Российский ученый открыл новый механизм хранения информации в ДНК
Дата публикации: 18 января 2023 года в 14:10.
Категория: Общество.
Фото предоставлено пресс-службой «Сириуса»
Фундаментальный феномен позволит ученым познать природу самых разнообразных процессов, начиная от сложных заболеваний, тайн генетики, мгновенной памяти и старения до вопросов возникновения жизни на Земле и ее эволюции. Это же позволит улучшить специфичность генной терапии и безопасность ДНК/РНК-вакцин за счет выявления и снижения побочных реакций на препараты во время лечения. Важность и значимость открытия подчеркивает тот факт, что исследования Максима Никитина опубликованы в одном из самых авторитетных научных журналов мира Nature Chemistry.
Первоначальный закон
В середине XX века ученые Д. Уотсон и Ф. Крик сделали гениальное открытие: молекула ДНК имеет две спирально закрученные цепи, которые связаны парами оснований аденин-тимин или гуанин-цитозин. Считалось, что ДНК хранит и обрабатывает информацию за счет структуры двойной спирали – однозначно соответствующих друг другу (комплементарных) молекулярных цепей. Этот закон показывал возможность восстановления одной цепи за счет другой и объяснял сущность процессов передачи наследственной информации на молекулярном уровне. Привычная сейчас двойная спираль была настолько понятна, что следующие 70 лет ученые придерживались именно этого принципа, закрывая глаза на возможность существования иных взаимодействий.
Новый механизм
Максим Никитин экспериментально доказал, что ДНК может хранить и передать информацию за счет слабоаффинных взаимодействий, которые реализуются, если молекулы имеют низкое «сродство» друг к другу. Также он показал, что короткая ДНК может регулировать работу гена, даже если не комплементарна ему.
Новое природное явление автор феномена назвал «молекулярной коммутацией». Суть его в том, что информация переносится при взаимодействии коротких одноцепочечных молекул ДНК\РНК или других молекул. В смеси, которая состоит из коротких одноцепочечных и некомплементарных друг другу олигонуклеотивод, 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 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.
Открытие Максима Никитина позволяет экспериментально показать факт, который не укладывается в парадигму современной биологии: любая неструктурированная одноцепочечная ДНК может специфично регулировать экспрессию заданного гена безотносительно их комплементарности. Все зависит от наличия в организме других некомплементарных олигонуклеотидов. Кроме того, автор показал, что новое явление позволяет лучше управлять экспрессией генов. Если в рамках обычной парадигмы комплементарный механизм регуляции допускает около 1012 вариантов регулирования генов (в таком случае существует всего 420=1012 разных 20-нуклеотидных олигонуклеотидов), то Максим Никитин показал, что при использовании тех же 20-нуклеотидных последовательностей, можно реализовать не менее 10172 вариаций регуляции деятельности гена. Это в значительной степени превосходит число элементарных частиц во Вселенной, которых «всего» 1080!
Чтобы доказать, что ДНК может образовывать наборы молекул с практически любыми наперед заданными взаимными аффинностями, 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. При этом компьютерное моделирование явления коммутации продемонстрировало устойчивую обработку информации и системой, состоящей из 1 000 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.
Комментарий автора
«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 руководитель направления Университета «Сириус» Максим Никитин. – «Например, возьмем олигонуклеотид из десяти 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 десяти букв, для каждой аффинности мы получим множество вариантов, то ееть плотный “континуум аффинностей”».
Возможности для науки
Это открытие стало прорывным в мире науки. Фундаментальный феномен позволит ученым познать природу самых разнообразных процессов, начиная от сложных заболеваний, тайн генетики, мгновенной памяти и старения до вопросов возникновения жизни на Земле и ее эволюции. Это же позволит улучшить специфичность генной терапии и безопасность ДНК\РНК-вакцин за счет выявления и снижения побочных реакций на препараты во время лечения. Для этого требуется создание программного обеспечения нового поколения, которое сможет более точно предсказывать слабоаффинное взаимодействие нуклеиновых кислот, а также анализировать их вовлечение в естественные процессы, принимая во внимание механизм молекулярной коммутации. В результате, это позволит значительно снизить риски негативных последствий нецелевого редактирования генома пациента и снизить число нежелательных явлений в процессе лечения.
Необходимо отметить, что в молекулярной коммутации способны участвовать не только нуклеиновые кислоты. Белки и малые молекулы также могут взаимодействовать по этому принципу, но предсказать их взаимные аффинности в настоящее время, к сожалению, все еще очень сложно.
Публикация статьи
Исследования Максима Никитина опубликованы в самом авторитетном научном журнале мире Nature Chemistry. Ученый стал единственным автором статьи, что в подобных авторитетных журналах встречается крайне редко. Как правило, авторами публикаций становятся научные группы или концессии ученых.
Об ученом
Максиму Никитину 36 лет. Он руководит направлением «Нанобиомедицина» в Научно-технологическом университете «Сириус». Является доктором физико-математических наук, заведующим лабораторией нанобиотехнологий Московского физико-технического института. Один из пионеров в области разработки “умных” наноматериалов на основе гибридных лиганд-зависимых наносистем, которые действуют на принципах молекулярного компьютинга.
Лауреат Премии Президента РФ в области науки и инноваций для молодых ученых, призер международного конкурса молодых инноваторов Berlin Falling Walls Young Innovator, обладатель международной награды по биосенсорике Biosensors Award. Включен в состав Президиума Совета при Президенте РФ по науке и образованию.
Максим Никитин – автор более 70 научных статей, которые были опубликованы, в том числе в престижных журналах группы Nature, имеет свыше десятка патентов. Более 10 лет назад молодой ученых одним из первых в мире начал заниматься созданием умных наноматериалов для биомедицины и развил фундаментальные основы автономных биомолекулярных вычислительных систем для тераностики. Все это время он работал в России.