Истории будущего - Дэвид Кристиан

рабочих молекул, преимущественно белков. Затем мы достигнем огромного узловатого кольца ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), которое свободно плавает внутри клетки. Поневоле мы ощутим себя астронавтами, что совершили посадку на обшарпанной космической станции в виде спирали.

Вблизи кольцо ДНК выглядит как ветхая и дряблая винтовая лестница, которая как бы упирается сама в себя. По обеим сторонам молекулярной лестницы, через каждые несколько ступенек, расположены поперечины, каждая из двух половинок оснований, свободно связанных водородными связями. Каждое основание состоит всего из нескольких атомов. Существует лишь четыре типа оснований, поэтому, если раскрасить их, соответственно, в красный, белый, синий и черный цвета, можно мысленно нарисовать, как эти цвета – по два разных цвета для каждой поперечины – повторяются более четырех миллионов раз (судя по всему, случайным образом) и расплываются в бесконечности. Впрочем, предполагать произвол случая будет ошибкой. Генетики в 1960-х годах установили, что «узор» оснований на самом деле образует четырехбуквенный код, содержащий все потребные сведения для создания различных рабочих молекул, которые обеспечивают функционал каждой здоровой клетки кишечной палочки.

Чтобы прочитать этот код, нужно поделить каждое звено молекулы ДНК пополам; это довольно просто, потому что водородные связи между двумя половинками каждого звена слабы. Далее изучаются основания, прикрепленные к обеим сторонам молекулярной лестницы. Каждые три основания обозначают определенную аминокислоту. Например, если читать как бы вниз по одной стороне лесенки ДНК, забыв на время о другой стороне, взгляду предстанет последовательность оснований GAT (гуанин, аденин и тимин), или код ДНК для аминокислоты, известной как аспартат [44]. Следующие три основания, по-видимому, характеризуют другую аминокислоту, и так далее, пусть даже некоторые основания читаются как инструкции «прекратить чтение». Точный порядок оснований действительно имеет значение, поскольку большая часть кода сообщает, как строить – строить белки, строить молекулы, выполняющие большую часть работы по управлению будущим клетки, и белки, к слову, состоят из длинных и строго упорядоченных цепочек аминокислот.

Миллиарды оснований, образующих этот код, состоят из отдельных цепочек – сотен или тысяч оснований, что перечисляют (в тройных связках) последовательности аминокислот, необходимые для построения конкретных молекул, насущных для каждого организма. Эти цепочки оснований суть клеточные гены, а совокупность всех генов известна как геном клетки. Клетки кишечной палочки имеют около трех тысяч генов. (Мы, люди, не сильно превосходим E. coli в этом отношении – у нас от двадцати одной до двадцати пяти тысяч генов.) Большинство генов кодирует белковые молекулы, но некоторые кодируют молекулы РНК, похожие на ДНК, вот только выглядящие как единичные цепочки. Молекулы РНК чрезвычайно важны: они содержат информацию, подобно молекулам ДНК, а еще ведут серьезную молекулярную деятельность, подобно белкам. Список генов варьируется от вида к виду, ибо выживание каждого вида зависит от уникального сочетания рабочих молекул.

Первым шагом всякого размышления о будущем является четкое определение цели. Фактически все цели хранятся в ДНК клетки (в переносном значении, конечно: там нет плакатов «Выживай и размножайся! Еда поможет!», но геном содержит инструкции по производству белков и прочих молекул, которые нужны клетке для выживания в обычной среде обитания). По сути, геном хранит сведения о краткосрочных целях, которых нужно достигнуть ради реализации долгосрочных устремлений к выживанию и размножению. Например, в какой-то миг клетке кишечной палочки придется расщепить молекулы лактозы, и – вуаля! – в геноме найдется инструкция по созданию белка, призванного выполнить именно это действие.

До сих пор мы исходили из предположения, что происходящее внутри клетки зависит от ДНК, словно ДНК – это мостик космического корабля «Энтерпрайз». Но за последние десятилетия было осознано, что на самом деле все не так просто. ДНК содержит информацию, как поваренная книга, и самостоятельно ничего не делает. Поведением клетки в любой момент времени заведует смесь генов, которые используются в конкретных условиях. А указанная смесь определяется активностью так называемых факторов транскрипции, или рабочих молекул, которые улавливают происходящее внутри и снаружи клетки и применяют полученные сведения для «решения» о том, какие новые молекулы нужно произвести или утилизировать. Факторы транскрипции как бы ныряют в ДНК, открывают инструкции по созданию соответствующих молекул и запускают процесс их производства (или останавливают производство белков, нужда в которых отпала). В любой данный момент времени лишь отдельные гены в геноме организма получают «выражение». Остальная часть генома словно отключена и ждет (иногда – целую вечность), когда ее прочитают и используют. Сегодня биологи называют процессы, определяющие, какие гены используются в конкретное мгновение, эпигенетическими; эти процессы не изменяют геном, но воздействуют на способы и сроки выражения тех или иных генов. Эпигенетика – изучение негенетических факторов, устанавливающих, как и когда используются гены. Эпигенетические процессы важны для мышления о будущем клетки, потому что они сообщают клетке, что происходит прямо сейчас и к чему следует готовиться.

Если «воспарить» прямо над кольцом ДНК, мы увидим изрядную эпигенетическую активность: белки и молекулы РНК, вооруженные свежей информацией о надвигающихся угрозах или возможностях, используют свои молекулярные ключи и рычаги, чтобы разрывать определенные звенья ДНК, и либо считывают генетический код этого участка, либо блокируют его выражение. Если необходим новый белок, специальный молекулярный фактор транскрипции путешествует по кольцу ДНК в поисках нужного гена. При обнаружении он отделяет этот участок винтовой молекулярной лестницы, вычленяя некоторые пары оснований, а затем вызывает группу молекул матричной РНК (мРНК). Молекулы РНК считывают и сохраняют последовательность пары оснований в экспонированном гене. Далее выявленный участок может снова быть заблокирован, а молекулы матричной РНК, уже несущие упорядоченный список оснований – рецепт нового белка, – отправляются в слой цитоплазмы для соединения с рибосомой, огромным пятном белков и РНК, этаким молекулярным 3D-принтером. Рибосома захватывает РНК с информацией, считывает упорядоченный список аминокислот, скопированных из ДНК, «шарит» в окружающем слое, выискивая необходимые аминокислоты и фиксирует их в длинной цепочке – в строгом порядке построения определенного белка. Рибосомы работают споро: достаточно всего минуты, чтобы собрать воедино белок с тремя сотнями различных аминокислот, а в клетке одновременно могут трудиться несколько миллионов рибосом, поэтому клетка способна одномоментно производить множество разных белков85. Эта сложная производственная деятельность продолжается непрерывно во всех клетках всех живых организмов и создает постоянно меняющуюся смесь молекул, необходимым клеткам для преодоления надвигающихся кризисов и подготовки к вероятному будущему.

Откуда клетка знает, какие белки производить или производство каких останавливать? Этот вопрос подводит нас ко второму шагу в управлении будущим – к выявлению прошлых закономерностей и оценке содержащихся в них намеков на вероятное будущее. Клетки отправляются на охоту за закономерностями.

Для установления тенденций внешнего мира клетки используют специальные молекулы-сенсоры, этакие коктейльные трубочки, что пронзают мембраны, и часть каждой такой трубочки находится вовне, а часть –