Волновая генетика

Страница 4

Вводимый Салерно формализм базируется на положении, что вращательные движения оснований ДНК вокруг сахаро-фосфатного остова в представлении уравнения синус-Гордона моделируют нелинейную динамику цепи упруго связанных маятников, каждый из которых как осциллятор представлен канонической парой, содержащей генетическую информацию (последовательность нуклеотидов) в форме некой потенциальной функции. Она отражает специфику водородных связей между парами оснований. Поскольку для АТ-пары водородная связь двойная, а для ГЦ-пары тройная, получается простое правило для создания цепи, соответствующей последовательностям ДНК, то есть можно зафиксировать отношение между силой потенциальных функций АТ и ГЦ пар как 2:3, в то время как отношение между ангармонизмом (нелинейностью, определяемой вращением оснований) и дисперсией (сахаро-фосфатные упругие натяжения) находятся как свободный параметр, фиксируемый в экспериментальных данных. В результате мы обнаружили, что различные участки естественных (природных) ДНК ведут себя по отношению к возбуждаемой на них солитонной волне не одинаково. Кроме того, в отличие от Салерно, мы зондировали естественные и произвольные последовательности ДНК солитонами типа бризеров.

В модели Салерно рассматривается степень свободы характеризующая вращение оснований в плоскости перпендикулярной оси спирали B-формы ДНК вокруг остова молекулы. Такая вращательная динамика играет важную роль в функционировании ДНК, поскольку в определенных случаях это приводит к раскрытию водородных связей комплиментарных пар оснований и к экспозиции их в сферу влияния внешних лигандов. Строгие теоретические расчетные и экспериментальные данные, основанные на кинетике и равновесных состояниях при водородно-дейтериевом обмене в растворах ДНК и синтетических полинуклеотидных дуплексов, дали возможность Салерно предложить реалистическую модель раскрытия когерентных, подвижных сегментов ДНК. Подобные расширенные (10 пар оснований и более) открытые регионы ДНК могут представлять из себя термически активированное (при физиологических температурах биосистем) солитонное крутильное возбуждение двойной спирали. Модель этого возбуждения (движения) предполагает, что каждое основание образует пару с комплементарным (стерически совместимым) основанием с одинаковыми водородными связями, которые образуют упругие тормозящие силы. Вместе с тем, образуется ангармонизм этих связей, так как чередование двойных и тройных связей в последовательностях естественных ДНК неоднородно.

В качестве одной из последовательностей ДНК, в которых возбуждались солитонные, волны по Салерно был взят С-район на 3'-конце вируса саркомы птиц, содержащий 1020 пар нуклеотидов (ASV, штамм Schmidt-Ruppin B). Мы приводим характерные паттерны распределения солитона в одномерном пространстве нити ДНК в зависимости от времени с возбуждением участков полинуклеотида в районе 600-й и 650-й пар оснований. Сдвиг возбуждения всего на 50 пар приводит к резкому изменению траектории движения волны по ДНК во времени: в области 600-й пары солитон неподвижен, а в районе 650-й делает сложные колебания со специфическим спектральным составом. Заметим, что участки запуска солитонов несут определенную функциональную нагрузку в регуляции синтеза белка: в районе 600-й пары оснований располагается два терминаторных кодона T1, а в окрестности 650-й пары размещена Rep-последовательность в сочетании с двумя терминаторными кодонами T1. Аналогичное явление можно наблюдать и на последовательности онкогена v-mos вируса саркомы мышей (Mo-MuSV, 1547 пар нуклеотидов). В районах 1000-й и 1200-й пар спектральный состав колебаний солитона вдоль цепи ДНК резко различается, но в данном случае какую-либо привязку его поведения к регуляторным кодонам сделать трудно, поскольку таковых в этих участках ДНК нет. Тем не менее, сама последовательность нуклеотидов, как это явствует из работы Салерно, а также из указанных примеров, определяет поведение солитонного возбуждения.

Реагируют ли другие типы солитонов на последовательность нуклеотидов? Поскольку для одной из разновидностей солитонов, так называемых бризеров (бионов), известно, что они могут равномерно двигаться, ускоряться или замедляться вблизи неоднородностей, логично было ожидать, что неоднородности в виде чередования АТ- и ГЦ-пар в ДНК также будут модулировать траектории бризеров во времени. Действительно, когда мы взяли участок ДНК из 259 пар нуклеотидов (5'-3'концы) из того же вируса саркомы птиц, то обнаружилось, что инициация бризера с некоторой начальной скоростью в центральном участке выбранного отрезка полинуклеотида вызывает модуляции в его поведении — изменение траектории во времени. Проверка этого феномена была проведена также в модельном эксперименте. Для этого использовали 240 пар нуклеотидов, в которых 120 АТ-пар следовали за 120-ю ГЦ-парами, образуя барьер. Возбуждение проводили на этом барьере, то есть на границе раздела АТ- и ГЦ-массивов. Сразу после инициации бризера последний отражался от ГЦ-массива, двигался к концу цепочки в сторону АТ-массива, отражался от конца цепочки (АТ и ГЦ концы фиксированы), вновь отражался от ГЦ-массива. Далее все повторялось. Если же брали однородную последовательность из 240 ГЦ пар, то бризер оставался неподвижным. Модуляции в поведении бризера обнаружились и при возбуждении солитонной волны на различных зонах исследуемого участка ДНК из вируса саркомы птиц.

Модель возмущений ДНК была развита в том отношении, что вводились локальные возбуждения определенных участков ДНК, в противоположность тому, что делал Салерно, вводя граничные условия в виде упругого вращения всех нуклеотидов справа от начала инициации солитона. Задаваемые возмущения цепочки ДНК были разнообразны как по форме, так и по амплитуде. При использовании определенных начальных условий обнаружилось, что бризероподобные волны возникают на естественных и искусственных отрезках ДНК даже без точного решения уравнения синус-Гордона для бризера.

Выше не раз чисто умозрительно обсуждалась идея «чтения» солитонами первичной структуры ДНК и более высоких уровней ее организации. В данной части работы эта мысль получает определенную физико-математическую поддержку. Хотя солитонные волны в ДНК рассмотрены в предельно упрощенных условиях, без учета влияния структурированной на полимере «воды», которая по топологии, симметрии и метрике в своих фрактальных структурах должна повторять архитектонику ДНК (Бульенков, 1992) и каким-то образом ацептировать солитонное возбуждение и, вероятно, транспортировать его по водному клеточно-межклеточному континууму. В рамках проведенных математических экспериментов обозначилась, и очевидная обратная задача — если солитоны осуществляют «запоминание» структур ДНК в своих амплитудно-траекторных модуляциях, то естественно считать практически возможной генерацию этой информации за пределы ДНК, что коррелирует с нашими экспериментами по дистантной передаче волновых морфогенетических сигналов. В математическом плане это должно найти отображение в форме ретрансляции солитоном последовательности нуклеотиодов (на уровне крупных блоков) в адекватной (читаемой человеком) форме.

Существуют ли солитоны в ДНК и белках в действительности? Были предприняты попытки обнаружения нелинейных волн такого рода на указанных биополимерах in vitro методом спектроскопии корреляции фотонов. Обнаружились эффекты, которые по ряду признаков соответствуют, в частности, процессу спонтанного солитонообразования в рамках явления возврата Ферми-Паста-Улама. С этой целью использовали метод корреляционной лазерной спектроскопии ДНК животного происхождения. Обнаружилось, что при переходе от разбавленного раствора ДНК к полуразбавленному фиксируются аномально долго затухающие колебания плотности гелевого континуума ДНК. Слабозатухающие колебания исчезают по мере перехода от полуразбавленного к разбавленному раствору и в результате уменьшения длины фрагментов ДНК. Эти данные подтверждают предположение о том, что явление самоорганизации волновых (акустических) процессов в ДНК можно ожидать только при таких физических условиях, когда существенную роль играют кооперативные процессы на уровне макромолекулярного континуума молекул ДНК, приближающегося к структуре хромосом. Чем более структура растворов ДНК отличается от архитектоники ДНК в хромосомах (в приводимых экспериментах — это короткие фрагменты полимера), тем менее существенны коллективные дальние (в масштабах макромолекулярных протяженностей полинуклеотида) взаимодействия между цепями ДНК, столь важные для эпигенетических функций генома. Ключевым звеном в данных экспериментах является четкая регистрация для ДНК того факта, который был ранее обнаружен для агарозы и коллагена, а именно практической незатухаемости колебаний биогелей и периодических повторов автокорреляционных функций интенсивности лазерного светорассеяния. Это позволяет рассматривать нелинейную динамику такого рода для ДНК и других информационных биополимеров как проявление солитонных свойств в рамках явления возврата Ферми-Паста-Улама (ФПУ). Нелинейная динамика ДНК, ее гидродинамическое поведение и акустика чрезвычайно чувствительны к внешним физическим воздействиям in vitro — энзиматической рестрикции, разбавлению-концентрированию, нагреву-охлаждению, ультразвуковой обработке, слабым механическим воздействиям, облучению ИК-лазерным полем, электромагнитным полем ФПУ-генератора с широкополосным спектром. Эти и аналогичные факторы могут и должны в той или иной мере оказывать влияние на генетический аппарат в условиях in vivo, искажающее нормальные эпигенознаковые функции хромосом, что также подтверждается в наших экспериментах.