Биология

Биология занимается изучением самых простых форм жизни и процессов, обеспечивающих их жизнедеятельность. До недавнего времени крупнейшей нерешенной задачей биологии оставалось прочтение молекулярного чертежа, генома, отдельных форм жизни. Теперь после расшифровки генома человека и иных форм жизни, задача такова: выяснить, как белковые молекулы, которые собраны в соответствии с содержащимися в геномах указаниями, участвуют в устроении и жизнедеятельности организмов? Как эти белковые молекулы обеспечивают невероятно сложное молекулярное взаимодействие, именуемое жизнью.

Согласно основам молекулярной биологии, сообщение от ДНК переписывается (транскрибируется) в виде РНК, которая затем передает (транслирует) сообщение белкам, длинным цепочкам полимеров с различными боковыми группами, протянувшимися вереницей вдоль повторяющегося остова. Эта белки, в свою очередь, обеспечивают налаженную работу клетки.

В 1960-е годы французские ученые Жак Моно, Франсуа Жакоб и Андре Львов изучали метаболическое разложение молекулы сахара. В поле их зрения была крошечная бактерия, кишечная палочка. Обходясь простым (единичным) сахаром, глюкозой и несколькими неорганическими ионами, молекулярный механизм этого выносливого организма способен синтезировать любую органическую молекулу, необходимую для метаболизма, роста, восприятия и воспроизводства. Благодаря своей приспособляемости это крошечное существо выращивается в богатой глюкозой среде в биологических лабораториях по всему миру. Молекулярная подвижность кишечной палочки зависит от оперонов – генетических единиц, расположенных на молекуле ДНК, хромосоме, и состоящих из кластера генов с соответствующими функциями. Одни из оперонов называется lac-опероном ввиду ключевой роли в метаболизме молочного сахара (лактозы), lac-оперон содержит три гена, отвечающих за выработку трех белков, импортирующих лактозу в клетку и расщепляющих ее на глюкозу и другой сахар, галактозу. Присутствие лактозы в клетке служит пусковым механизмом, приводящим в действие транскрипцию РНК, которая производит эти три белковых фермента. Конечно, все обстоит гораздо сложнее. Сигнал к производству различных белковых ферментов задается одновременно наличием лактозы и отсутствием глюкозы. Механизм таков.

ДНК представляется в виде обособленной молекулы, надежно защищенной, благодаря своему крепкому сложению, хранящей жизненно важную для клетки информация. Но это далеко не так. В действительности ДНК постоянно прощупывают, крутят, тормошат, раскрывают различные белковые ферменты. Такая деятельность заставляет эту информационную магистраль работать с большим напряжением. Дело в том, что двойная спираль имеет бороздки, а все нуклеиновые основания обладают только им присущим распределением электрического заряда. Некоторые белки имеют размер и очертание, приходящиеся в пору этим бороздкам, а благодаря распределению электрического заряда у белков и ДНК они могут плотно прилегать друг к другу.

Однако притяжение не столь сильно, как ковалентные связи внутри каждой молекулы. Такое вкладывание одной молекулы в другую называют связыванием. В зависимости от формы и распределения заряда, белки присоединяются в соответствующих местах вдоль ДНК. Ввиду теплового движения молекул белки постоянно связываются и отделяются.

Соответствие сложных молекулярных очертаний часто представляется в виде ключа и замка. Лишь немногие очертания в достаточной степени отвечают друг другу для соединения молекул. Белки тоже могут связываться с другими белками, образуя новую единицу под названием комплекс.

Обычно комплекс приобретают иные по сравнению с исходной молекулой очертания и распределение заряда. Такую перемену, играющую главную роль в сборке белка, поскольку меняются ключи замки, именуют конформационным изменением.

РНК собирается с помощью белкового фермента (полимеразы), который прикрепляется к связывающей стороне ДНК, распускает двойную спираль посередине подобно змейке и переписывает (транскрибирует) порядок парных оснований ДНК на молекулу РНК. Затем РНК покидает ДНК и переносит (транслирует) порядок парных нуклеотидных оснований, собирая белок на молекулярном устройстве под названием рибосома. Рибосома – небольшое внутриклеточное образование неправильной формы, составленное из двух неравных «половинок». Она выполняет очень важную функцию: «читает» мРНК-сообщения, а затем по этим «сообщениям» синтезирует белковые молекулы. Такой процесс называется трансляцией. Задача, стоящая перед рибосомой, очень сложная. Ведь белки состоят не из нуклеотидов, а из принципиально других строительных блоков – аминокислот. Причем нуклеотидов всего 4, а аминокислот – 20.

Как же информация, содержащаяся в 4 нуклеотидах, превращается в аминокислотный код? Дело в том, что каждая аминокислота зашифрована тремя «буквами» - нуклеотидами. Из 4 букв нуклеотидного алфавита можно составить 64 трехбуквенные «слова» - кодона, каждому из них соответствует своя аминокислота. Поскольку кодонов больше, чем аминокислот, некоторые аминокислоты кодируются несколькими кодонами. За расшифровку генетического кода Маршаллу Ниренбергу, Гобинду Коране и Роберту Холли была присуждена Нобелевская премия по медицине 1968 года. Дальнейшие исследования показали, что в рибосоме не только структурную, но и все другие основные функции выполняет РНК, что доказывает – рибосома пришла к нам из добелкового, так называемого РНК-мира, рибосома и стала на определенном этапе машиной по производству белков. За это открытие лауреатами Нобелевской премии по химии за 2009 год стали Том Стайц (США), Венкатраман Рамакришнан (Англия) и Ада Йонат (Израиль).

Итак, каждая группа из трех нуклеотидных оснований, именуемая кодоном, определяет, какую аминокислоту добавить к белку. Полимераза РНК связывается с ДНК лишь в тех местах, где приходится в пору. Это прилаживание определяется не только очертанием молекулы полимеразы, но и наличием места связывания у ДНК, которое в свою очередь зависит от изгибов ДНК.

Для получения полной картины метаболического процесса на основе лактозы недостает трех молекул. Прежде всего, это белок-активатор катаболизма (БАК-белок). В обычном состоянии строение БАК-белка не позволяет ему соединяться с другой молекулой, циклическим аденозинмонофосфатом (цАМФ). Молекула цАМФ вырабатывается в среде, где отсутствует глюкоза. Если цАМФ связан с БАК-белком, БАК-белок претерпевает конфирмационное изменение, позволяющее ему присоединиться к ДНК. В свою очередь, связывание комплекса БАК-белок/цАМФ с ДНК. Кишечная палочка заставляет ДНК сгибаться.

Наличие другого белка, действующего в качестве репрессора, lac-репрессора, обеспечивает вхождение в бороздку ДНК в том месте, где нужно помешать закрепиться полимеразе РНК, переписывающей информацию ДНК на белки, которые усваивают лактозу.

Если лактоза не соединена с lac-репрессором, репрессор точно входит в бороздку ДНК в нужном месте, препятствуя выполнению полимеразой РНК возложенной на нее задачи перезаписи (транскрипции). Если лактоза соединена с lac-репрессором, это вызовет в репрессоре конфирмационные изменения, так что он уже не будет подходить бороздке ДНК кишечной палочки и она не будет мешать полимеразе ДНК выполнять транскрипцию. Рассмотрим, как этим молекулы сотрудничают, определяя наблюдаемую линию поведения кишечной палочки.

В исходных условиях имеется глюкоза и отсутствует лактоза. При наличии глюкозы цАМФ не вырабатывается, а значит, не образовывается комплекс БАК-белок/цАМФ, не сгибается ДНК и полимераза РНК не переписывает белки для усвоения лактозы. Помимо этого, репрессор находится на ДНК, препятствуя соединению полимеразы РНК с ДНК в этом месте. Получается двойная блокировка перезаписи.

В смешанной среде с глюкозой и лактозой присутствие глюкозы препятствует образованию комплекса БАК-белок/цАМФ, так что ДНК не изгибалась, а полимераза РНК не занималась перезаписью. Даже если присутствие лактозы вынудит репрессор покинуть бороздку ДНК, полного связывания полимеразы РНК не произойдет. Она покидает ДНК, так и не прикрепившись ни к одному из участков lac-оперона.

В отсутствие глюкозы и при наличии лактозы происходит следующее. недостаток глюкозы приводит к образованию комплекса БАК-белок/цАМФ, который соединяется с ДНК, вынуждая ее изгибаться. Это дает возможность полимеразе РНК отыскать свое место прикрепления. Присутствие лактозы приводит к ее связыванию с lac-репрессором и отсоединению репрессора от ДНК, так что уже вся полимераза РНК может присоединиться к ДНК и собрать три белка для усвоения лактозы.

Подобное положение дел сходно с ситуацией с дверью, снабженной ручкой и засовом. Ручка действует подобно активатору, а запор выступает в роли репрессора. Уиггинс приводит таблицу на с. 106.

Целая сеть сложных событий служит для достижения некоторой простой цели, как это возможно? Почему при всей затратности данного механизма кишечная палочка не вырабатывает постоянно все нужные ферменты, чтобы усваивать любой поступающий к ней сахар? Возможно, такая бактерия и существовала, однако в ходе эволюции она была вытеснена новой формой, а именно кишечной палочкой с ее lac-опероном.

Белковые ферменты собираются практически одновременно с перезаписью РНК, когда РНК все еще прикреплена к длинной кольцевой молекуле ДНК. Поскольку кишечная палочка относится к прокариотным клеткам, у нее нет тормозящих ход метаболизма ядра или ядерной мембраны, так что усвоение лактозы начинается очень скоро. Кишечная палочка прекрасно живет и на лактозе, и на глюкозе.

Сегодня известно более двух третей функций геномов кишечной палочки, это много. Механизм задействования lac-оперона составляет лишь малую часть ее молекулярных функций. Дело в том, что кишечная палочка наиболее проста для изучения, относительно этого существует даже мнение, оно принадлежит лауреату Нобелевской премии Жак Моно: что верно для кишечной палочки, верно и для слона. К тому же при ее исследовании едва ли не полностью отпадают этические проблемы: штаммы кишечной палочки вполне безобидны. Сходство молекулярного процессинга кишечной палочки с тем, что происходит в других организмах, привело к использованию ее в качестве фабрики по производству инсулина для больных сахарным диабетом.

Совершенно иначе выглядит положение дел с эукариотами. Большинство многоклеточных организмов развивалось таким образом, что их внутренние клетки оказались отрезанными от меняющейся внешней среды. Стабильная внутренняя обстановка – гомеостаз – необходима для надежной работы многоклеточных организмов. Пример тому – пивные дрожжи.

Кишечная палочка, пивные дрожжи, плодовые мушки, мыши, полосатая перцина, иглобрюх (родственный горчице сорняк из семейства крестоцветовых) считаются модельными организмами, которые должны обладать следующим набором качеств:

-быстро развиваться, имея короткий срок жизни;

-обладать малыми размерами, будучи взрослыми;

-быть всегда под рукой;

-быть простыми в обращении;

-выполнять свои биологические функции сходным с более сложными организмами (вроде человека) образом.

Вплоть до 1980-х годов молекулярная биология была сосредоточена именно на такого рода объектах, но затем в эту отрасль знаний пришли физики, химики, и многие детали на стыке микро- и макроскопических областей биологии оказались совершенно необъяснимыми.

Было понятно, что ДНК переписывается на РНК, которое переводится на белки, имеющие следующие признаки:

-они действуют как катализаторы в химических реакциях;

-вырабатывают антитела;

-действуют как нейромедиаторы;

-действуют как рецепторы;

-образуют мембраны.

И в середине 1980-х годов возникло предположение о том, почему бы не изучить весь состав ДНК живого организма, так называемый геном? Более того, посредством отдельных модельных организмов прийти к геному человека? Такая постановка проблемы привела в биологию приборостроителей, программистов, таких исследователей как Дж.Крейг Вентер, создатель института, в котором модифицировали и имплантировали синтезированный с нуля геном в бактериальную «оболочку», получив в результате «рабочий» микроорганизм.

Рассмотрим, как возникали и развивались методы, которые легли в основу исследований генома человека.

Электрофорез. В 1937 году шведский биохимик Арне Тиселиус разработал метод разделения заряженных частиц во взвеси на основе их массы и заряда. Заряженная частица в электрическом поле под действием его силы ускоренно движется в сторону противоположно заряженного электрода. Погруженная в среду (гель) частица тормозится под действием силы трения. При равенстве электрической силы и силы трения частица движется с постоянной скоростью, именуемой конечной. Данный подход Тиселиус впервые применил при разделении белков в растворе (в 1948 году он был удостоен Нобелевской премии). С тех пор его метод с успехом использовался в опытах с множеством частиц при движении в различных средах. А для их выделения существуют несколько различных приемов.

Рестрикционные ферменты. Создание рестрикционных ферментов началось в опытах с бактериофагами (или фаги), которые представляют собой вирусы, атакующие клетки бактерий, внедряя свои ДНК в клетку-хозяина, который затем плодит данный вирус фагов, независимо друг от друга окрыли в 1917 году бактериологи Фредерик Туорт из Великобритании и Феликс д Эрелль из Франции. Опыты на бактериофагах получали все больший размах, благодаря их возможности убивать опасные для человека бактерии. Однако интерес к ним упал после изобретения пенициллина и других химических антибиотиков.

Бактериофаги столь многочисленны (их количество составляет 10 в 30-й степени), что их общая биомасса значительно превышает общий вес населения Земли. Они почти целиком состоят из белков и ДНК. Будучи вирусами, они не могут жить без хозяина. Ввиду простоты своего устройства они оказываются идеальными испытуемыми для получения сведений о жизнедеятельности и их самих, и их хозяев. Случайно бактерии и фаги стали выращивать вместе. Было замечено, что активность ДНК у фага все время падала, что указывало на расщепление ДНК фага чем-то внутри бактерии. Был выделен и очищен ответственный за расщепление фермент и установлен его механизм. Фермент получил название рестрикционного. Помимо этого был выявлен еще один фермент – метилаза, который присоединяет метиловую группу к нуклеотидным основаниям цитозина или аденина в ДНК бактерии. Метилирование настолько изменяет молекулу ДНК, чтобы рестрикционный фермент все еще мог распознать место своего подсоединения, не вмешиваясь при этом в обычный ход воспроизводства или метаболизма самой бактерии.

Сегодня известны тысячи ферментов, расщепляющих ДНК на определенных участках. Открыты были и ферменты, скрепляющие вместе куски ДНК. Молекулярные биологи располагают набором белковых ферментов, позволяющих им разрезать или склеивать ДНК в заданных местах.

Сенгеровский метод обрыва цепи. В 1977 биохимик из Великобритании Фред Сенгер разработал способ расщепления ДНК на участки, соответствующие любой длине исходной ДНК. Этот метод использовал замещающую нуклеотидную молекулу. Заместитель не образует связи со следующим нуклеотидом в последовательности, необходимой для создания всей ДНК, так что цепь обрывается на нем.

Метод обрыва цепи дидезоксидными основаниями для секвенирования ДНК начинается с того, что посредством рестрикционных ферментов расщепляют подвергаемую секвенированию ДНК на меньшие участки, а ДНК нагревают до полного разделения обеих ее нитей. Затем к этим однонитевым участкам ДНК добавляют трифосфаты с дидезоксидным основанием, после чего вводится белковый фермент ДНК полимераза, который приступает к сборке копий исходной ДНК. Из-за дидезоксидных оснований собранные молекулы представляют собой не копии исходной ДНК, а смесь из полученных ранее участков ДНК. Предварительно дидезоксидные основания помечаются (маркируются) либо радиоактивным изотопом фосфора, либо чувствительным к ультрафиолетовому свету красителем, так что конец каждой оборванной цепи становится видимым.

Затем эту смесь цепей ДНК помещают в лунки пластины геля и дают электрическое напряжение. Более короткие участки испытывают меньшее сопротивление среды и поэтому движутся быстрее. Часто в качестве образца в одну из лунок помещают цепи известной длины. После достижения наиболее короткими цепями края пластины геля напряжение снимают. По радиоактивным или флуоресцентным маркерам определяют нуклеотидное основание в конце каждой молекулярной цепи. Поскольку электрофорез распределяет молекулы в соответствии с возрастанием длины цепи, при просмотре виден порядок расположения парных оснований нуклеотидов в исходной ДНК.

Данный метод широко применялся до середины 1980-х годов, он был весьма трудоемким: приходилось брать пробы у организма, очищать, смешивать с химическими реактивами, выращивать, помещать в гель и проводить исследование, после чего собирать и толковать данные. Когда была озвучена программа расшифровки генома человека, на нее отводилось 15 лет непрерывной работы 10 тысяч аспирантов.

На помощь пришли автоматизированные методы обработки процессов секвенирования: если ранее за многие годы написания диссертационного исследования большим достижением считалось выстроить участок в 40 тысяч парных оснований ДНК, то теперь устройство позволяло секвенировать в день до 12 тысяч парных оснований нуклеотидов. Еще более ускорились работы после выделения в массиве ДНК неких более устойчивых или комплиментарных ДНК – кДНК, ее секвенирования и сравнения с другими секвенированными генами. Данный подход был назван методом экспрессируемых ярлыков. Это позволило молекулярной лаборатории Дж.Крейга Вентера заявить в 1991 году, что всего за несколько месяцев определено около 330 активных генов в человеческом мозге, это делает доступным полное обследование хромосомного набора организма по экспрессируемому гену. Однако метод секвенирования дроблением оказался не так эффективен, когда от бактерий перешли к человеку.

Для опытной проверки метода Вентер провел секвенирование плодовой мушки. Не ослаблял своих попыток и Международный консорциум «Проект генома человека», который после 1992 года возглавил известный генетик из Мичиганского университета Фрэнсис Коллинз. После 2000 года было предложено объединить усилия двух коллективов. Однако противостояние снять не удалось. Работа началась заново. Почему заново, что было переосмыслено?

ДНК содержит схему работы всего организма. Но прежде чем организм начнет справлять свои надобности (функции), схему необходимо переписать на РНК, которая в свою очередь передается белкам, а те затем приступают к сборке каждой отдельной клетке и выполнению своих обязанностей.

Белки представляют собой молекулы, которые и обеспечивают жизнь клетки. Геном указывает РНК, какие белки следует собирать, но прежде чем они начнут выполнять свои многочисленные обязанности, происходят изменения (белки скручиваются, взаимодействуют, присоединяют к себе группы сахаров или метила), в итоге проявляя некие видимые признаки. Знание последовательности нуклеотидов в геноме ничего не дает. Недостаточно знание только одной схемы.

Прежде исходили из простой зависимости между генами и белковыми молекулами: один ген, одна молекула. Но все оказалось сложнее. Между заданной ДНК и конечными белками, определяющими работу клетки, случаются отклонения. Один ген может создать много различных белков. Человеческий ген состоит из 30 тысяч генов, что составляет лишь 2% общего числа пар нуклеотидных оснований. Остальные 98% генома часто неверно называют бросовыми из-за неведения об их возможном предназначении. Полный состав человеческих белков, закодированных в геноме, протеом, значительно превышает 100 тысяч, а возможно, приближается к миллиону. Белки – это ключ к устройству и работе клетки. Белки определяют классические биологические признаки. Протеомика сосредоточена на понимании того, как разветвленная сеть белков управляет клетками и тканями. Следующая нерешенная задача связана с картированием протеома, для чего необходимо:

-определить полный состав белков в клетке, ткани или организме;

-выяснить взаимодействие этих белков с другими, образующими разветвленную сеть белками;

-выявить точную трехмерную картину каждого белка, что позволит найти связывающие участки (например, такие, где белки наиболее восприимчивы к действию лекарственных препаратов).

На этом пути лежат серьезные трудности, вызванные отсутствием единого человеческого протеома. Клетки мозга образуют множество белков, клетки ногтей – другое, клетки крови – третье. А собираемые белки сильно зависят от различных факторов, таких, как болезнь, потребляемые продукты, умственное или даже душевное состояние. Каждое состояние организма порождает различный протеом. Кроме того, белки представляют собой крайне сложные образования. Они по-разному укладываются, не всегда предсказуемым образом.

Ученые ведут исследование генома зерновых. У риса, например, 430 миллионов пар нуклеотидных оснований, у кукурузы – 3 миллиарда, у пшеницы – 16 миллиардов. Встал вопрос о том, как различия в геноме ведут к различиям признаков в организме.

Использование знаний о геноме несет и добро и зло. Возможно, помня о проекте создания атомной бомбы, первый руководитель Национального центра по изучению генома человека Джеймс Уотсон 5% средств центра выделял на изучение нравственных, правовых и социальных последствий проекта. Каковы здесь основные проблемы;

Биочип. Посредством метода фотолитографии, сходного с тем, что используется при производстве кристаллов (чипов) для материалов электронной техники, сотни тысяч биологически активных молекул – ДНК, РНК, белков – укладываются столбиками и рядами на стеклянный или кремниевый кристалл. Для проверки биологические молекулы метят флуоресцентным красителем, затем намазывают на кристалл. Нанесенные на кристалл, молекулы ДНК или белка действую подобно тонким полоскам молекулярной «липучки». Проверяемые молекулы комплиментарны к молекулам на кристалле и прилепятся к ним, после чего при лазерном сканировании предстанут в виде светящейся точки. Выходные данные сканирования затем выводятся на экран, обрабатываются ЭВМ и, наконец, используются для выявления мутаций, получения сведений о ходе болезни или лечения, для определения того, какие гены взаимодействуют друг с другом при росте клетки.

Сельскохозяйственное применение. Посредством рестрикционных ферментов можно изменять ДНК растений для получения нужных признаков. Например, для достижения более высокой урожайности и более качественной пищи для людей и животных, для повышения содержания минералов и витаминов, роста устойчивости к насекомым-вредителям и так далее.

Генетический контроль у человека. Поскольку наследственные признаки у человека целиком зависят от генов, мы можем отбирать их для потомства и предсказывать вероятность генетических заболеваний у людей. Такая возможность сопряжена с далеко идущими этическими последствиями.

Изучение стволовых клеток. После оплодотворения яйцеклетки зародыш содержит всю генетическую информацию о дальнейшем развитии организма. Клетки, способные развиться в любую другую клетку организма, именуются зародышевыми стволовыми клетками. По мере роста организма клетки специализируются, утрачивая гибкость стволовых клеток. Стволовые клетки с заложенным в них потенциалом можно выращивать и использовать для таких крайне важных целей, как восстановление поврежденных сердечных мышц или тканей позвоночника. Однако методы выращивания подобных клеток сопряжены с этическими вопросами, до конца еще не разрешенными. Иной подход – дождаться более зрелого возраста и выращивать специализированные клетки взрослых, которые столь же полезны.

Клонирование. Поначалу идея клонирования заключалась в замене ядра яйцеклетки ядром другой клетки с последующим внедрением новой яйцеклетки в суррогатную мать. Она даст такое потомство, генетические свойства которого будут одинаковы со свойствами пересаженного ядра. После овладения данным методом успешные опыты были проведены на мышах, свиньях, коровах, овцах.

Но можно ли клонировать человека? Исходя из современной биологической практики, это вполне возможно. Нужно ли это желать? Это уже иной вопрос, который относится к нравственной и правовой сфере.

Не менее важна возможность использования рестрикционных ферментов для вырезания и вклеивания человеческой ДНК в ДНК животных с последующим клонированием животных, превращая их в фабрики по производству лекарственных белков, редких гормонов или даже целых органов для пересадки людям при повреждениях или заболеваниях.

Генная инженерия. Революция в электронной технике началась в 1957 году, когда Джин Хоерни, сотрудник небольшой компании, ставшей затем одной из основателей Силиконовой долины, разработал планарную технологию. Речь идет о последовательном наслаивании на кремниевой пластинке полупроводниковых и других материалов с использованием матриц, называемых фотомасками. Новый подход позволял создавать точные интегральные цепи и легко модифицировать их, просто заменяя фотомаски. Вскоре были созданы общедоступные библиотеки простых микроцепей и любой желающий мог собрать из деталей необходимое ему устройство. Отсюда берут начало идеи создания искусственных биологических систем.

Биологическими эквивалентами транзисторов (основных компонентов электронных цепей) считаются гены, длинные сегменты ДНК со строго определенной последовательностью нуклеотидов. Для создания генетических цепей важно быстро, надежно и с минимальными затратами синтезировать длинные фрагменты ДНК. Самое интересное в подобных биологических цепях то, что они аналогичны по своим функциям первым электрическим цепям, собранным инженерами-электронщиками для тестирования новых операций при создании полупроводниковых чипов. И раз уж специалисты научились делать столь же надежные биологические аналоги основных электронных блоков, они также могут составлять из них более сложные конструкции как многоклеточные системы, двух- и трехмерные сети и даже устройства с небиологическими функциями, например, многоклеточная система, которая способна отыскивать взрывчатые вещества.

Если внутриклеточную биомолекулярную машину, обрабатывающую нуклеотидные последовательности ДНК и РНК сравнить с машиной Тьюринга, то можно заметить поразительное сходство. Обе системы оперируют информацией, которая хранится в цепочке символов, построенной на основе алфавита, и шаг за шагом выполняют инструкции, переходя от одного элемента к другому и по определенным правилам изменяя или добавляя новые.

Естественно было бы предположить, что из биологических молекул можно создать ЭВМ. Биологические компьютеры вряд ли окажутся эффективнее традиционных при решении обычных вычислительных задач, но зато биологические молекулы могут говорить на языке живых клеток. Внутри живой клетки такой компьютер может принимать сигналы, указывающие на болезнь, обрабатывать их по заранее заложенной медицинской программе и активизировать молекулы лекарств.

Исследования начались с осознания того, что основные действия, выполняемые естественными биомолекулярными машинами внутри живых клеток, можно использовать для создания универсальной вычислительной машины Тьюринга. В биомолекулярных терминах ее функционирование сводится к одному распознаванию, двум расщеплениям, двум соединениям и сдвигу влево или вправо. Гипотетически идея такой машины возникла в 1982 году у Чарльза Беннетта, сотрудника корпорации IBM, который вычислял особенности потребления энергии живыми существами и предположил, что биомолекулы могут стать энергетической основой более эффективных вычислительных машин. Впервые вычислительные возможности молекул были продемонстрированы в 1994 году Леонардом Адлеманом из Университета Южной Калифорнии, который использовал ДНК для решения знаменитой задачи о коммивояжере. Речь идет о поиске такого кратчайшего маршрута между несколькими городами, чтобы посетить каждый из них по одному разу. Создавая молекулы ДНК, символизирующие города и дороги между ними, а затем смешивая их в пробирке, исследователь получил ответ за считанные минуты, благодаря сродству соответствующих нуклеотидов. К сожалению, на вылавливание из раствора молекулы с ответом уходило гораздо больше времени. Адлеману оставалось ждать появления новых технологий.

Эхуд Шапиро, профессор информатики и биохимии в Институте Вейцмана (Израиль), в 1999 году создал пластиковую механическую модель вполне универсальной логической схемы на основе биомолекул. А в 2003 году автономный программируемый компьютер, использующий ДНК-цепочку в качестве источника энергии, был готов.

Вот как выглядят этапы его создания:

-машина Тьюринга: блок управления поочередно считывает информацию с ленты и записывает на нее по одному символу согласно правилам перехода, учитывающим внутренне состояние машины;

-биологическая машина: внутриклеточная органелла рибосома считывает информацию с генетического транскрипта в виде информационной РНК и трансформирует ее в последовательность аминокислот, формирующих белок. Символический алфавит информационной РНК образован тройками нуклеотидов (кодонами), каждая из которых соответствует определенной аминокислоте. Рибосома обрабатывает кодон за кодоном, а молекулы транспортной РНК доставляют к ней нужные аминокислоты. Распознав соответствующий кодон, транспортная РНК высвобождает аминокислоту, которая присоединяется к растущей цепочке;

-модель молекулярной машины Тьюринга: в машине Тьюринга собранной из биомолекул, будет использоваться их естественная способность распознавать символы и расщеплять или соединять ферменты молекул. Ее прообразом стала пластиковая модель. Машина обрабатывает последовательность молекул-символов. Правило перехода представляется молекулярным комплексом, который включает в себя молекулы, отражающие текущее и последующее состояния машины, а также считываемый в данный момент и новый символы;

-молекулярный конечный автомат: ДНК создана природой, чтобы хранить информацию, записанную алфавитом нуклеотидов. Внутриклеточное «оборудование» считывает и изменяет ее с помощью ферментов и других молекул. Важную роль играет химическое сродство молекул, позволяющее им «узнавать» и связываться друг с другом. Чтобы создать вычислительную машину из молекул, необходимо перевести концепцию Тьюринга на их язык. Простейший концептуальный компьютер представляет собой конечный автомат, способный считывать символ за символом и изменять свое внутреннее состояние согласно правилам перехода. Конечный автомат с двумя состояниями (0 и 1) может в конце вычисления ответить на вопрос, требующий ответа «да» или «нет». Для создания конечного автомата используются цепочки ДНК (входные данные и программное обеспечение) и расщепляющий их фермент (аппаратное обеспечение). Нуклеотидами кодируются как символы, так и внутренние состояния вычислительной машины.

Пока биомолекулярный компьютер функционирует исключительно в пробирке. Моделирование окружающей его биологической среды проводится путем изменения концентрации различных цепочек ДНК и РНК. Ведутся исследования, в ходе которых этот компьютер мог бы работать в живой клетке, с тем, чтобы посмотреть, как он будет вести расчеты во внутриклеточной среде, а также взаимодействовать с природным биохимическим окружением.

Доставить биомолекулярный компьютер в клетку непросто: большинство молекулярных транспортных систем приспособлены либо под ДНК, либо под белки, а компьютер содержит и то, и другое. Не менее важно отыскать средства наблюдения за ходом вычислений, идущих внутри клетки, и убедиться, что молекулярный автомат в состоянии работать параллельно с внутриклеточными органами, которые вполне могут разрушить цепочку вычислений или повлиять на поведение молекулярных компонентов компьютера. Наконец, необходимо исследовать альтернативные способы связи молекулярного автомата с внутриклеточной средой.

Биомолекулярные автоматы не заменят ЭВМ, но у них есть прямой доступ к данным, закодированным в живых молекулах, с которыми традиционные компьютеры никогда не найдут общего языка. Результаты экспериментов подтверждают жизнеспособность нового вида вычислительных машин, у которых в будущем появится широкий спектр применения. Биовычислительная техника появилась на свет, и будет быстро развиваться.