От истока генетического кода к технологиям грядущего лидерства

Генетический код, происхождение жизни и ЛУКА

Генетический код – это система, в которой каждому триплету оснований в молекуле РНК соответствует определённая аминокислота. Всего таких кодирующих комбинаций, называемых также кодонами, – 64, а аминокислот, из которых строятся белки в живых организмах, – 20. Эти аминокислоты называются каноническими, поскольку они универсальны для всех известных форм жизни. Природа оказалась удивительно консервативной: всего четыре азотистые основания и двадцать аминокислот используются для создания всего биологического многообразия на Земле. Это поразительно скромный набор, учитывая сложность и разнообразие живых систем.

Происхождение генетического кода остаётся одной из самых глубоких загадок биологии. Мы до сих пор не знаем, как и почему сформировалась именно эта система соответствий между нуклеотидами и аминокислотами. В условиях такой неопределённости любые научные подходы к разгадке этой тайны имеют право на существование.

А что, если генетический код появился в самом начале, и всё происхождение живой материи имеет смысл лишь как развитие вокруг этого кода? Что, если именно он стал первичным семенем порядка, из которого выросла жизнь? Возможно, такой подход способен приблизить нас к заветной истине.

Джордано Бруно, один из самых оригинальных мыслителей эпохи Возрождения, предложил яркую метафору, описывающую поиск истины. В её основе лежит древнегреческий миф об Актеоне, смертном охотнике, который однажды отправился в лес и случайно увидел обнажённую Артемиду, богиню охоты и целомудрия, купающуюся в лесном источнике. Поражённый её красотой, Актеон не смог отвести взгляд и остался наблюдать за ней. Но Артемида заметила его и, разгневанная нарушением своей неприкосновенности, превратила его в оленя. В этом обличье Актеона растерзали его же собственные собаки, не узнавшие хозяина. Бруно использует этот миф как образ: тот, кто находит истину, становится уязвим – из охотника он превращается в преследуемого.

Постановка вопроса о первичности генетического кода сама по себе ещё не раскрывает истины. Однако те, кто задаёт этот вопрос, легко могут стать объектом критики. Кажется, мы на правильном пути. Действительно, генетический код – это информация, а информация не может существовать без отправителя. Следовательно, те, кто ищет объяснение первичности кода, рано или поздно столкнутся с необходимостью признания интеллектуального дизайна. Нас не должны пугать такие обвинения. Такие пудели оленю не опасны. Эта книга не касается вмешательства извне, а сосредоточена на исследовании внутренней логики кода. Если даже этот код был привнесён извне, разве не было бы интересно разобраться в замысле его создателя?

Куда более опасными были бы наскоки со стороны борзых научного мейнстрима. Хотя происхождение кода признано одной из великих тайн природы, методологически эта проблема долгое время считалась малозначимой и не заслуживающей особого интереса. Принято считать, что код играет лишь второстепенную роль как одно из эволюционных преимуществ, которое открыли для себя древние репликаторы – молекулярные комплексы, способные к самовоспроизводству. Такой подход уже привёл науку в тупик. Прежде чем делать выводы о генетическом коде, нужно сначала разобраться, что же представляют собой эти репликаторы. И, более того, решить не менее сложный вопрос – как они «додумались» до генетического кода. Поскольку мы практически ничего не знаем об условиях ранней Земли, о конкретных молекулах и химических путях синтеза в этих условиях, шансы на правдоподобные решения крайне малы. Тема становится спекулятивной и неперспективной. Занимаются ею в науке или те, кому нечего терять, или же те, чей авторитет так велик, что они не боятся гнева богини Артемиды.

Но как подобраться к ответу на вопрос о происхождении генетического кода, не свернув по дороге на догматические представления? Как остаться на этом пути непредвзятым, объективным и честным?

Нам нужно быть готовым к критике некоторых научных подходов к происхождению жизни и генетического кода, которые до сегодня считаются незыблемыми научными столпами. Согласно великому Конфуцию, если хочешь достичь источника нужно плыть против течения. В этом движении против течения надо быть снисходительным к сегодняшним заблуждениям. В поиске фундаментального ответа многим мудрецам приходилось хвататься буквально за всё, что попало. В частности, термодинамическая теория о происхождении порядка из хаоса была возведена здесь до уровня иконы. Исходя из её постулатов, нужно было разбираться с искусственно введенном понятием молекулярного хаоса, предшествующему жизни. А был ли хаос? Законы неравновесной термодинамики являются безусловно сильным методом познания статистических процессов. Но не нужно забывать, что они оперируют в рамках своих определений и ограничений. Их насильственное проецирование на происхождение жизни, только запутало проблему. Разве имеет смысл использовать термодинамику, например, для объяснения таблицы Менделеева или построения таблицы умножения?

Универсальность генетического кода привела к гипотезе общего предка для всех живых организмов, названного ЛУКОЙ (англ. LUCA – Last Universal Common Ancestor). Считается, что ЛУКА появился около четырех миллиардов лет назад, вскоре после того, как Земля достаточно охладилась, чтобы на ней существовала жидкая вода. Самого ЛУКИ давно уже нет. Живые организмы изменились сами и переделали под свои нужды планету. ЛУКА первым «применил» генетический код, и передал его в наследство всем последующим живым существам. Если рассматривать генетический код как послание ЛУКИ, то это послание дошло до нас неизменным через миллиарды лет, пережило все возможные катаклизмы на Земле от Архея до Кайнозоя и теперь содержится огромными тиражами во всех нас. Оно должно быть очень важным. Что же хотел передать нам ЛУКА?

Может ли сам код содержать информацию о том, как он произошел?

Рассмотрим пример кода – периодическую таблицу химических элементов. Из неё мы не узнаем подробностей о её создателе: например, что таблица приснилась профессору Петербургского университета Дмитрию Ивановичу Менделееву, когда он задремал на диване в своём кабинете, не снимая пиджака. Но ведь не это главное, что зашифровано в таблице Менделеева. Её истинная ценность – в структуре: элементы упорядочены по своим атомным номерам и закономерно расположены в рядах и столбцах. Эта система кодирует фундаментальные свойства атомов, отражая их строение – число протонов и нейтронов в ядре. Иными словами, таблица содержит информацию о внутренней природе и происхождении химических элементов. Долгое время с момента составления таблицы в конце 60-х годов девятнадцатого века причина такой кодировки оставалась неизвестной. Однако таблица служила надежным методом поиска новых веществ. Незаполненные окошки таблицы предсказывали не только существование новых химических элементов, но и их приблизительные массы. Только с развитием квантовых представлений о материи стали окончательно ясны принципы организации материи на атомном уровне. Человек получил доступ к энергии атомного ядра доселе немыслимой по своей созидательной и разрушительной силе.

Чему учит пример с периодической таблицей Менделеева? Если есть код, то есть некий принцип, который мог бы объяснить его появление. Нужно доверять паттерну, участвующему в кодировании, если он единым образом описывает код и имеет предсказательную силу. Не надо бояться того, что объяснение такого паттерна на более фундаментальном уровне временно отсутствует. Открытие периодического закона, по сути фундаментального закона построения материи на атомном уровне, предзнаменовало появление новых технологий.

Если бы генетический код имел под собой паттерн, указывающий на его появление, какие новые технологии стали бы возможны? Вероятно, они были бы не менее глобальными как в случае с атомной энергией.

Дело в том, что такой паттерн для генетического кода существует! В настоящей книге мы расскажем о нём, и попытаемся ответить на вопросы, поставленные во вступлении этой книги. Дорогой читатель, пусть чтение этой книги подарит Вам множество радостных моментов. Кто знает, может быть, именно Вы и станете первооткрывателем новых технологий стремительного 21 века, которые завещал нам ЛУКА.

Странное представление о происхождении коня

В начале был хаос – загадочный вихрь из атомов, молекул и молекулярных комплексов, где ноги и отдельные телоподобные объекты могли свободно диффундировать в энергетически насыщенной среде. Каждая нога представляла собой небольшой, но стабильный элемент. Из этого беспорядка зародился конь, лишенный ног, но обладающий потенциалом эволюции. Сначала он передвигался на одной ноге, малой стабильной конечности, взаимодействуя случайным образом со средой. С течением времени коэволюция вмешалась в этот процесс, даруя ему вторую ногу. Теперь конь обрел более длинные ноги, большую устойчивость и, таким образом, существенные эволюционные преимущества (Рис. 1).

Рис. 1: Странная эволюция коня.

На протяжении сотни миллионов лет у коня появлялись дополнительные ноги – три, четыре, пять. Но с появлением пятой ноги случилась неувязка. Пятая нога не приносила преимуществ в передвижении и даже наоборот, увеличивала нестабильность коня в гравитационном поле. Также пятая нога требовала дополнительных затрат энергии. Естественный отбор, в котором минимизация энергии и оптимизация устойчивости являются одними из важных факторов, привели к отбрасыванию избыточной пятой ноги. И вот, после многочисленных сложных этапов эволюционного развития, конь с четырьмя ногами стал воплощением исключительного совершенства.

О подобном происхождении живого из неживого догадывался и древнегреческий философ Эмпедокл. По его словам, «в эпоху Любви родились как попало части первых животных, как-то: головы, руки, и ноги, а потом срослись. А срослось только то, что могло выжить. При этом человеческая голова, сойдясь с человеческим телом, сохранила целое, а к бычьему не подходила, и человек-бык не выжил» (Фрагменты ранних греческих философов, стр. 384, часть I, изд. Наука, Москва).

Эта история о происхождении коня напоминает нам, что гармония может возникнуть из хаоса, где избыточные элементы устранены в пользу эффективности и равновесия.

Дорогой читатель, надеюсь, Вас не смутили такие научные обороты как эволюция, коэволюция, минимизация, а также авторитет древнегреческого философа в законе Эмпедокла, и Вы оценили эту историю как очевидную чушь. Удивительно то, что если мы заменим в этой гипотезе «коня» на «генетический код», и пройдемся по мейнстримным работам в этом научном направлении, то не увидим большой разницы в подходах.

Странное представление о происхождении генетического кода

Применительно к происхождению генетического кода господствует гипотеза о постепенном вхождении аминокислот в генетическую таблицу. Согласно этой гипотезе, сначала генетический код имел только одну наиболее устойчивую аминокислоту (вероятно, прилетевшую на метеорите или синтезированную ударом молнии), потом в ходе эволюции и оптимизации протеинов, к ней присоединялось все больше и больше аминокислот с новыми свойствами. Естественный отбор, мутации и другие эволюционные механизмы должны были направлять эволюцию генетического кода, обеспечивая биологическим системам эффективность кодирования и преимущества в размножении.

Наряду со странностью, такой подход оказывается очень неэффективным. Вместо попыток найти информацию о происхождении генетического кода из него самого, приходится иметь дело с предполагаемым молекулярным хаосом, о котором практически ничего неизвестно. Такая скользкая тропа, оставляет много места для догматических подходов. Мудрецы погружаются в запутанную логику случайностей, забывая, что сам код не случаен и требует более детального рассмотрения.

Генетический код: распределение аминокислот по триплетам баз-оснований

Наиболее распространенным способом визуализации генетического кода является круговая диаграмма (Рис. 2) [1]. Каждый кодон представляет собой тройку нуклеотидов, что обеспечивает максимально 64 (4x4x4) возможные комбинации. В круговой диаграмме триплеты генетического кода, представленные первыми тремя кругами с буквами, начинаются из центра диаграммы и располагаются по направлению к периферии. Каждый круг представляет собой один из четырёх нуклеотидов в кодоне: аденин (A), урацил (U), цитозин (C) или гуанин (G). Например, если рассматривать триплет AUG (start-кодон, помеченный треугольником), то первый круг будет содержать А, второй – U, и третий – G. Периферийный круг содержит информацию об аминокислотах, которые соответствуют каждому кодону.

Рис. 2: Визуализации генетического кода с помощью круговой диаграммы.

Считается, что такое визуальное представление наглядно представляет структуру генетического кода и его связь с кодируемыми аминокислотами. Рассмотрим особенности генетического кода, используя данную диаграмму.

Несколько кодонов могут одновременно кодировать одну и ту же аминокислоту. Это называется дегенерацией генетического кода. Три аминокислоты аргинин (Arg), серин (Ser) и лейцин (Leu) кодируются шестью кодонами каждая. Большинство аминокислот имеют четное количество кодонов, за исключением триптофана (Trp) и метионина (Met), которые представлены всего одним кодоном, а также изолейцина, который имеет три кодона.

Существуют специальные кодоны, такие как AUG (кодон старта), который начинает процесс трансляции, и UAA, UAG, и UGA (стоп-кодоны), которые завершают синтез белка. Кодон старта кодирует аминокислоту метионин, а стоп-кодоны не кодируют ни одну из канонических аминокислот, представленных на диаграмме.

В 1953 году Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон (нобелевские лауреаты по физиологии и медицине 1962 года за открытие двойной спирали ДНК совместно с Морисом Уилкинсом) предложили модель структуры ДНК в виде двойной спирали, что стало ключевым событием в истории молекулярной биологии. Сразу после полной расшифровки таблицы генетического кода они заметили, что третья позиция кодона часто является «вариабельной» (третий круг в круговой диаграмме). Это означает, что изменения в этой позиции могут не привести к замене аминокислоты. Например, кодоны AAG и AAA кодируют аминокислоту лизин (Lys), а кодоны AAC и AAU аминокислоту аспарагин (Asn). В этом случае изменения в третьей позиции G на А или U на C не изменят закодированную аминокислоту.

Некоторые отклонения от универсального генетического кода были обнаружены в прокариотах (археях и бактериях) и митохондриях – мембранных органеллах, присутствующих внутри клеток живых организмов. Например, метаногенные археи приспособили стоп-кодон UAG для кодировки неканонической (не входящей в число 20 аминокислот на представленной диаграмме) аминокислоты пирролизин (Pyl). Считается, что отклонения от стандартного генетического были вызваны адаптацией микроорганизмов к своему уникальному образу жизни, например выработке метана как побочного продукта анаэробного дыхания или энергетической функции как в случае митохондрий. Важно отметить, что несмотря на такие отклонения, стандартный генетический код остается широко распространенным и применяется в большинстве случаев в живой природе в самых разнообразных условиях обитания клеток.

Особый интерес вызывает то, как аминокислоты в генетическом коде разделяются по степени их взаимодействия с водой – на гидрофильные и гидрофобные. Гидрофильные аминокислоты легко образуют водородные связи и активно взаимодействуют с полярными молекулами воды. Гидрофобные аминокислоты, наоборот, отталкивают воду. Боковые цепи гидрофобных аминокислот содержат главным образом неполярные углеводородные группы. Эти аминокислоты предпочитают взаимодействовать с другими гидрофобными группами, образуя гидрофобные, свободные от молекул воды области внутри белковой структуры. Внутри клетки белки обычно складываются таким образом, чтобы гидрофильные части обращены наружу и взаимодействуют с окружающей водой, а гидрофобные части формируют структурные элементы внутри белка.

С момента открытия таблицы генетического кода была выявлена удивительная взаимосвязь между гидрофобностью аминокислот и вторым основанием их кодона. Все кодоны, содержащие второе основание U, соотносятся с наиболее гидрофобными аминокислотами, в то время как кодоны с основанием A связаны с наиболее гидрофильными аминокислотами [2]. Отметим, что U и A являются комплементарными базами-основаниями. Это означает, что они могут образовывать селективные водородные связи друг с другом при взаимодействии между молекулами РНК, образуя пары. В этой паре урацил всегда связывается с аденином, что гарантирует правильное считывание при передаче информации в процессе трансляции.

Как видно, распределение аминокислот по кодонам в генетическом коде не является случайным. Нам еще предстоит разобраться, чем обусловлены эти особенности.

Ключевые молекулярные механизмы генетического кода

Часто утверждают, что генетический код реализуется в рибосоме при считывании информационной РНК (иРНК). Однако более точный и глубокий взгляд показывает: рибосома не создаёт код, а лишь собирает белок, механически соединяя аминокислоты в порядке, заданным последовательностью кодонов. Сам код «прочитан» заранее – на уровне транспортной РНК (тРНК).

Каждая молекула тРНК несёт в себе два элемента: аминокислоту и кодирующий её антикодон. В ней физически соединены два алфавита – нуклеотидный и аминокислотный. Но кто устанавливает это соответствие?

Ключевая фигура в этом механизме – аминоацил-тРНК-синтетаза (Рис. 3). Это не просто фермент, а молекулярный редактор и обучатель: именно она «наставляет» тРНК, присоединяя к ней родную аминокислоту. И это не просто химическая реакция – это акт точной селекции, распознавания и согласования двух принципиально разных молекулярных миров. Процесс состоит из двух этапов. Сначала нужная аминокислота распознается синтетазой и активируется: её карбоксильная группа образует высокоэнергетическую связь с фосфатом AMP. Затем активированная аминокислота переносится на 3'-конец тРНК. Но важно, что до этого синтетаза удерживает тРНК с антикодоном для этой аминокислоты у себя, обеспечивая точное позиционирование.

Рис. 3: Схема селективной сборки траспортной РНК с соответсвующей аминоксилотой при помощи тРНК-синтетазы.

Таким образом, именно в точке контакта синтетазы, тРНК и аминокислоты, возможно проследить истоки самого генетического кода. Можно ли углубиться в эти молекулярные структуры настолько, чтобы реконструировать момент, когда впервые возникла логика соответствия? Исследования генов и структур синтетаз у примитивных форм жизни – архей и бактерий, могут пролить свет на до-рибосомную эпоху, когда код ещё формировался. Если удастся найти синтетазы или тРНК с упрощённой архитектурой, это станет окном в прошлое – туда, где РНК и аминокислоты только начинали «договариваться».

Почему трудно понять происхождение генетического кода?

Предыдущие пункты позволяют взглянуть на генетический код с двух сторон. С одной стороны, перед нами стройная система с внутренними закономерностями. Классический пример – дегенерация кода: одни и те же аминокислоты кодируются несколькими кодонами. Или, например, структурная симметрия по второй позиции кодонов, связывающая гидрофобные и гидрофильные аминокислоты. Всё это наводит на мысль, что генетический код мог возникнуть в рамках некого единого процесса, пока не поддающегося полной реконструкции.

С другой стороны, если обратиться к современному механизму трансляции, становится очевидным, что генетический код как бы реализуется не в одной точке, а разнесен на расстояние на полюса аминоацил-тРНК-синтетазы. В одном полюсе селективно присоединяется аминокислота, в другом реализуется селективное удержание тРНК с соответствующими антикодонами.

Возникает дилемма: следует ли искать принципы происхождения кода внутри самого кода, в его распределении аминокислот по кодонам или, наоборот, углубляться в молекулярные механизмы его реализации, исследуя биохимические особенности взаимодействий тРНК, аминокислот и синтетаз у представителей различных ветвей живого?

Здесь необходима трезвая критическая позиция. Углубление в молекулярные детали современных клеток, каким бы продуктивным оно ни было, не обязательно приближает нас к моменту происхождения самого кода. Современные молекулы – это результат длительной эволюции и отбора, а не его исходная платформа. Мы не можем считать их автоматическим отражением первичных состояний.

Что если гены не предшествовали коду, а напротив – появились как производная уже работающего механизма соответствия между РНК и аминокислотами? В этом случае анализ современных генов и белков, даже таких важных для реализации кода как тРНК синтетаза, – это не путь к истокам, а попытка прочесть исходный чертёж по поздней архитектуре. Тогда углубление в «гены ЛУКИ» может оказаться ограниченным инструментом. Без учёта исторической контекстуальности молекул, без реконструкции их возможных предшествующих состояний, мы рискуем принять результат – за причину.

Если бы нас спросили о происхождении автомобиля, то мы бы без труда ответили бы примерно следующее. Сначала была телега с четырьмя колесами. Автомобиль появился тогда, когда стало возможным заменить лошадь, тянущую телегу, на двигатель. Но если бы мы ничего не знали о телеге, как бы мы смогли прийти к правильному ответу? Вероятно, мы бы заметили общую структуру автомобиля с четырьмя колесами, как необходимое условие для передвижения и додумались бы до того, что все остальное было подчинено наиболее эффектному управлению движением такой структуры. Безумным было бы разделить автомобиль на двигатель, на отдельные колеса, на электрические компоненты и начать углубляться в молекулярные структуры этих частей. Так, например, изучая химический состав шин можно было бы прийти к гипотезе о происхождении автомобиля вследствие эволюции каучука. Углубляясь в электрические компоненты, можно было бы составить красивую гипотезу о происхождении автомобиля вследствие эволюции электрических схем. Недостающее звено эволюции между лампочкой и автомобилем можно было оставить на исследование будущих поколений в полной уверенности ненулевой вероятности такого перехода.

Рис. 4: Гипотеза происхождения жизни из молекулярного хаоса как дойная корова.

Подобная ловушка в познании была описана Готфридом Вильгельмом Лейбницем на рубеже 18 века и получила название мельницы Лейбница. Лейбниц заметил, что если находится внутри мельницы и видеть только вращающиеся шестеренки, то совершенно невозможно понять, для чего эта мельница существует. Обращение Лейбница к методам познания было не случайно. Его современники с удивление обнаружили, что методы познания, основанные не на углублении в детали, а на поиск общих принципов являются наиболее эффективными. Так, например, законы Ньютона явились очень удобными для описания движения тел. Вместе с тем эти законы выглядели парадоксально – они постулировали мгновенное, почти чудодейственное взаимодействие на расстоянии. По счастью, в то время можно было довольствоваться простотой и универсальностью законов. Никто не требовал от Ньютона доказательства существования гравитонов.

Увидеть лес за деревьями в случае с происхождением генетического кода оказывается куда более сложная задача. Мудрецы, разбирая клетку на её отдельные компоненты, продолжают искать происхождение жизни и генетического кода в эволюции РНК, пептидов, или липидных оболочек. Так, например, синтезируя в идеальных условиях каталитически активные РНК они обнаруживают, что такие молекулы не могут сами себя воспроизводить. Эксперименты с липидными оболочками показывают, что они просто не могут решить проблему диффузии для необходимых молекулярных компонент. Мельница Лейбница содержит так много шестерёнок, что в ней хватит места для огромного числа догматических тупиков, подаваемых под соусом молекулярной эволюции из молекулярного хаоса (Рис. 4).