Как в ходе развития белковой жизни молекулы обрели способность хранить и передавать информацию? Учёные МГУ смоделировали на компьютере процесс молекулярной эволюции. Рассказывает Алексей Хохлов, академик РАН, проректор МГУ, зав. кафедрой физики полимеров.
Алексей Хохлов:
В живом организме нет никаких реакций, которых не было бы не в живых системах. Это просто обычные реакции между макромолекулами. Другое дело, что эти реакции происходят и катализируются ферментами, белками-ферментами, глобулярными белками-ферментами, которые обладают исключительно большой эффективностью как катализаторы и большой селективностью. То есть они катализируют данную реакцию, причем очень эффективно. Как все это возникло? Как такие сложные молекулы возникли? Они возникли в ходе молекулярной эволюции. Исходно, когда на каком-то первичном этапе возникали последовательности биополимеров. Это могли быть только случайные последовательности. Затем, в ходе молекулярной эволюции, из этих случайных последовательностей отбирались те, которые наиболее эффективно катализируют те или иные реакции и так далее. Это, по-видимому, был очень сложный процесс и, что тут на настоящем этапе развития науки могут сделать ученые. То, что мы пытались делать – это пытаться моделировать некие элементарные стадии этого процесса на компьютере. Меняли случайным образом последовательность мономерных звеньев и следили за тем как меняются конформации, то есть траектории цепи под воздействием изменения последовательности. И смотрели, так сказать, в ходе этой эволюции, этой эволюционной игры – у нас в конечном итоге будут простые последовательности или будут сложные последовательности, обладающие определенным информационным наполнением. Эти современные биополимеры несут информацию. ДНК несет генетическую информацию организма. Спрашивается, как эта информация могла возникнуть? Вот мы показали, что если просто случайные мутации, то случайная последовательность естественно остается случайной.
Но если мутации возникают по-разному, в зависимости от конформации, скажем цепь, если формируется глобула, то мутация на поверхности происходит чаще, чем в сердцевине глобула, что-нибудь в этом роде. Как только конформации завязываются с вероятностью мутации, сразу же возникает информационная наполненность.
Причем, иногда она возникает, иногда последовательность становится информационно более сложной, а иногда наоборот - деградирует. То есть мы можем моделировать и восходящую и нисходящую цепь эволюции. Эта вот информационная наполненность, кстати, вот для полимеров понятие информационная наполненность – это количественное понятие. И мы можем количественно проследить, как эта информация возникает, когда мутации завязаны с конформацией.
Конечно, вот те белки и те макромолекулы, которые действуют в живых системах, они были действительно отобраны. Последовательность в этих белках были отобрана. Но, мы примерно можем или начинаем понимать, каким образом этот отбор происходил. Но вообще понимание того, как происходила молекулярная эволюция это, безусловно, проблема громадной важности и я думаю, что в этом направлении будет очень много работ в ближайшее время, вот я сейчас вот последние пару лет, возникает просто бум работ, связанных с моделированием возникновения сложностей в гетеро-полимерных последовательностях. В таких вот упрощенных условиях, но, чтобы возникала какая-то сложная последовательность. Или чтобы одна последовательность выживала, а остальные умирали. Это очень сложно вообще вообразить, если у Вас 100 звеньев, и там скажем, 20 сортов мономерных звеньев, то всего возможностей 20 в сотой степени. Громадное астрономическое число, которое невозможно себе представить. А вот можно реализовать такие эволюционные процедуры просто в пробирке, что выживет одна последовательность из всех возможных. Но это обычно происходит как? Мутация, а потом после мутации цепь живет и либо ее съедают другие, либо она размножается лучше, чем та, которая доминировала на данной стадии. Но это обычный дарвиновский механизм. Вообще все биополимеры они биодеградируемы. Они служат пищей для других полимеров.