару. В модели Уотсона – Крика стандартный вид ДНК – это спираль из двух последовательностей комплементарных друг другу. Таким образом, в
модели Уотсона – Крика одна последовательность полностью определяется другой и их
7
взаимное расположение строго задано, т.е. без ограничения общности ДНК можно рассматривать просто как слово в четырехбуквенном алфавите. Однако строгое соответствие между последовательностями в молекуле ДНК является по большому счету лишь модельным допущением. В реальности молекулы ДНК весьма редко принимают именно такой вид. Однако они стремятся принять именно такой вид. В
качестве механизма, объясняющего это стремление, используется принцип минимизации свободной энергии. Согласно этому принципу каждый нуклеотид имеет три степени свободы. Две степени свободы предназначены для образования сильных связей, а третья – для связи. Если хотя бы одна степень свободы не участвует в связи,
то нуклеотид обладает свободной энергией. Свободная энергия необразованных сильных связей существенно больше свободной энергии комплементарных связей. Для последовательности с уже сформированными сильными связями общая свободная энергия является суммой свободных энергий отдельных некомплементарных участков.
Энергия некомплементарного участка определяется экспериментально (см., например,
[14] – [16]). Она зависит от типа некомплементарного участка, его размеров и от последовательности нуклеотидов, образующей некомплементарный участок.
Молекулы, обладающие ненулевой свободной энергией, стремятся к уменьшению этой энергии за счет образования новых комплементарных связей. Слабые связи нестабильны. Поэтому в процессе минимизации свободной энергии может произойти разрыв уже существующих слабых связей, если новая конфигурация слабых связей обеспечивает меньшую свободную энергию. Использование этого принципа позволяет перемещать цепочки нуклеотидов за счет их внутренней свободной энергии, не привлекая какую-либо внешнюю энергию.
В отличие от молекулы ДНК молекула РНК представляет собой одиночную последовательность нуклеотидов (A, U, C, G). Как и в молекуле ДНК, в молекуле РНК нуклеотиды склонны образовывать комплементарные пары. При этом формирование слабых связей подчиняется принципу минимизации свободной энергии.
Поскольку РНК представляет собой одинарную последовательность, а не двойную, в живых организмах явления, связанные с минимизацией энергии для РНК встречаются существенно чаще, чем для ДНК. Соответственно для молекул РНК существенно выше их биологическая роль. Поэтому они лучше изучены.
8
Взаимосвязь между структурами биополимеров и РНК, образованными сильными и слабыми связями, является одним из основных объектов изучения современной биохимии и молекулярной биологии (см., например, [17]). Трехмерная структура имеет принципиально важное значение для многих разновидностей РНК
(см., например, [18]). При этом задачи предсказания трехмерной структуры для РНК можно решать более точно, что позволяет строить высоко детализированные компьютерные модели для описания различных аспектов соотношения «структура сильных связей – структура комплементарных связей – функции» (см., например, [19]).
Исследование трехмерных структур РНК обычно строится на базе двумерных.
Отметим, что на сегодняшний день имеется несколько существенно различных моделей для вычисления свободной энергии (см., например, [20] – [23]).
Процессы рестрикции и гибридизации. У эукариот ген, который кодирует белок, обычно построен из чередующихся экзонов и интронов. Экзоны – это экспрессируемые последовательности в гене, т.е. последовательности, которые,
собственно, и кодируют белок. Интроны – это перемежающие последовательности, т.е.
последовательности, которые в коде белка не участвуют. Число экзонов (а,
следовательно, и интронов) обычно невелико. Количество генов существенно зависит от вида организмов (см., например, [24]). Считается, что все белки, расшифрованные к настоящему времени, составлены всего из нескольких тысяч экзонов (см., в частности,
[25] – [27]). Отправной точкой белкового синтеза является так называемый процесс рестрикции. Процесс рестрикции – это химическая реакция, в результате которой из молекулы ДНК вырезаются участки, кодирующие белок. Синтез белка, кодируемого геном, происходит по следующей (несколько упрощенной) схеме. Сначала на матрице ДНК гена транскрибируется молекула РНК. При этом соблюдается условие комплементарности. Образующаяся в результате транскрипции РНК покрывает весь ген. Затем в транскрипте находятся границы интронов и экзонов. В соответствии с этими границами соответствующая интронам часть РНК вырезается, а
соответствующие экзонам участки РНК гибридизируются (соединяются вместе) (см.
[28]). Получающаяся молекула РНК называется матричной РНК и обозначается mРНК. mРНК покидает ядро клетки и используется для синтеза закодированного в ней белка.
9
Каждая клетка, как правило, содержит копию всех хромосом и, следовательно,
всех генов целого организма, хотя в клетке экспрессируется только малая часть генов.
Это значит, что только малая доля белков, закодированных в геноме, на самом деле производится в каждой конкретной клетке. Выполнимость такого ограничения обусловлена тем, что для успешной рестрикции и последующей гибридизации необходимы ферменты и вспомогательные молекулы РНК. Для различных реакций рестрикции и гибридизации требуются разные ферменты и вспомогательные молекулы РНК. Наличие или отсутствие соответствующих молекул в клетке определяет то, какие именно реакции происходят. Таким образом, управление рестрикцией и гибридизацией осуществляется локально. Это позволяет, регулируя в клетке количество вспомогательных молекул, управлять данными реакциями из вне и добиваться того,
чтобы происходили только нужные нам реакции.
Белковые механические процессы. Исследования белков позволили выявить ряд интересных механических процессов, возникающих при взаимодействии белковых структур. В частности, для осуществления некоторых белковых процессов используются белковые моторы. Один из таких примеров доставляет синтез ATP.
Синтез ATP осуществляется при помощи фермента ATP Synthase. Установлено, что фермент ATP Synthase представляет собой механическое устройство, образованное двумя совместно работающими моторами (см. [29] – [32]). Соответственно синтез ATP
осуществляется при помощи механической энергии, сообщаемой роторным мотором фермента ATP Synthase [33].
Кроме роторных моторов фермента ATP Synthase, обнаружены также белковые моторы, обеспечивающие прямолинейное движение. Эти моторы используются для доставки грузов, необходимых для функционирования белков [34]. На сегодняшний день известно несколько сотен таких моторов, встречающихся в различных семействах белков [35]. Эти моторы расположены в различных частях клетки и существенно отличаются по своим функциям [36]. Некоторые из этих моторов осуществляют сложные действия, состоящие из нескольких сотен шагов, а некоторые предназначены для выполнения одиночных действий [37] – [39]. Белковые моторы существенно различаются не только по своим действиям, но и по массе [40]. В настоящее время активно изучаются белковые моторы линейного движения, относящиеся к трем
10