ДНК приспособили к записи информации

Белковая пора оболочки ядра. Иллюстрация Physorg

Зрители первого кинофильма братьев Люмьер «Прибытие поезда» повскакали с мест, когда на них с экрана стал наезжать локомотив. Теперь этот фильм в оцифрованном виде – а также многое другое – записан с помощью синтезированной ДНК.

На заре развития систем коммуникации основным носителем знаковых символов были камень и глина (таблички Эблы, Вавилона и других центров древних цивилизаций). Потом египтяне приспособили расплющенный под прессом папирус, который в Элладу завозили через Библ – северный порт нынешнего Ливана. От названия гавани родились слова «библия» и «библиотека».

После смерти Александра Македонского в Вавилоне его империя была поделена между последователями-диадохами Помпеем и Селевком. Первый обосновался в Александрии, а второй построил на вершине холма полис-укрепление, получившее название Пергам, в котором и был создан пергамент, на котором писали хартии и карты.

Пришествию цифровой эры способствовал труд 32-летнего математика Клода Шеннона. С его именем связывают рождение математической теории информации, все богатство которой передается с помощью двух знаков – 0 и 1.

Век назад американец Томас Морган выпустил книгу «Хромосомная теория наследственности», за которую в 1933 году первым из американцев получил Нобелевскую премию по медицине. В хромосомах содержится ДНК, намотанная на протеиновые «шпульки» (нуклеосомы – нуклеиновые «тельца»). ДНК постоянно рвется и восстанавливается с помощью ферментов, а также полностью удваивается при подготовке к делению. Овладение ферментами открыло дорогу к манипулированию ДНК и получению ее последовательностей.

В биологии наследственная информация переносится с помощью четырех «букв» генетического кода, образующих относительно стабильные пары. Геномика считывает их последовательности, публикуя и сохраняя в соответствующих банках гены и другие нуклеиновые «тексты». Первый геном человека читали более 10 лет, затратив на считывание каждой из трех миллиардов «букв» по доллару. Сегодня считывание геномов осуществляют автоматы (секвинаторы), причем довольно быстро и чуть ли не за копейки.

Пока несколько сложнее с синтезом ДНК-последовательностей: в Колумбийском университете на синтез ДНК-архива с его 2 мегабитами данных было потрачено 7 тыс. долл., а на его чтение – еще 2 тыс. Провозвестники нового носителя информации пишут в журнале Science, что им удалось записать по 1,6 бита на каждую «букву», что приближается к теоретическому пределу 1,8. Они подсчитали, что грамм ДНК может нести до 215 петабайт информации (2,15 х 1017). Никакие другие носители пока не могут похвастаться такой плотностью упаковки.

Помимо короткометражки про поезд, на ДНК был записан труд Шеннона, компьютерный вирус и другие файлы. Свое сообщение ученые начали с упоминания сохранности ДНК в костях возрастом полмиллиона лет! Сохранится ли наша цивилизация столь долгое время?

ДНК в клеточном ядре представлена тремя миллиардами «букв», и в ней записана вся информация, необходимая для нормального внутриутробного развития плода, а также всей последующей жизни. Химическая модификация ДНК и протеинов нуклеосомных шпулек включает и выключает гены (так многие гены плода оказываются после рождения на всю жизнь выключенными). Образование клеточных ядер позволило резко увеличить размеры клеток и их геномов. Так, в кишечной палочке размером с микрон всего 4 мегабита «букв», у нас, с клетками в 10–100 раз большими, геном почти в тысячу раз больше (он, кстати, всего на треть больше у слонов).

Увеличение генома потребовало создания белковой сети под нижней – внутренней мембраной-оболочкой ядра, представленной белком ламина. Некоторые мутации этого протеина ведут к прогерии – преждевременному старению вследствие нарушения ДНК-починки, а также другим заболеваниям. Замораживание клеток в жидком этане без действия повреждающих химикатов позволяет сохранить для исследования под электронным микроскопом реальные структуры подмембранного ламина.

Сотрудники Цюрихского университета показали, что нити-филаменты толщиной 3,5 нанометра (нм) образованы ламинами А и В и имеют форму булавки с круглой головкой на одном из концов. Ламиновый слой толщиной 14 нм взаимодействует с внутриядерными участками ядерных пор, через которые в ядро поступают различные регуляторные протеины, а из него – в цитоплазму РНК для синтеза белков и регуляции генной активности. Одним из сигналов, воздействующих на клетку, являются изменения ионного состава вне клеток. Для получения таких сигналов служат белковые рецепторы, встроенные в клеточную мембрану, имеющие зачастую ионные каналы-поры.

Биологи университета Вашингтона в городе Сент-Луисе провели рентгеноструктурный анализ большого калиевого канала (BK – Big Kalium). Оказалось, что калиевая пора открывается в ответ на сигнал подмембранной части протеина, реагирующей на увеличение уровня кальция (кальциевого сенсора). Поступление калия в клетку возбуждает ее, что приводит к генерированию нервного импульса, передающегося на гладкую мускулатуру сосудистой стенки. Излишняя активность ВК, вызванная мутациями в его гене, приводит не только к повышению давления, но также и к аутизму и двигательным расстройствам.