Автор проекта: Максим Никитин, учёный Научно-технологического университета «Сириус» и Московского физико-технического института (МФТИ), доктор физико-математических наук, автор более 70 научных статей, которые опубликованы в том числе в престижных журналах группы Nature.
Учёный Научно-технологического университета «Сириус» и Московского физико-технического института Максим Никитин совершил прорыв в мире науки, открыв новый фундаментальный механизм хранения информации в ДНК.
Проведённое учёным исследование доказывает, что механизм, которым руководствовались ученые последние 70 лет, был неполным.
Фундаментальный феномен позволит исследователям в облатси генетики 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.
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.
Известно, что длиннейшие цепочки молекул состоят всего из четырех нуклеотидов, обозначенных буквами А, Г, Т, Ц. Они соединены в самых разных последовательностях. Причем две нити ДНК из этих нуклеотидов сплетаются в двойную спираль по определенному правилу: напротив А одной цепи на другой цепи всегда стоит Т, напротив Г — всегда Ц. Такое строгое соответствие или, как говорят ученые, комплементарность, обеспечивает между ними очень прочные связи, за счет чего двойная спираль очень стабильна. Такая структура ДНК позволяет надежно хранить и обрабатывать генетическую информацию, кодирует в нас все — от склонности к заболеваниям до внешнего вида и даже черт характера.
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.
Максим Никитин заинтересовался её короткими цепочками, у которых мало общих букв. То есть они слабо комплементарны. Для образности можно представить «бульон», где плавают вот такие «лохмотья» ДНК. Как поведут две такие цепочки? Если хотя бы небольшое число букв совпадет, они могут слиться, но из-за слабых связей затем развалятся.
На первый взгляд, здесь нечего изучать. В отличие от двойной спирали такие комплексы недолговечны и раньше казались бессмысленными. Но Максим понял, что ДНК имеет уникальную особенность — силу сцепления между короткими цепочками можно очень точно и легко настраивать. В зависимости от того, сколько пар комплементарны между цепями. Причем эту силу можно точно настроить не только попарно, но и между 1000 цепей ДНК.
Покажем на простом примере, как работает новая стратегия Максима. Вот в «бульоне» появилась цепочка, назовем ее A, с какой-то интересной информацией. И есть какая-то цепочка Г, с которой А совсем никогда не должна общаться, они максимально некомплементарны друг другу. Вроде бы передать информацию никак нельзя. И тем не менее это возможно. Как? В «бульоне» может найтись цепочка Б, у которой есть небольшая схожесть с A: они могут слиться, «потусоваться», затем расцепиться. Так вот во время контакта цепей происходит передача информации. Точно такие же контакты в «бульоне» могут быть между другими короткими цепочками — Б «поговорит» с В, а В уже передаст информацию про знаменитую парочку цепи Г.
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 не имеет ограничения по числу взаимодействующих таким образом олигонуклеотидов.
Всё, о чём написано в статье молодого учёного, лежало у всех перед глазами с момента открытия двойной спирали. Почему никто семьдесят лет это не заметил, для него стало загадкой. Но одновременно и очень воодушевляющим фактом — сколько еще интересных открытий ученые-генетики упускают, боясь поставить «каверзный вопрос».
Прорывной характер исследования Никитина состоит в следующем: 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.
Максиму удалось показать, что научная идея намного важнее доступа к супероборудованию и каким-то суперресурсам. Конечно, ресурсы крайне важны для методичного и гарантированного продвижения вперед на уровне государства. Но для отдельного исследователя красивая идея первостепенна. Учёный напутствует школьников и студентов первых курсов: «Большинство из вас могли бы сделать это открытие! У науки еще много неизведанного. Многие неожиданные идеи вы видите каждый день, но проходите мимо. Чтобы увидеть, надо лишь изменить угол зрения. И, конечно, подвергать сомнению, казалось бы, абсолютные истины и слова самых больших авторитетов. Тогда есть шанс увидеть новое!»
https://rg.ru/2023/01/31/v-teni-dvojnoj-spirali.html
