Незабелязан седем десетилетия механизъм съхранява информация в ДНК

Молекулярният биолог Максим Никитин, ръководител на катедрата по нанобиомедицина в Университета „Сириус“, Русия, открива нов фундаментален механизъм за съхраняване на информация в ДНК.

Повече от седем десетилетия се приема, че ДНК съхранява и обработва информация чрез структурата на двойната спирала или уникално съответстващи една на друга молекулни вериги. Максим Никитин доказва експериментално, че за да обработва ефективно генетичната информация, ДНК няма нужда да образува двойна спирала. Тя може да пази и предава информация чрез слаби афинитетни взаимодействия, които се осъществяват в случаите, когато молекулите имат ниско родство помежду си.

Откритият фундаментален механизъм може да бъде ключ към опознаването на природата на разнообразни по същността си процеси – от неразкритите тайни на генетиката, сложните заболявания, паметта и стареенето до въпросите за произхода на живота и неговата еволюция.

Откритието

Максим Никитин открива природно явление, което нарича молекулярна комутация. Тя се състои в пренасянето на информация по време на взаимодействието на относително къси едноверижни ДНК/РНК молекули (олигонуклеотиди).

Молекулярният биолог установява, че в смес от къси едноверижни олигонуклеотиди, които не са комплементарни един на друг, различните им комплекси ще съществуват едновременно. Вариантите на тези взаимодействия се определят от афинитета на молекулите и най-общо биват описвани от открития през 19 век закон за действието на масата, който е за зависимостта на скоростта на реакцията от концентрацията на участващите вещества.

>>>Завършено е разшифроването на целия човешки геном

В тези случаи подобни комплекси ще бъдат свързани един с друг и ще прехвърлят информация помежду си, дори ако два олигонуклеотида не се свързват директно един с друг. Например, в най-простата система от три олигонуклеотида Х, А и В, дори ако А и В не си взаимодействат, те въпреки това могат да си предават информация чрез посредник – превключвателя Х. И при това е достатъчно много слабо взаимодействие с Х. Ако системата съдържа по-голям брой олигонуклеотиди, тогава може да се предаде значително количество информация.

„Обърнах внимание на необичайно свойство на ДНК, което остава незабелязано в продължение на 70 години, защото е в сянката на красотата на двойната спирала. Става дума затова, че за всяка едноверижна ДНК съществува огромно множество от други ДНК с предварително определен афинитет, свойство, което нарекох „континуум на афинитета на ДНК“. Взаимодействията между тези молекули позволява предаването на информацията и контрола на генната експресия“, разяснява Максим Никитин.

Ученият подчертава, че дълго време биолозите приемат, че нивото на генната активност зависи единствено от неговата структура. Но е факт, че върху работата на гените влияние оказват и много други фактори, включително и как ДНК е опакована в клетъчното ядро, колко селективно клетъчните механизми четат частта на генома и какви къси нишки на РНК могат да взаимодействат със собствените си работни копия – информационни РНК молекули.

>>>Мащабен ДНК анализ разкрива нови особености на мутациите в раковите клетки

Множество такива механизми позволяват на човешкото тяло както и на други живи същества да регулират нивото на активност на различни гени при адаптирането към променящите се условия на околната среда. А нарушенията на този процес, наричан генна експресия, водят до развитието на различни заболявания, например, рак.

Доказателствата

За да докаже, че ДНК може да образува комплекти от молекули с почти всякакви предварително определени взаимни афинитети, Максим Никитин показва опитното прилагане на множество разнообразни системи, които обработват информация по различни начини, като започва със системи, включващи само три свръхкъси олигонуклеотида с дължина до седем азотни бази и стига до клетки с памет и системи за изчисление на корен квадратен.

Компютърната симулация на феномена на превключване показва устойчива обработка на информацията от система, която се състои от 1000 олигонуклеотида. Това позволява да се създаде 572-битова клетка за обработване на информация, а това надвишава капацитета на всички съществуващи компютри. При модела, който Максим Никитин предлага, няма ограничения за броя на взаимодействащите си по този начин олигонуклеотиди.

Откритият от учения феномен, му позволява да докаже експериментално и още един факт, който не се вписва в съвременната парадигма на молекулярната биология. И той е, че всяка неструктурирана едноверижна ДНК може да регулира по специфичен начин експресията на даден ген, при това независимо от взаимното им допълване.

>>>Синтетична ДНК контролира производството на протеин от клетките

Всичко зависи от наличието в средата или в организма на други некомплементарни олигонуклеотиди.

Максим Никитин демонстрира още, че молекулярното превключване прави контрола на генната експресия много по-добър. Ако в рамките на стандартната парадигма допълнителният регулаторен механизъм позволява приблизително 1012 варианта на генна регулация или съществуват 4 ²⁰ = 10 ¹² различни 20-нуклеотидни олигонуклеотида, то ученията показва, че като се използват тези 20-нуклеотидни последователности могат да бъдат осъществени най-малко 10 ¹⁷² варианта за регулиране работата на гена.

Това число превъзхожда значително количеството на елементарните частици във Вселената, които са 10 ⁸⁰.

Значението на откритието

Феноменът на превключване на веригата на ДНК е научно откритие, което може да подобри генната терапия и да безопасността на ДНК/РНК ваксините като открива и намалява страничните ефекти на прилаганите лекарства. Затова е необходимо да бъде създаден софтуер от ново поколение, който да прогнозира с по-голяма точност взаимодействието на нуклеиновите киселини и анализира участието им в различни процеси като отчита механизма на молекулярно превключване. По този начин ще бъдат сведени до минимум рисковете от негативни последици, които са резултат от неправилно редактиране на генома.

В молекулярното превключване участват не само нуклеинови киселини. Протеините и малките молекули също могат да взаимодействат в съответствие с този принцип.

Максим Никитин работи активно девет години преди да осъществи откритието си, което определят като пробив и началото на нова ера в биологията.

Деканът на медицинско-биологичния факултет при Националния изследователски медицински университет „Н. И. Пирогов“ Егор Прохорчук споделя, че: „Представата ни за взаимодействието на ДНК беше черно-бяла, а откритието на Максим Никитин му предаде цвят и почти 50 нюанса. Тези многобройни вариации ще бъдат използвани при създаване на ваксини и генна терапия. А публикацията в подобно престижно издание е безспорно постижение за руската наука“.

Статията на Максим Никитин, в която той представя доказателства, че ДНК е напълно и без способна да съхранява и предава информация и без комплементарността на веригите от прочутата двойна спирала, е публикувана в списанието Nature Chemistry.

За Максим Никитин

36-годишният Максим Никитин е ръководител на Катедра „Нанобиомедицина“ в Университета „Сириус“ и завеждащ лабораторията по нанобиотехнологии в Московския физико-технологичен институт.

Доктор на физикоматематическите науки, а в настоящето и биолог от световна величина. Максим Никитин работи активно девет години преди да осъществи откритието си, което определят като пробив и началото на нова ера в биологията. Автор е на множество нанобиопродукти, а както признава, мечтае да създаде наноробот, който ще бъде в състояние да унищожава единствено раковите клетки в човешкото тяло.