Российский учёный сделал уникальное ДНК открытие⁠⁠

Ученый Научно-технологического университета "Сириус" и Московского физико-технического института Максим Никитин открыл новый фундаментальный механизм хранения информации в ДНК.

Его исследование доказывает, что механизм, которым руководствовались ученые последние 70 лет, был неполным. Открытие стало прорывным в мире науки. Фундаментальный феномен позволит ученым познать природу самых разнообразных процессов и улучшить специфичность генной терапии и безопасность ДНК/РНК-вакцин.

Важность и значимость открытия подчеркивает тот факт, что исследования Максима Никитина опубликованы в одном из самых авторитетных научных журналов мира Nature Chemistry. Российский ученый стал единственным автором статьи, что в подобных изданиях встречается крайне редко.

Первоначальный закон

В середине XX века ученые Д. Уотсон и Ф. Крик сделали гениальное открытие: молекула ДНК имеет две спирально закрученные цепи, которые связаны парами оснований аденин-тимин или гуанин-цитозин. Считалось, что ДНК хранит и обрабатывает информацию за счет структуры двойной спирали - однозначно соответствующих друг другу (комплементарных) молекулярных цепей.

Этот закон показывал возможность восстановления одной цепи за счет другой и объяснял сущность процессов передачи наследственной информации на молекулярном уровне. Привычная сейчас двойная спираль была настолько понятна, что следующие 70 лет ученые придерживались именно этого принципа, закрывая глаза на возможность существования иных взаимодействий.

Новый механизм

Максим Никитин экспериментально доказал, что ДНК может хранить и передавать информацию за счет слабоаффинных взаимодействий, которые реализуются, если молекулы имеют низкое "сродство" друг к другу. Также он показал, что короткая ДНК может регулировать работу гена, даже если не комплементарна ему.

Новое природное явление автор феномена назвал "молекулярной коммутацией". Суть его в том, что информация переносится при взаимодействии коротких одноцепочечных молекул ДНК/РНК или других молекул. В смеси, которая состоит из коротких одноцепочечных и некомплементарных друг другу олигонуклеотивод, одновременно будут сосуществовать самые различные их комплексы. Варианты этих взаимодействий определяются "сродством" молекул и в общем случае описываются открытым еще в XIX веке законом действующих масс о зависимости скорости реакции от концентрации участвующих веществ. При этом такие комплексы будут связаны друг с другом и передавать информацию между собой, даже если какие-то два олигонуклеотида не связываются друг с другом напрямую.

Открытие Максима Никитина позволяет экспериментально доказать факт, который не укладывается в парадигму современной биологии: любая неструктурированная одноцепочечная ДНК может специфично регулировать экспрессию заданного гена безотносительно их комплементарности. Все зависит от наличия в организме других некомплементарных олигонуклеотидов. Кроме того, автор показал, что новое явление позволяет лучше управлять экспрессией генов.

Если в рамках обычной парадигмы комплементарный механизм регуляции допускает около 1012 вариантов регулирования генов, то Максим Никитин показал, что при использовании тех же 20-нуклеотидных последовательностей, можно реализовать не менее 10172 вариаций регуляции деятельности гена. Это в значительной степени превосходит число элементарных частиц во Вселенной, которых "всего" 1080!

Чтобы доказать, что ДНК может образовывать наборы молекул с практически любыми наперед заданными взаимными аффинностями, Максим Никитин показывает экспериментальную реализацию большого разнообразия систем, которые по-разному обрабатывают информацию, начиная с систем, включающих всего три суперкоротких олигонуклеотида длиной в семь азотистых оснований, до ячеек памяти, систем вычисления квадратного корня.

При этом компьютерное моделирование явления коммутации продемонстрировало устойчивую обработку информации и системой, состоящей из 1 000 олигонуклеотидов. Это позволяет создать 572-битную ячейку обработки информации, что превосходит битность всех существующих электронных компьютеров. Примечательно, что предложенная Никитиным модель концептуально вообще не имеет ограничения по числу взаимодействующих таким образом олигонуклеотидов.

"Я обратил внимание на необычное свойство ДНК, которое ровно 70 лет оставалось незамеченным - в тени красоты двойной спирали. А именно на то, что для любой одноцепочечной ДНК (оцДНК) существует великое множество других оцДНК с практически любой наперед заданной аффинностью - свойство, которое я назвал континуумом аффинностей ДНК, - рассказывает Максим Никитин. - Например, возьмем олигонуклеотид из десяти оснований. Тогда полностью комплементарный ему олигонуклеотид будет иметь максимальную силу сродства - аффинность. Если же начать постепенно заменять во втором олигонуклеотиде азотистые основания на произвольные, то их аффинность первому будет падать. При этом, перебирая все варианты оцДНК из десяти букв, для каждой аффинности мы получим множество вариантов, то есть плотный "континуум аффинностей"".

Прорыв в мире науки

Это открытие стало прорывным в мире науки. Фундаментальный феномен позволит ученым познать природу самых разнообразных процессов, начиная от сложных заболеваний, тайн генетики, мгновенной памяти и старения до вопросов возникновения жизни на Земле и ее эволюции. Это же позволит улучшить специфичность генной терапии и безопасность ДНК\РНК-вакцин за счет выявления и снижения побочных реакций на препараты во время лечения.

Для этого требуется создание программного обеспечения нового поколения, которое сможет более точно предсказывать слабоаффинное взаимодействие нуклеиновых кислот, а также анализировать их вовлечение в естественные процессы, принимая во внимание механизм молекулярной коммутации.

В результате, это позволит значительно снизить риски негативных последствий нецелевого редактирования генома пациента и снизить число нежелательных явлений в процессе лечения.

Необходимо отметить, что в молекулярной коммутации способны участвовать не только нуклеиновые кислоты. Белки и малые молекулы также могут взаимодействовать по этому принципу, но предсказать их взаимные аффинности в настоящее время, к сожалению, все еще очень сложно.

https://rg.ru/2023/01/17/uchenyj-universiteta-sirius-i-mfti-sdelal-unikalnoe-otkrytie-v-oblasti-hraneniia-informacii-dnk.html

Результаты исследования опубликованы в одном из самых авторитетных научных журналов Nature Chemistry.

https://www.nature.com/articles/s41557-022-01111-y