Мутационная наногенетика в системе нанотехнологий Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

мутационная наногенетика в системе нанотехнологий

Наногенетика

Многие генетические процессы

- явления наномира. И не только потому, что участвующие в них нуклеотиды, триплеты и аминокислоты, состоящие из большого числа атомов, молекул, электронов, валентных связей, имеют характеристические на-нометровые размеры (0,3; 1,0 и 0,99 нм соответственно), но и потому, что при их комбинаторике рождается новое качество, проявляющее себя на макро-уровне в виде упорядоченного биологического признака.

К генетическим нанопроцессам с большой очевидностью можно отнести аутокатализ (или репликацию молекулы ДНК) и мутагенез, онтологию которых мы сейчас и

рассмотрим. Но прежде следует сказать, что физико-химическая теория строения генетической материи И.А. Рапопорта рассматривает аутокатализ как высшую каталитическую форму и считает термин «генный аутокатализ» как с точки зрения химии, так и с точки зрения генетики, глубже по содержанию, чем не имеющий такой емкости термин «репликация».

Аутокатализ - процесс тотального обновления генетического материала, происходящий в каждом клеточном поколении и протекающий на границе генетики и химии. Аутокаталитическая матрица, на которой осуществляется генное дублирование, представляет собой квантовую

статистическую систему. Ее скелет состоит из огромного числа дискретных мономерных единиц - генетических нуклеотидов, триплетов и аминокислот. Во время аутокатализа на поверхности генной матрицы, т.е. напротив каждой комплементарной цепи молекулы ДНК открывается виртуальная непрерывная линия незаполненных вакансий. В аутокаталитическом процессе сталкиваются две противоположные по тенденциям упорядоченности статистические системы - генетическая и химическая, причем множество хаотично плавающих в протоплазматической среде индивидуальных химических нуклеотидов, попадая в поле действия стройных матричных мономеров, становятся на путь самоорганизации, кооперируются и начинают подъем к генетическому уровню. При этом в поле притяжения одного аттрактора идут нуклеотиды аденин и тимин, в поле другого - цитозин и гуанин. Теория также постулирует, что сами по себе полные наборы нуклеотидов и аминокислот, взятых в простом химическом состоянии, не переходят в генное состояние и химические обработки не сообщают им генетические свойства.

По завершении процесса аутокатализа возникает новая генная цепочка - новая матрица репродукции, новое поколение генов. Или, говоря на языке молекулярной генетики,

рождается дочерняя комплементарная цепь ДНК.

На молекулярном уровне аутокаталитический процесс обеспечивается полезной работой целого ряда ферментов. Так, в осуществлении синтеза ДНК участвуют:

- РНК-полимераза, инициирующая репликацию ДНК;

- ДНК-лигаза, сшивающая фрагменты;

- топоизомераза, производящая релаксацию молекулы ДНК;

- гираза - фермент, ответственный за деспирализацию ДНК;

- кроме того, белки, дестабилизирующие ДНК.

Благодаря аутокатализу генетическая материя обладает способностью не стареть, продолжительно существовать в высокоупорядоченном состоянии, а также индивидуальностью (неповторимостью) и преемственностью (генотипов).

Аутокатализ - классический пример самоорганизации органической материи, коллективного синергетического процесса возникновения порядка из хаоса. Энтропия аутокатализа абсолютно ничтожна. По некоторым подсчетам, на 10 млрд актов нормальной редупликации приходится одна мутационная ошибка. В этом отношении, с точки зрения термодинамики, генетическое строение выглядит абсолютно идеальным. Даже тогда, когда оно охвачено

генными мутациями или хромосомными перестройками, коэффициент полезного действия нормального аутокатализа равен 100%. Это означает, что единичные мутационные события в ходе аутокаталитического процесса передаются следующим поколениям генов. Уже хорошо известно, что нуклеотиды, триплеты и гены, объединенные в большие генеральные комплексы, способны противостоять тепловому движению, термодинамическим воздействиям. «Атомы» наследственности не подчиняются II началу термодинамики. Точнее, подчиняются самостоятельному закону термодинамики, названному И.А. Рапопортом термодинамикой генома.

Мутагенез - процесс образования наследственных перемен или мутаций, представляющих собой квантовые, дискретные переходы гена из одного состояния в другое. В основе этих переходов лежат самые разнообразные изменения в сложной линейной структуре гена. Это замены нуклеотидов, их добавления или потери, групповые перестановки. «Длина» мутации может варьироваться от 1 до нескольких десятков нанометров. При более массивных нарушениях эта длина может увеличиваться в несколько раз. Во время мутагенной реакции, как правило, один из атомов в нуклеотиде замещается на алкильную группу (алкилирование считается

наиболее эффективной реакцией, но возможны и другие типы замещений) из состава молекулярного мутагена. В результате возникает смешанное состояние. Это состояние, однако, недолговечно, поскольку зарождается конфликт между испорченным, фальсифицированным нуклеотидом и соседними генетическими нуклеотидами с последующим разрывом между ними валентных связей. В результате замещенный нуклеотид подвергается хемостракизму, т.е. отщепляется немедленно после мутагенной реакции либо с небольшим запаздыванием. Таким образом, молекулы, вызывающие мутации, никогда не становятся частью генов, с которыми они взаимодействуют. В связи с этим И.А. Рапопорт приходит к выводу, что генетическое строение строго охраняет себя от химических загрязнителей, старается сохранить чистоту своего состояния.

После удаления фальсифицированного комплекса открывается вакансия, которая может быть быстро заполнена любым другим свободным нуклеотидом. Если освободившееся место займет тождественный нуклеотид, т.е. нуклеотид той же разновидности, что был утрачен (например, аденин ^ аденин), то тогда мы будем иметь дело с так называемой немой, нейтральной мутацией, которая не будет иметь никакого влияния на ферментативную активность,

изменение структуры признака, онтогенетическое развитие в целом. Заполнение вакансии потерянным нуклеотидом называется реверсией. Если же это место займет нуклеотид другой разновидности (например, произойдет замена по типу тимин ^ цитозин), то такая перемена приведет к точечной генной мутации. Поскольку молекула ДНК состоит из четырех разновидностей нуклеотидов - аде-нина, димина, гуанина и цитозина, -только в 75% случаев ген будет представлен в мутантной форме.

Нередко достаточно измениться одному-двум нуклеотидам, и работа сложной генной системы «остановится». (Важно заметить, что именно дробные генные мутации чаще всего избегают репарационного контроля.) И тогда потребуется большое искусство, например, со стороны генных инженеров, чтобы найти в «атоме» наследственности точку поломки и ликвидировать поломку. Нанотехнология обещает создать целый класс так называемых молекулярных ассемблеров (наноботов), которые будут обладать искусством реставрации генома.

Другой тип генной мутации - это так называемая мутация сдвига рамки считывания. Каждый ген, имеющий свою индивидуальную композицию, контролирует последовательность аминокислот в белковой молекуле. В генетике такое соответствие гена

и фермента называется коллинеарностью. Изъятие одного нуклеотида из генной структуры и вслед за этим замыкание генной цепочки в новом порядке ведет к разупорядоченности генетического кода, создает катастрофический хаос в переводе с языка нуклеотидов на язык аминокислот. [енетическое сообщение превращается в «абракадабру». Возникновение «энтропийного текста» возможно и в том случае, если в генетическую матрицу добавляется один нуклеотид.

Если положительные мутационные изменения ведут к усложнению генной структуры, то отрицательные

- к ее деградации. Причем как при естественном мутагенезе, так и при искусственном, минус-мутации преобладают над плюс-мутациями, но не более чем на один порядок.

На волне больших успехов молекулярной генетики ученые стремились свести явления химического мутагенеза к химии нуклеиновых кислот, простой обработки молекулы ДНК разными мутагенами в условиях in vitro. Против такого упрощенного подхода выступали основоположники химического мутагенеза и другие специалисты, считавшие, что генетическое строение в структуре живого - принципиально иное по своей природе, чем химически выделенная ДНК. По их мнению, в биологических системах есть четкие границы между генетическими и химическими телами,

и гены, перенесенные из внутриклеточной среды в химическую среду, превращаются в химические молекулы, лишенные дискретности.

Недавно группе ученых из японского центра геномики RICKEN (руководитель Ichiro Hirao) удалось лабораторным путем получить пару комплементарных друг другу нуклеотидов Ds и Ра, которые, как утверждают авторы, могут заменить природные пары нуклеотидов А-Т (аденин-тимин) или Щ (гуанин-цитозин). Оптимистичные японцы надеются этими искусственными молекулярными заменами расширить генетический алфавит и, как следствие, впервые получить белки, а затем и живые существа неприродного искусственного происхождения. Насколько оправдан такой оптимизм, покажет время.

Представим, что эти «японские» нестандартные нуклеотиды или какие-то другие молекулярные образования искусственного происхождения, призванные осуществлять редакцию генома, в силу каких-то неизвестных нам причин действительно пойдут по следам нормальных нуклеотидов, преодолевая ярусы генного поля, как это делают, например, нуклеотид-аналоги. И далее, оказавшись топологически пластичными, легко займут свободные дискретные вакансии, причем лазейки в генетику для них, скорее всего, будут возникать во время аутоката-

лиза. Допустим также, что соседние нуклеотиды проявят терпимость к этим виртуальным молекулярным вкраплениям, и последние, избежав отторжения, станут реальными и равноправными единицами генетической матрицы. Сам факт возможных множественных точечных дискретных замен нормальных нуклеотидов на что-то молекулярно искусственное будет знаменовать наступление диссонанса в генетической матрице. Непонятно, как поведет себя энтропия в такой гетерогенной системе. В лучшем случае образовавшиеся смешанные, химерные гены не обнаружат внешнего фенотипического выражения, т.е. не будут нормировать никаких биологических признаков, в худшем - есть большая вероятность столкнуться по жизни с чем-то похожим на «героев» авантюрной повести М.А. Булгакова «Роковые яйца». Также неясно, как отреагируют включенные в генетический материал сделанные нуклеотиды или другие наноструктуры, когда подвергнутся воздействию силовых агентов из отделов химического и микрофизического мутагене-зов. Конечно, было бы замечательно, если б они изгонялись из генетического строения, и вновь открывшиеся вакансии снова занимались нормальными нуклеотидами.

Мутационные нанотехнологии

Под мутационными нанотехнологиями следует понимать систему

методов и приемов, с помощью которых осуществляется эффективное экспериментальное вмешательство в аппарат наследственности, причем точками атаки орудий мутационных преобразований становятся внутри-генные материалы нанометрическо-го порядка - нуклеотиды, триплеты, аминокислоты. По мнению одного из ведущих специалистов в области наук

о материалах Е.А. [дилина, нанотехнологии - это потенциальное, зачастую существенное улучшение многих практически важных материалов и устройств. Таким образом, мутационные нанотехнологии есть не что иное, как технологии, позволяющие создавать неповторимые фенотипические новшества - уникальные биологические формы, более гибкие и динамичные, упорядоченные и жизнестойкие, продуктивные. В рамках мутационных нанотехнологий конструирование новых соединений с сильными мутагенными задатками тоже имеет прямое отношение к предмету нанотехнологии, поскольку мишенями их являются гены, располагающие, как мы теперь знаем, нанокорпускулярным комплексом.

На современном этапе одним из самых мощных путей познания генетического наномира и преображения живой природы является методология рапопортовского химического мутагенеза. На базе этой методологии решается глобальная проблема

естествознания: что можно делать с природой, а чего нельзя.

Так, с помощью органических мутагенных молекул, этих «волшебных пуль», сегодня можно проникнуть во многие уголки генетических и клеточных систем, увидеть объект на изломе, в критической ситуации, открыть целый мир новых форм и картин, красоту разрушений и аномалий, развернуть бифуркационные процессы и механизмы критической самоорганизации биологических систем. Молекулярные мутагены многое обнажают, вызывая на свет то реальное, что раньше было тайной и скрыто от прямых наблюдений. С их помощью можно идентифицировать гены в хромосомах, ускорить формообразовательные и селекционные процессы, мобилизовать скрытые генетические ресурсы, за счет которых можно поднять продуктивность сортов основных культур, повысить выживаемость и плодовитость. И, с точностью до наоборот, снизить показатели не жизненно важных количественных признаков; например, содержания белка и жира в молоке, шерсти у овец, шелка в коконах тутового шелкопряда, которые были чрезмерно развиты и упорядочены в ходе искусственного отбора.

Нельзя забывать, что именно с помощью искусственных химических мутаций в начале 1960-х гг. лауреатом Нобелевской премии Ф. Криком

была произведена нормировка генной структуры, благодаря которой и была установлена тринуклеотидная организация наследственного кода.

К сожалению, в аппарате мутационных нанотехнологий не всё так блестяще. Известно, что только

1 х 10-6 - 1 х 10-8 молекул мутагена могут преодолевать мощный барьер и вступать в валентное взаимодействие с одним из нуклеотидов из состава триплетов. Практически все химические мутагены несут с собой энтропию, поэтому они не только созидают, но и разрушают. Во многих случаях хемомутагены вызывают вредные мутации и, как следствие, злокачественные новообразования. Нередко эти агенты действуют антиферментативно, подрывая метаболические и структурные процессы в клетке. В онкологической практике мутагенные вещества, используемые как противоопухолевые препараты, обнаруживают высокую токсичность, их воздействие распространяется на весь организм, затрагивая структурно-функциональную целостность других здоровых тканевых систем. И еще одна из неразрешенных до сих пор проблем экспериментального мутагенеза состоит в том, что трудно предсказать, в силу случайности мутационного нанопроцесса, в каком конкретно гене произойдет очередная мутация и будет ли она положительной, адаптивной или отрицатель-

ной, губительной. Надо сказать, что И.А. Рапопорт был первым ученым, который заговорил об опасности бесконтрольного использования химических мутагенов для окружающей живой природы.

С форсированием нанотехнологий открывается перспектива создания нового класса генетически активных соединений (нанохемомутагенов) с максимально упорядоченными конфигурациями и низкой константой энтропии, действующих более мягко и глубоко, без акцентирования «агрессивности», обладающих одинаково полезными мутагенными и модификационными свойствами и способных, в отличие от рядовых мутагенов:

- легко преодолевать с минимальными энергетическими затратами конденсированные химические и биологические среды, избегать преждевременных реакций с другими молекулами в протоплазматической толще, в общем, избегать внецеле-вых эффектов;

- атаковать сразу множество нуклеотидных мишеней в гене;

- с тонкой избирательностью изменять отдельные генные единицы в одном конкретном триплете, а не атаковать одновременно многие другие точки генома;

- прицельно уничтожать скопления раковых, ставших зловредными, клеток;

- существенно уменьшать общую токсичность и выход грубых хромосомных аберраций, несовместимых с жизнедеятельностью клетки;

- обезвреживать опасные, смертоносные гены, изгонять из хромосом хозяина чужеродные генетические частицы - транспозоны, элементы вирусного происхождения;

- вскрывать созидательные потенциалы немых генов, скрывающихся в (относительно) самой стабильной области генетического строения.

Подобно тому, как звезды, планеты, кометы составляют только 5% Вселенной, а 95% приходится на так называемую темную материю, так и немые гены, представляющие собой генетически инертный материал, составляют 93-95% всего генома. Немые гены, говоря фигурально, связаны обетом молчания и невмешательства в дела генотипа, осуществляющего детерминацию биологических признаков, из которых складывается видовой облик живого. Актуализация энергии немых генов позволила бы преодолеть некоторые эволюционные и онтогенетические запреты, заглянуть в палеонтологическое прошлое или неопределенное будущее.

Дальше можно ожидать, что использование генетически активных наносоединений приведет к синтезу новых генопродуктов, эффективно обезвреживающих канцерогены и му-

тагены, а на фенотипическом уровне

- к улучшению свойств белков, ферментов, клеточных рецепторов. Не исключено, что среди вновь созданных нановеществ окажутся и такие, которые будут вызывать хромосомные модификации. Например, изменения пространственной организации хромосом, которые, в свою очередь, повлекут за собой изменения физико-химических свойств нуклеотидов, триплетов и генов.

В фундаментальном плане нанохемомутагены могут стать новым источником физико-химических измерений генетических мономеров, ценным инструментом для понимания структуры генетического поля, а также открытия новых, доселе неизвестных закономерностей в живых системах. Будут ли наночастицы или наносоединения взаимодействовать с иРНК - вопрос тоже существенный, поскольку, как известно из работ И.А. Рапопорта, до сих пор не было найдено ни одного мутагена, который затрагивал материал информационных рибонуклеиновых молекул. Широкая сфера опытов с использованием генетически активных наносоединений, возможно, поставит в новое положение известные генетические законы, составляющие многое в содержании науки о наследственности и изменчивости.

Прогрессивное развитие нанотехнологий оформит третий этап в экспе-

риментальных исследованиях наследственной мутационной изменчивости. В ближайшее время следует ожидать более широкого развертывания специального направления в мутационной наногенетике - на-нокорпускулярного мутагенеза. По значению он, наверное, не будет уступать микрофизиче-скому и химическому. Методология нанокорпускулярного мутагенеза должна будет заниматься в том числе оценкой генетических рисков искусственно создаваемых наночастиц и наноматериалов. И здесь будет важен каждый штрих.

С другой стороны, чтобы противостоять потенциальным и, вероятно, жестким воздействиям наночастиц на генетические структуры, мутации и модификации, а также на клеточные и биологические системы, необходимо располагать на первых порах какими-то совершенно новыми фундаментальными знаниями. Ведь в «игру» вступает явление новейшего порядка, а надежных теоретических построений, на которые можно было бы опереться при оценке экспериментальных данных, пока нет. Весьма вероятно, что синтетические неорганические и органические наночастицы, выходящие сегодня на первый план, потребуют для собственного анализа создания каких-то других, спе-цифических экспериментальных моделей и систем измерений. Не понимать этого - значит проявить бли-

зорукость. Понимать - оказаться в большом выигрыше.

Нанотехнологии и биологическая катастрофа

Между тем ускоренное экстенсивное развитие нанотехнологии потребует новых подходов к анализу актуальных проблем загрязнения биосферы. Нанотехнологическая «модернизация» окружающей природной среды, безусловно, запустит новый порядок процессов в ней и тем будет оказывать катастрофическое давление на весь живой мир. Ведь хорошо известно, что наночастицы в силу своих сверхмалых размеров и специфических геометрических форм не испытывают пространственных препятствий, для них нет остановок на барьерах. Нет герметически непроницаемых стенок в биологических системах. Путь наночастиц в толще клетки может быть отмечен цепочкой катастроф. Двигаясь по цитоплазматическим туннелям, наночастицы могут действовать крайне неупорядоченно, породить огромное количество свободных радикалов, активных мутагенных молекул, возбужденные и промежуточные состояния. Бомбардировка наночастицами поверхностей биокатализаторов не обязательно разрушит структуру ферментов или изменит их специфику, но она в состоянии вызвать сильные отклонения в их каталитической активности и таким образом способствовать подъ-

ему энтропии. При таком развитии событий логично допустить падение и генетической упорядоченности. Однако генетического апокалипсиса не следует ожидать. Хромосомные материалы, сильно дифференцированные, отмеченные стационарностью, связностью и устойчивостью, наделенные мощным дезэнтропическим потенциалом, вероятно, способны выдержать суровое испытание и оказать наночастицам достойное сопротивление, найдя защиту в дополнительном синтезе гистоновых белков либо в формировании более замысловатых стенок ядерных оболочек, новых заслонов в виде интегрированных внутриклеточных фильтров и ловушек. Можно также ожидать появления уникального класса ферментов репарации и детоксикации, исключающих возможность возникновения фундаментальных безвозвратных дефектов, упреждающих наноатаки на генетические структуры.

Со своей стороны синтетическая органическая химия, биомедицинская химия и фармакологическая стратегия в рамках нанотехнологий должны гарантировать создание новых эффективных средств адаптации, например, антимутагенов или каких-то веществ-«детергентов», связывающих и вымывающих наночастицы из внутриклеточной среды.

Всё это должно естественным образом снять остроту действия на-нокорпускулярных раздражителей,

ослабить их энергетический потенциал.

Стоит напомнить, что современные живые системы имеют большой запас эволюционной пластичности, неисчерпаемые генетические ресурсы устойчивости и упорядоченности, а также какие-то другие, неизвестные нам метафизические механизмы самоорганизации, не позволяющие им - живым системам - стать достоянием палеонтологии.

от нанотехнологии к нанонауке

Как считают специалисты в области нанотехнологий, молекулы ДНК и белков могут стать основами для создания гибридных, смешанных наноматериалов и нанокомпозитов с новыми уникальными свойствами. Предполагается также использование двухцепочечных молекул ДНК в качестве важных элементов для микросхем и замены ими неорганических полупроводников. Фундаментальные результаты по созданию наноконструкций на основе молекул нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), содержащих в своем составе молекулы «гостей» - химические вещества, биологически активные соединения

- недавно получены лабораторией Ю.М. Евдокимова в Институте молекулярной биологии им. В.А. Энгель-гардта РАН. Авторы считают, что такие наноконструкции имеют большую перспективу для практического применения в различных областях науки

и техники - от оптики и электроники до медицины и экологии. В целом же решение задач нанотехнологий, когда искусственно, технологически соединяются образцы мертвой природы с «конструкциями» живой материи, М.В. Ковальчук обозначил как «запуск будущего». В этом плане мутационные нанотехнологии могли бы внести свой революционный вклад, расширив масштабы исходного материала.

Нанонаука и нанотехнологии должны будут найти ключ, чтобы по-настоящему развернуть и поднять со дна клетки все эти созидательные потенциалы, а следовательно, увеличить структурное и функциональное разнообразие и сделать более продолжительным наш онтогенез.

По мнению известного английского биолога-эволюциониста, этолога Р. Докинза, человек вовсе не обязан подчиняться генам всю жизнь. Тем более, если следовать одному из положений генетической теории старения, на поздних стадиях индивидуального развития гены как бы «стареют» и перестают нормально функционировать. Во многих случаях, подобно тому, как один и тот же актер в ходе пьесы появляется в разных ролях, функция одного и того же гена в процессе онтогенеза может менять свой знак с положительного, созидательного на отрицательный, разрушительный. Таким

образом, одной из задач нанотехнологий в рамках научной генетики и биологии должна стать разработка каких-то тонких наномеханизмов, целенаправленно подавляющих активность «плохих» генов или блокирующих включение поздних «летальных» генов (если таковые в природе есть), а также разработка таких искусственных условий, при которых гены потеряют свое влияние на жизнедеятельность клетки.

Что касается химического направления в нанонауке, то, как заметил автор теории супрамолекулярной химии Ж.-М. Лен, проб-лема современной химии в том, чтобы понять природу и законы, позволяющие эффективно и целенаправленно управлять сборкой атомов в новые молекулы. Он также говорит о необходимости поиска ответа на один из важнейших вопросов науки: «Каким образом возникает самоорганизация вещества и как процесс самовоспроизведения привел к появлению во Вселенной новой формы вещества, способной даже размышлять о собственном происхождении?». Согласно точке зрения И.Р. Пригожина, при определенных условиях химическая система может пройти через состояние хаоса и перейти в новое состояние благодаря процессу самоорганизации. Или, как говорит А.П. Руденко, развивавший концепцию элементарных открытых каталитических систем,

лежащую в основе эволюционного катализа, особые неравновесные объекты в химии способны к прогрессивной эволюции, приводящей к возникновению жизни. Однако И.А. Рапопорт придерживается другого взгляда: переход химических форм к новым пикам материальных проявлений возможен, но маловероятен. Всплески химической самоорганизации по подобию, например, генного аутокатализа, исключаются, если в системе не будет поддержки ферментативного аппарата, способного синтезировать материалы, позволяющие развернуть преемственности. Химическая структура, - продолжает И.А. Рапопорт, - находится совершенно в иной плоскости, чем генетическая матрица, и потенциал химического катализа сильно ограничен нестойкостью структуры химических органиче-

ских веществ, которые распадаются в сравнительно короткое время. Таким образом, в отличие от генетических «атомов» (генов), способных в силу своего фундаментального значения к самообновлению, химические атомы и молекулы не способны на создание себе подобных. Термодинамическая избранность фундаментального генетического аппарата, скорее всего, и дала возможность существования живым организмам, которые, по В. [ей-зенбергу, обнаруживают такую степень устойчивости, какую вообще сложные структуры, состоящие из многих различных элементов, без сомнения, не могут иметь только на основании химических и физических законов.

По материалам публикации С.Т. Захидова // Нанотехнологии и охрана здоровья, -2010. - № 3. - С. 28-41,

Внимание!

Антидиарейный препарат Нифуроксазид-Рихтер переименован в СТОПДИАР!

ролик