Генетическая память, молекулярные биопроцессоры и их выходное управляющее звено

Калашников Юрий Яковлевич

Аннотация

Генетическая память, молекулярные биопроцессорные аппараты транскрипции и трансляции и их выходное управляющее звено – белки и ферменты являются центральными устройствами, на базе которых построена управляющая система клетки. Белковые макромолекулы, представляющие собой молекулярные биологические автоматы, образуют различные циклические информационные потоки и сети, контролирующие различные химические и молекулярные функции живой клетки (организма). Программирование этих потоков и сетей обеспечивается экспрессией десятков и сотен различных генов, объединенных между собой скоординированными управляющими и регуляторными воздействиями. Поэтому, если учесть, что различные ферментативные системы, порой состоящие из десятков и сотен ферментов (молекулярных автоматов), участвуют в организации множества различных последовательностей идущих друг за другом химических реакций, которые в совокупности составляют клеточный метаболизм, то можно констатировать, что управление химическими процессами и биологическими функциями живой клетки осуществляется молекулярными информационными потоками и сетями “автоматизированного” управления.

Информационный подход проникает во все сферы человеческой деятельности. Не исключением является и наука о живой материи. Это естественно, так как концепция генетического кода предполагает и наличие в любой живой клетке целостной системы передачи и обработки генетической информации. Сравнительно недавно в технических устройствах для программной обработки информации стали применяться микропроцессоры. Известно, что процессор в технической системе осуществляет процессы автоматического выполнения последовательности команд в соответствии с принципами программного управления. На основе микропроцессоров строятся различные устройства, способные перерабатывать любую информацию. Это чудо техники прошлого века, способное к программному управлению, внесло большой вклад в развитие современных информационных систем и технологий, компьютеров, управляющих устройств и т. д. Тем не менее, обратим внимание на то обстоятельство, что первые процессоры, встроенные в клетку, были применены живой природой ещё миллиарды лет тому назад! В первую очередь, – это молекулярные биопроцесcорные системы репликации, транскрипции и трансляции генетической информации. Живая клетка должна постоянно пользоваться той информацией, которая хранится в её генетической памяти. Поэтому каждая клетка имеет все необходимые программные и аппаратные средства для “автоматизированной” переработки генетической информации. Обработанная и загруженная в различные биологические молекулы информация нужна как для взаимодействия биомолекул друг с другом, так и для их функционального поведения. Наука и техника всегда перенимали и копировали опыт великих достижений живой природы. Поэтому в настоящее время более детально и пристально изучаются и исследуются “творческие” пути, причины и механизмы живого состояния. Достаточно сказать, что ведутся разработки по микроминиатюризации различного рода технических средств для переработки информации. Изучаются принципы и методы обработки и использования генетической информации живыми клетками. Делаются попытки построения логико-вычислительных и интеллектуальных систем на принципах, присущих живым организмам. Думается, что особое внимание науке следует уделить и универсальной во всех отношениях молекулярной элементной базе, применяемой в живых системах. Тем более что эту базу уже не нужно разрабатывать, её можно получать в любых количествах, а по своим непревзойденным свойствам и качествам она не имеет себе аналогов и успешно используется живой природой в течение миллиардов лет! [1]. К примеру, плотность компонентов искусственных информационных систем, построенных на этой базе, могла бы возрасти еще на несколько порядков больше, чем она существует в современных полупроводниковых интегральных схемах. Исследователи, по-видимому, ещё не полностью оценили эти удивительные многофункциональные элементы, с их уникальными достоинствами и технологическими возможностями, которые широко используются в живых клетках и организмах. Ясно, что живая природа – это бездонный кладезь новых идей, принципов и механизмов. Она обладает надежно сконструированными и эффективно действующими (различного рода и назначения) молекулярными аппаратными устройствами, автоматами, манипуляторами, биопроцессорными системами и т. д. Поэтому апробированная миллионолетиями молекулярная технология химических, энергетических и информационных процессов должна стать достоянием сегодняшнего дня. Она должна стать стартовой площадкой для новых искусственных молекулярных технологий, которые могли бы применяться в различных областях науки и техники. Это, по всей вероятности, и есть то главное направление, по которому можно добиться наибольшей эффективности и производительности в новых химических, энергетических и информационных технологиях 21 века. Поэтому впредь, прежде чем “изобретать велосипед”, в первую очередь, следует исследовать опыт живой природы и научиться строить на основе уникальной элементной базы высокоэффективные биоподобные искусственные устройства и системы по переработке биоорганического вещества, обработке информации или генерированию химической, электрической или других видов энергии. Для этой цели можно использовать и имеющиеся в живой природе молекулярные устройства, аппараты и системы. Разгаданные с таким великим трудом многочисленные тайны живой формы материи должны быть достоянием общества в целом и стать на службу человеку. 1. Генетическая память. Хранилищем и источником наследственной информации в каждой живой клетке является ДНК хромосом. Генетическая память как постоянное запоминающее устройство служит для хранения данных и программ. Однако, естественно, всегда надо помнить, что генетическая память хромосом – это понятие несравненно более обширное и более грандиозное, чем, к примеру, – память компьютерная. К этой многосложной молекулярной структуре, отождествляющей “спираль жизни”, нельзя относиться без достаточной доли уважения и благоговения. Сначала отметим, что в живой клетке, точно так же, как и в любой сложной информационной технической системе, действует принцип хранимой в памяти программы. Согласно этому принципу все программы и данные хранятся в генетической памяти в закодированной форме, в виде комбинационной последовательности четырёх нуклеотидов в длинных цепях ДНК. Если, к примеру, в памяти цифровых технических систем имеется два вида информации – команды и данные и их можно четко разграничить, то в генетической памяти их можно идентифицировать лишь условно. К “данным”, видимо, можно отнести ту структурную информацию гена, которая является основой для кодирования тех фрагментов полипептидной цепи, которые ответственны за организацию внутримолекулярных структур, исполнительных органов и механизмов белковой молекулы. А к “командам”, видимо, можно отнести ту часть информации гена, которая ответственна за формирование различного рода локальных или поверхностных стереохимических сигналов белка – адресных кодов, кодов операции, регуляторных кодов, кодовых микроматриц и т. д. Значит, к командам и данным, хранящимся в генетической памяти, можно отнести ту информацию, которая является основой для кодирования трёхмерной организации и функционального поведения белковых молекул, обеспечивающих различные структурные и обменные процессы клетки. Тогда к “данным”, которые может обрабатывать управляющая система может относиться и та молекулярная информация, которая поступает в клетку в виде питательных веществ (субстратов). Они, как раз, и являются теми данными, которые в первую очередь подлежат “автоматизированной” переработке с помощью соответствующих ферментативных систем. К данным, видимо, можно отнести информацию и тех групп генов, которые кодируют структурные белки, хотя структура в биологии понятие относительное, так как она всегда связана с выполнением определённых биологических функций. Следует обратить особое внимание на то, что кодовое разделение сигналов, как линейных химических, так и пространственных – стереохимических, широко применяемое в живых системах, является базовой основой всех информационных передач генома. Только понимание того, что информация в молекулярной системе записывается, передаётся и реализуется с помощью тех молекулярных кодов и кодовых посланий, которые загружены в структуру различных биомолекул, может помочь разобраться с принципами и механизмами организации живой формы материи. К примеру, важно знать, что любая полипептидная цепь всегда является эквивалентом соответствующего кодового послания генома, указывающего будущие характеристики белковой молекулы [2]. В генетической памяти живой клетки может храниться множество программ, обеспечивающих те или иные биологические функции и процессы. Поэтому, автоматическое управление процессами решения различных биологических задач в живой системе осуществляется на основе принципа программного управления. Для программной переработки генетической информации в живой клетке широко применяется принцип микропрограммного управления, когда выполнение одной биологической операции, например, биосинтез белка, распадается на последовательность отдельных элементарных операций. Хромосомы клетки являются не только хранилищем генетической информации, они же являются и той многофункциональной системой, которая ответственна за передачу различных генетических программ в оперативную память живой клетки. Роль оперативной памяти в клетке выполняют различные биомолекулы РНК – информационная РНК, рибосомная РНК, транспортная РНК. Поскольку программы хранятся в памяти, то одни и те же команды могут извлекаться и выполняться нужное число раз. Более того, так как реализация команд в живой клетке осуществляется в форме трёхмерных биомолекул, то и над командами, как над информационными данными, могут производиться различные операции. Например, в виде модификации белковых молекул или в виде регуляторных сигналов (молекул) обратных связей для воздействия на аллостерические ферменты. А обработка генетических данных и организация потоков управляющей информации в каждой живой клетке, в первую очередь, осуществляется при помощи уникальных унифицированных молекулярных биопроцессорных систем управления – транскрипционного и трансляционного аппаратов.

2. Молекулярные биопроцессорные системы. Генетическая память, молекулярные биопроцессорные системы и их выходное управляющее звено – белки и ферменты являются центральными устройствами, на базе которых построена управляющая система клетки. Гены служат только для хранения информации, поэтому её необходимо сначала считывать, а затем определённым образом перерабатывать с тем, чтобы получить форму, приспособленную для непосредственного применения в различных биологических процессах. Для этой цели в клетке применяются специальные аппаратные средства транскрипции и трансляции, которые представляют собой ничто иное, как молекулярные системы для микропрограммной переработки генетической информации. Фактически каждая живая клетка для микропрограммной обработки генетической информации применяет такие аппаратные устройства, которые с кибернетической точки зрения вполне эквивалентны молекулярным биологическим процессорам.

Состав и характеристики транскрипционного и трансляционного аппаратов достаточно наглядно отражены в соответствующей биологической литературе. Поэтому можно легко убедиться в том, что эти аппараты, как системы с микропрограммным управлением, имеют все необходимые узлы, компоненты и характеристики, позволяющие их отнести к категории молекулярных биопроцессорных систем управления. Молекулярная биопроцессорная система отличается от управляющего микропроцессора не только вещественно-информационным субстратом или методом обработки информации в управляющие сигналы, но и широким параллелизмом действия её биопроцессорных единиц. Поэтому биопроцессорные единицы, несмотря на то, что они практически состоят из одних и тех же компонентов, можно легко подразделять как по назначению, так и по характеру выполняемых ими функций.

Процесс управления в сложных технических устройствах и в живой клетке, в определённой мере, выполняет одни и те же задачи, хотя есть и существенные различия в информационных субстратах и в организации самих информационных процессов. Кроме того, если информация в технических устройствах есть функция аппаратной системы, то в живых клетках чаще всего наоборот, – информационные сообщения сами являются базовой основой построения или реорганизации аппаратной системы клетки (белков, ферментов и других функциональных устройств). Сердцем управляющей системы живой клетки являются генетическая память и локальные биопроцессорные контуры управления, находящиеся, как в цитоплазме клетки – трансляционный аппарат, так и биопроцессорные системы верхнего уровня, находящиеся в клеточном ядре – транскрипционный аппарат. Эти аппараты выполняют различные информационные функции. К примеру, ядерные биопроцессорные устройства верхнего уровня (транскрипционный аппарат) служат для микропрограммного управления процессами считывания генетической информации в оперативную память рибонуклеиновых кислот. Известно, что ДНК и РНК живой клетки построены из одних и тех же мономерных звеньев – нуклеотидов. Однако между этими двумя нуклеиновыми кислотами имеются определённые различия, которые и привели к появлению в живой клетке особой молекулярной биопроцессорной системы, которая предназначена для считывания информации с ДНК-матрицы и переноса её на структуру РНК. “Этот процесс носит название транскрипции (переписывания). При этом часть двойной спирали ДНК раскручивается, и вдоль одной из её цепей движется особый фермент, который выстраивает нуклеотидные мономеры РНК против их партнёров на цепи ДНК и соединяет эти мономеры друг с другом, так что образуется длинная цепь РНК… На ДНК-матрице образуется три типа РНК: информационная, транспортная и рибосомная” [3]. Таким образом, задача по считыванию генетической информации в оперативную память структуры РНК решается путем выполнения отдельных микроопераций строго в соответствии с микропрограммой того участка ДНК, который определяется структурным геном. Результатом работы транскрипционной процессорной системы является загрузка в оперативную память РНК структурной и программной информации, которая необходима для выполнения различных биологических функций живой клетки. Так происходит считывание генетической информации и передача её к другой биопроцессорной системе для трансляции, то есть для перевода информации иРНК в аминокислотную последовательность белковых молекул с помощью генетического кода. В виде информационной РНК, которая в клеточной системе выполняет роль оперативной памяти, генетические программы по синтезу полипептидов передаются к белоксинтезирующему аппарату клетки, то есть к рибосомам. Кратко рассмотрим принцип работы молекулярной биопроцессорной системы трансляции (трансляционный аппарат). Основным компонентом типовой биопроцессорной единицы является рибосома. Важная регулирующая роль в синтезе белка помимо иРНК принадлежит тРНК. С помощью специального фермента аминоацил-тРНК-синтетазы тРНК присоединяет на одном из своих концов молекулу соответствующей аминокислоты, в результате чего возникает комплекс аминоацил-тРНК. тРНК при участии белковых факторов устройства управления и энергии гуанозинтрифосфата (ГТФ) доставляет аминокислоту в рибосому для включения ее в растущий полипептид. С помощью своего антикодона тРНК информационно взаимодействует с комплементарным ему кодоном иРНК и таким образом обеспечивает необходимую последовательность микроопераций включения аминокислот в синтезируемую полипептидную цепь, строго в соответствии с микропрограммой заданной иРНК. Благодаря этой функции тРНК дешифрует генетический код в иРНК-матрице и переводит его в биологический код аминокислотной последовательности белка. Сама рибосома, в частности, обладает каталитической функцией, ответственной за образование пептидных связей в цепи белка. Как мы видим, иРНК в биопроцессоре играет роль матричного модуля оперативной памяти, несущего микропрограмму преобразования генетической информации в структурную и функциональную информацию полипептидной цепи белка.

Таким образом, задача по преобразованию генетической информации в линейную структуру белка решается путем выполнения отдельных элементарных микроопераций строго в соответствии с заданной микропрограммой, которая заранее была загружена в оперативную память структуры иРНК. При этом системой реализующей процесс трансляции с известными стадиями инициации, элонгации и терминации является молекулярный биологический процессор. Весь ход процессинга и адресной доставки фермента в соответствующий компартмент осуществляется в виде отдельных операций манипуляторами устройства управления, точно в соответствии с кодовыми компонентами белка. В результате конформационного преобразования и процессинга макромолекула фермента (белка) приобретает характерную трехмерную конформацию со своими стереохимическими кодами и, в связи с этим, – свой информационно-кибернетический статус. Далее, точно в соответствии с функциональным адресным кодом и кодом каталитической операции фермент, действуя как молекулярный биологический автомат, выполняет определенный тип химической реакции. Если фермент является аллостерическим, то на него могут воздействовать регуляторные молекулы обратных связей, влияя, таким образом, на ход химической реакции. Так происходит реализация управляющей генетической информации. Поскольку каждый фермент способен ускорять лишь какую-то одну цепь реакций данного соединения, не влияя на другие возможные реакции, то в отдельно взятом компартменте одновременно может протекать множество различных химических реакций. В связи с этим можно сделать заключение о том, что других специальных механизмов синхронизирующих работу белков и ферментов, по-видимому, не требуется (кроме сигналов обратных связей или изменения физических и химических факторов микросреды). Если работу трансляционного аппарата рассматривать с информационной точки зрения, то он, как молекулярный биопроцессор, выполняет следующие основные функции:

1) реализацию алгоритма связывания начальной точки считывания матричной цепи иРНК (оперативной памяти) с рибосомой (процесс инициации трансляции);

2) микропрограммное преобразование, в реальном масштабе времени линейных информационных кодов (триплетов) иРНК в линейную аминокислотную кодовую последовательность полипептидной цепи белка (процесс элонгации);

3) реализацию алгоритма процесса терминации (завершения) трансляции. Далее устройство управления биопроцессорной системы осуществляет: 4) конформационное преобразование полипепидной цепи