https://www.dia-m.ru/news/ekstratsellyulyarnye-matriksy-ot-abw/?utm_source=biomol&utm_campaign=banner_up_171122
Подписаться
Оглавление
Биомолекула

Квантовая механика против ДНК

Квантовая механика против ДНК

  • 442
  • 0,0
  • 0
  • 4
Добавить в избранное print
Обзор

В работе английских ученых утверждается, что протоны в ДНК должны часто прыгать. Это напоминает костяшки на счетах. Я не считаю эту теорию стройной, поэтому выбрал в качестве иллюстрации кривые счеты.

Современные работы о появлении в ДНК короткоживущих неканонических пар нуклеотидов оценивают их время жизни в 0,1–10 мс. Эти пары могут быть представлены в том числе редкими таутомерами. Недавня теоретическая статья Джима Аль-Халили и соавторов утверждает, что любые таутомеры в ДНК должны неправдоподобно быстро разваливаться, а протон водородной связи должен постоянно туннелировать между комплементарными нуклеотидами. Потребность опровергнуть английских ученых заставила меня написать продолжение нашей прошлогодней публикации. Чтобы было не скучно читать, я постарался написать о роли квантовой физики и роли физиков в понимании таутомерных свойств ДНК и РНК.

Пролог в Ирландии

Эрвин Шрёдингер издал свою книгу «Что такое жизнь» [2] в 1944 году на основе лекций, прочитанных в Тринити-колледже в Дублине в 1943 г. Думается, время тогда было не самое спокойное и не самое сытое. Появление такой книги во время войны лично меня заставляет усомниться в «пирамиде Маслоу» . Не похоже содержание книги и на явный социальный заказ. Автора точно не просили сформулировать, в каких отраслях экономики Ирландии в скором времени найдут применение результаты его книги, сколько новых наукоемких и высокотехнологичных рабочих мест будет создано, как книга поможет в реализации программ инновационного развития в приоритетных направлениях, одобренных Ирландским парламентом. Закрадывается даже сомнение: может, Шрёдингер задумался на отвлеченную тему как человек «не от Мира сего»? Может, в его случае мотивация была построена именно на возможности ухода от реальности?

Есть такая концепция, что человек должен бы сначала удовлетворить свои потребности в еде, безопасности, общении — и уж потом (видимо, от пресыщения) заняться творческими вопросами.

Вопрос «Что такое жизнь?» волновал физиков и до, и после Шрёдингера. В живых организмах много нерешенных физических проблем, задач и загадок. Тем не менее, проблема, поднятая в книге «Что такое жизнь?», показалась многим физикам настолько важной, что они перешли из физики в биологию, основали молекулярную биологию и совершенно изменили ландшафт современной науки. Проблема эта — ни больше ни меньше, физическая реализация наследственности. Шрёдингер логически доходит до того, что физическим носителем наследственности должны быть линейные молекулы. Подробно объясняет, что для копирования должна быть упорядоченная структура, в чем-то подобная кристаллу. А для кодирования всего имеющегося разнообразия необходимо, чтобы вместо строгой упорядоченности было бы разнообразие и на уровне устройства этой линейной молекулы.

Шрёдингер предлагает формулировку «апериодический кристалл». Однако это не определение, а загадка. В патентоведении есть «формула изобретения», то есть формулировка, максимально сжато отражающая новизну и суть уже сделанного изобретения. А в дзен-буддизме есть другая форма коротких высказываний — «коан»: это когда человеку задают парадоксальную, не имеющую с точки зрения нормальной логики смысла загадку. Например, «Что такое хлопок одной ладони?» Если цель формулы изобретения — в описании уже придуманной идеи или существующей конструкции, то цель коана в том, чтобы человек поменял свой образ мысли. «Апериодический кристалл» Шрёдингера — это не формула изобретения, а скорее коан: утверждение-парадокс, загадка, пробующая взломать мозг того, кто о ней задумался. Квантовая механика была щедра на парадоксы. Да и на «коаны» классики квантовой механики не скупились. Вот, например, полудохлый «кот Шрёдингера» наверняка довел до просветления несколько поколений студентов-физиков.

Пророк и предтеча

Френсис Крик в годы Второй мировой войны занимался разработкой мин. Кому-то из его современников показалось странным, что Крик хочет вернуться в аспирантуру, ведь «военная наука отличается от науки, как военная музыка от музыки». Вернуться в аспирантуру в 31 год, после войны — это было несколько экстравагантно. В 1947 году в Великобритании еще не были отменены продуктовые карточки. Как утверждал Эрвин Чаргафф, до эры молекулярной биологии работать в науке означало «принять добровольный обет бедности» [3]. Видимо, это не останавливало Крика, что опять же заставляет сомневаться в фундаментальности «пирамиды Маслоу». Если свою довоенную тему в аспирантуре Крик считал «самой неинтересной научной проблемой» [4], то в биологию он пришел решать самую важную проблему. Крик признавал, что поменял свое мировоззрение после прочтения книжки Шрёдингера. Раздразнил Шрёдингер очень и очень многих физиков, но мне кажется, он не был единственной причиной массового энтузиазма. Само послевоенное время требовало свершений и подвигов, постановки таких задач, которые казались бы крупными и значимыми. Найти «апериодический кристалл» — это почти как «пойти туда, не зная куда, и принести то, не знаю что». Но время требовало сделать сказку былью по обеим сторонам «железного занавеса», который в то время разделял СССР и большую часть остального мира.

В тандеме Уотсон—Крик по мнению Джеймса Уотсона именно Крик был источником энтузиазма [5]. Опять же, физиком в этом тандеме тоже был Крик, поэтому именно он внедрил в молекулярную биологию революционный подход: сначала придумать, а потом уже найти экспериментально. В современной Крику физике разделение на теоретиков и экспериментаторов уже полвека давало неожиданно хорошие результаты. Казалось бы, разрешили некоторым физикам безответственно фантазировать на манер математиков или философов, назвали их физиками-теоретиками, и вдруг — научная революция! Ситуация, когда возникает некоторое количество людей, способных записать свои мысли в последовательность строгих и проверяемых утверждений — важная составляющая научной революции. Именно появление теорий, а не отдельных утверждений или коллекций фактов, позволяет со временем отточить формулировки и наладить передачу знаний всё большему количеству студентов, то есть ученых в следующем поколении. Ньютон — в механике, Максвелл — в электродинамике, Эйнштейн... «Нет ничего практичнее хорошей теории» — как, вероятно, сказал кто-то из немцев. Надо отметить, что есть теории и в химии, и в лингвистике, и в биологии. Не обязательно теория приводит к радикальной научной революции; иногда она помогает удобно систематизировать факты. Но бывает, что удобная систематизация фактов сразу же правильно воспринимается как новая теория и как новая научная революция. Примером такой революции является появление таблицы Менделеева. Таблица не только показывала, как проще расположить известные химические элементы, но она предсказывала новые элементы и помогала находить новые закономерности. Теория помогает не только объяснять и преподавать, но она способна и предсказывать. В биологии до Френсиса Крика уже была теория эволюции Дарвина. Возможно, теория эволюции вдохновила другого Френсиса — Бернета — на создание клонально-селективной теории иммунитета. Френсис Крик вдохновлялся подходами физики; точнее — он вдохновлялся подходом Шрёдингера: надо хорошо подумать над уже имеющимся фактами и сделать неочевидный для окружающих вывод, который будет восприниматься современниками как пророчество.

В физике традиция хорошо подумать перед экспериментом зародилась гораздо раньше появления профессии «физик-теоретик». Такой подход называется «мысленный эксперимент». Первым в физику такой подход ввел Галилей, использовав его для доказательства того, что все предметы падают одинаково, независимо от своей массы. Галилей предложил мысленно разрезать падающее ядро вертикальной плоскостью на две половины. Очевидно, что половины должны падать одинаково, но также очевидно, что они не помогают друг другу падать быстрее, и если бы они падали по отдельности, то падали бы точно так же. Объединив эти два «очевидных» факта, а также объединив две половины ядра, получаем, что ядро должно падать как каждая из его половин. Галилею не надо было кидать тяжелые предметы с Пизанской башни, чтобы убедиться в своей правоте. Более того, кидать предметы было даже вредно, не только для проходивших внизу пешеходов, но и для научного прогресса. Теория пренебрегала существованием воздуха и его сопротивлением. Теория пренебрегала очевидным фактом: падающий с дерева лист замедляется воздухом при падении. А для количественного изучения свободного падения Галилей придумал скатывать тележки разной массы по наклонным плоскостям. Он замедлил таким образом «падение» и уменьшил значимость сопротивления воздуха. В результате эксперименты можно было проводить со значительно более высокой точностью. Искусство теоретика состоит как раз в том, что из одних очевидных фактов он способен делать неожиданные выводы, а другие очевидные факты способен объявить чем-то неважным. Крик именно этим и занимался в основанной им молекулярной биологии: на долгие годы он разметил карту этой новой научной территории. Он разметил на карте: что важно, что неважно, а что недостижимо. Но первый шаг на эту территорию был сделан Шрёдингером, предтечей Крика.

Отделить зерна от плевел

Молекулярная мимикрия

Рисунок 1. Молекулярная мимикрия. Сверху: гуанин и тимин в обычной таутомерной форме не могут образовать пару, похожую на Уотсон-Криковскую. В центре: пара, сформированная привычным таутомером гуанина и редким енольным таутомером тимина, может мимикрировать под Уотсон-Криковскую пару GC (снизу).

На раннем этапе развития молекулярной биологии теория строилась путем собирания молекулы из проволочек и шариков. Уотсон сознается, что у них не получалось совместить формулы пуринов и пиримидинов, и помог им не случай, а вполне определенный человек. Джерри Донохью подсказал, что в справочниках нуклеотиды нарисованы в не самой убедительной таутомерной форме [5]. Попробовали записать иначе, и — «Эврика!» — получилось совместить гуанин с цитозином, а аденин с тимином, как того и требовали правила Чаргаффа. Ну, раз уж получилось, это как бы доказывает утверждение Донохью, что в справочнике таутомеры ненадежные, и их для начала объявили редкими. Но если записать формулы этих редких таутомеров, то оказывается, что редкий енольный тимин мог бы сойти за цитозин и встать в пару с гуанином (рис. 1).

Редкий имино-таутомер цитозина был бы похож на тимин и, как знать, мог бы сойти за него при копировании (рис. 2А). Это была тогда лишь гипотеза — игра в шарики и проволочки. Тем не менее, эта игра приводила к мысли, что редкие таутомеры могут быть опасны. В первую очередь, редкие таутомеры на том этапе являлись помехой мышлению, как мешало сопротивление воздуха для понимания свободного полета тел. И совсем немного позже Крик догадался, что обычные таутомеры гуанина и тимина (точнее урацила) могут собраться в необычную пару, сдвинувшись или «качнувшись» относительно своих привычных положений в двойной спирали ДНК. Такая wobble-пара действительно оказалась возможна и устойчива (рис. 2Б).

Потенциальная опасность таутомеров

Рисунок 2А. Потенциальная опасность таутомеров. Можно вообразить, что редкий имино-таутомер цитозина мимикрирует под тимин и образует пару с аденином. Сверху — обычная Уотсон-Криковская пара Аденин—Тимин; снизу — пара с участием имино-таутомера цитозина.

«Качающаяся» wobble-пара GU

Рисунок 2Б. «Качающаяся» wobble-пара GU сначала была придумана Криком [6], а потом экспериментально обнаружена. По сравнению с Уотсон-Криковской, wobble-пара не содержит протона между двух азотов (N-H-N). Основания могут образовать две водородные связи, сдвинувшись из привычного Уотсон-Криковского положения — как бы «качнувшись».

Экспериментальное обнаружение GU wobble-пары еще раз подтвердило пророческие способности Френсиса Крика. А вот для редких таутомеров открытие новой пары не сулило ничего хорошего. Из претендентов на роль главных героев их вычеркнули еще в 1953 году, но оставалась возможность побыть главными злодеями (то есть главной причиной мутаций). К сожалению, ни пара GU, ни пара AC не желали формироваться с образованием редких таутомеров. Если редкие таутомеры и были причинами мутаций, то поймать их с поличным за этими темными делишками никак не удавалось. Если бы вместо wobble-пары была обнаружена пара GU с енольным урацилом, то это бы заставило усомниться в редкости редких таутомеров. Скорое экспериментальное обнаружение умозрительной wobble-пары почти не оставило места для редких таутомеров в списке главных ролей спектакля под названием «молекулярная биология» [7], [8].

Сколько чертей может поместиться на кончике швейной иглы?

Таутомерный нуклеотид можно представить, переместив протон от одного атома к другому в структурной формуле. Так, на рисунке 1 можно увидеть структурные формулы для двух таутомеров тимина. Когда в тексте будет встречаться упоминание протона, то всегда это будет H, то есть ядро водорода, а не элементарная частица, входящая в состав других ядер. Можно вообразить, что такой протон отрывается в виде иона H+ и через некоторое время присоединяется к другой части этой же молекулы.

На фоне безуспешных поисков хотя бы одного редкого таутомера в паре нуклеотидов странным может показаться возможность найти пару сразу из двух редких таутомеров. Логика может быть такой: если даже один не выгоден, то два невыгодны вдвойне (или в квадрате?). То есть вопрос кажется не более прагматичным, чем тема средневекового философского диспута, взятая в качестве заголовка к этой главе. Но может быть и другая логика: протон водородной связи N—H···N в паре GC мог бы сместиться от гуанина к цитозину: расстояния там невелики, а протон подвижен. Протон перенесет заряд, но протон другой водородной связи мог бы переместиться от аминогруппы цитозина к кислороду гуанина. Получилась бы пара из двух редких таутомеров (рис. 3).

Двойной перенос протона

Рисунок 3. Двойной перенос протона. Сверху: Уотсон-Криковская пара Гуанин—Цитозин. Снизу: вроде бы эта пара Гуанин—Цитозин похожа на обычную, но представлена редкими таутомерами. Стрелками показано, как сместились два протона вдоль водородных связей.

Если вам не понравилась такая перспектива, то имеете полное право спросить: «А что может заставить протоны скакать?». Если же вдруг вам понравилась картинка с прыгающими протонами, резонно уточнить: «А что может запретить протонам прыгать?». В жидкой воде протоны беспрестанно прыгают от одной молекулы к другой; есть ли какие-то причины не делать этого протонам, «склеивающим» двойную спираль ДНК? Такое перепрыгивание протонов внутри Уотсон-Криковской пары именуется «двойным переносом протона» (double proton transfer) — это на случай, если вы, уважаемый читатель, захотите поискать дополнительно литературу в Pubmed. С 1970-х годов о возможности данного явления высказываются в первую очередь теоретики [9], в том числе отечественные [10]; но как правило подразумевалось, что речь идет исключительно о редкой диковинке, о чем-то короткоживущем.

Недавняя статья Джима Аль-Халили и соавторов поднимает ставки в дискуссии о существовании подобных пар [11]. Авторы утверждают, что мутации могут происходить в 200 раз чаще, чем считалось раньше, но это не самое интересное. Интереснее, что, по мнению авторов, протон водородной связи туннелирует приблизительно каждую микросекунду. Туннелирование протона — явление квантовое, а потому поражающее воображение: частица может обладать энергией меньше, чем величина барьера, и всё же преодолеть барьер. То есть этот процесс шел бы и в ДНК, замороженной в жидком аргоне при сверхнизкой температуре. Протон (ядро легкого изотопа водорода) — это самое легкое ядро. Уж если кто и мог бы туннелировать, так это он. Он и туннелирует иногда: например, вклад туннелирования в таутомеризм тиомочевины считается экспериментально подтвержденным [12].

При таких возможностях протона вопрос «А что может запретить протонам прыгать?» выглядит всё более риторическим. Для тиомочевины от первых попыток экспериментально обнаружить туннелирование до убедительных результатов прошло более 10 лет, но ведь результат труда вполне окупился? Авторы доказали, что в тиомочевине возможны «квантовые эффекты»? Может ли подобных эффектов не быть в ДНК, если они есть даже в тиомочевине или в жидкой воде? Когда Георгий Гамов придумал квантовый туннельный эффект, он объяснил радиоактивный распад и термоядерный синтез. Однако когда много позже Гамов писал статью о том, что в генетическом коде аминокислоте должно соответствовать «слово» из трех последовательных нуклеотидов в ДНК, то почти наверняка он не думал о туннелировании протона [13]. Для объяснения взаимодействия нуклеотидов удобнее считать, что существует только один таутомер, и нет необходимости учитывать туннелирование протона. Но если теория приказывает протону туннелировать каждую микросекунду, то можно ли это игнорировать? Я думаю, что на такие теоретические результаты надо обращать внимание и пытаться как-то подружить их с известными фактами и существующей реальностью. Как я уже написал выше, непротиворечивая и последовательная теория очень важна для дальнейшего процесса получения и передачи знаний.

Должен отметить, что Джим Аль-Халили не рядовой профессор физики — он активный популяризатор науки. На русском издано несколько его научно-популярных книг. Возможно, именно слава популяризатора заставила откликнуться на его новую статью сразу два российских сайта научно-популярных новостей [14], [15]. Для нашей темы, вероятно, важна книга «Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии», написанная в соавторстве с Джонджо Макфадденом [16]. В книге приводятся примеры того, как квантовые эффекты могли бы оказаться важны в биологии. Мне была уже известна книга А.С. Давыдова «Биология и квантовая механика», написанная в 1970-х и не в такой популяризаторской манере, но тоже позволяющая взглянуть на объекты биологии с непривычной стороны [17]. В обеих книгах физики попытались рассказать о том, что еще не сделано в биологии, и это в чем-то напоминает книгу Шрёдингера. Для Джима Аль-Халили, возможно, его свежая статья о туннелировании протонов в ДНК — это попытка самостоятельно взять непокоренную высоту на горном хребте, разделяющем молекулярную биологию и квантовую механику. Эту смелость можно приветствовать. Но я считаю, что, изначально неправильно обозначив цель, профессор Аль-Халили пришел к ошибочному результату. Это не страшно и даже полезно, ведь дает повод внимательнее взглянуть на ДНК.

Неканонические пары

Потенциально нуклеотиды могли бы образовывать пары не только тем способом, который им предписали Уотсон и Крик. Чтобы немного отстраниться от «церковного» языка молекулярной биологии (с ее «центральной догмой»), поясню термин «неканонические». Начнем с самых простых неканонических пар. Речь о том, что те же самые пары нуклеотидов (АТ и GC) можно структурно (пространственно) собрать по-другому и получить что-то относительно устойчивое хотя бы в странных обстоятельствах или на короткое время. Таким образом, неканонические пары — это не про богословские тексты и не про возможность церковной регистрации однополых браков, а скорее про разнообразие поз в «Камасутре». Уже в 1960-х годах Карст Хугстин сообразил, что можно перевернуть аденин на 180o, и геометрия позволит создать две водородные связи в паре аденин—тимин (рис. 4) [18].

Сравните Уотсон-Криковские (канонические) пары и Хугстиновские (неканонические) пары

Рисунок 4. Сравните Уотсон-Криковские (канонические) пары и Хугстиновские (неканонические) пары. Пурин развернулся на 180o, что позволяет создать две водородные связи.

Предсказанные Хугстином пары были впервые обнаружены в пространственной структуре молекул РНК, где обеспечивали изгибы и повороты, то есть часто находились на важных местах. Жесткая структура молекулы РНК как бы делала такие пары наиболее выигрышным вариантом: пары вынуждены были формироваться неканоническим образом под действием обстоятельств. В структуре ДНК перевороту пурина на 180o могут мешать соседи, но тем не менее такие пары обнаруживаются экспериментально. Обнаружение неканонических пар в двойной спирали ДНК — это одновременно крупное достижение в развитии современных методов ЯМР и открытие большой новой области в изучении ДНК. Это достижение принадлежит Хашиму Аль-Хашими, догадавшемуся перенести на изучение нуклеиновых кислот методы, развивавшиеся для изучения подвижности белков [19]. Неканонические пары в ДНК могут быть связаны с частотой мутаций, с узнаваемостью регуляторных последовательностей соответствующими белками, со скоростью проникновения в определенные участки ДНК красителей-интеркаляторов или со скоростью присоединения к ДНК молекул формальдегида. Нас же будет интересовать, что неканонические пары могут быть представлены таутомерами.

Механизм перемещения протона при образовании таутомера не оговаривается, но допустимо рассмотреть и туннелирование. Например, таутомерный цитозин участвует в образовании короткоживущей хугстиновской пары GC [20]. Нами было предсказано существование короткоживущих wobble-GC-пар, вероятно, важных для понимания метилирования цитозина в эпигенетике [21], о чем можно прочитать в нашей прошлогодней публикации на «Биомолекуле» [1]. Даже короткоживущие неканонические пары существуют 0,1–10 миллисекунд. Это совершенно не совпадает с моделью Аль-Халили и соавторов, которая предсказывает появление и исчезновение даже стабильных таутомеров каждую микросекунду (10−6 с). Время жизни короткоживущих таутомеров модель оценивает в наносекунды (10−9 с).

Адвокат дьявола

Несовпадение на 4–6 порядков в эксперименте позволяет не просто усомниться в теории, а считать ее скомпрометированной. Можно громко упрекать авторов, что они не читали современную литературу о таутомерах в ДНК; говорить о том, что в ДНК нет места их «квантовым чудесам»; и настаивать на том, что опыт есть мерило истины. Однако экспериментальный метод, развиваемый Аль-Хашими, сам состоит из теории не менее чем на 50%: это не регистрация стабильного сигнала в ЯМР, а извлечение информации из шума (дисперсии сигнала) на основе теоретического моделирования. Кроме этого, квантовый туннельный эффект — это явление, от которого трудно спрятаться, и просто отмахнуться от него не получится. Размеры в ДНК настолько малы, что, казалось бы, ничего не мешает протону туннелировать.

Попробуем поискать независимые аргументы как за стабильное существование таутомеров, так и против него.

Таутомеры можно было бы непосредственно различить в спектрах ЯМР ДНК, если бы каждая из таутомерных форм существовала относительно долго (например, десятки и сотни миллисекунд). При анализе спектров обращают особое внимание на сигналы от «имино протонов», образующих в паре нуклеотидов водородную связь между двумя азотами N—H···N. Такие сигналы хорошо видны во всех канонических парах, кроме пар на концах двойной спирали, где сигнал размывается из-за более частого взаимодействия с водой и большей подвижности оснований. Если правы английские теоретики, и пара из редких таутомеров существует наносекунды, а пара из стабильных таутомеров — микросекунду, то спектр ЯМР будет предоставлять информацию о более стабильном таутомере, существующем почти в 100 раз дольше. Пара Гуанин—Цитозин демонстрирует, что протон находится возле азота N1 гуанина. Более того, уже почти четверть века развиты методы накопления сигнала «через водородную связь» в Уотсон-Криковских парах, что позволяет получить информацию о состоянии обоих атомов азота, соседствующих с протоном водородной связи и непосредственно визуализировать пары нуклеотидов (рис. 5) [22]. С одной стороны, ЯМР дает непосредственную информацию о положении протона, с другой стороны, ЯМР просто не должен справляться с предполагаемыми временами жизни пары из редких таутомеров.

Характерный вид двумерного 1H15N-спектра ДНК

Рисунок 5. Характерный вид двумерного 1H15N-спектра ДНК в области имино-протонов (водородная связь N—H···N в Уотсон-Криковских парах). Изображен спектр короткого ДНК-дуплекса с последовательностью, показанной слева вверху; каждый ЯМР-пик подписан относящимся к нему нуклеотидом. Проследите: А2 находится точно под Т27, А3 под Т26, А4 под Т25, G5 над С24, С6 под G23, С7 под G22, А8 под Т21, Т9 над А20, Т10 над А19, А11 под Т18, G12 над С17, А13 под Т16. Как же это понимать? А вот как: сигналы от комплементарных нуклеотидов (сверьтесь с последовательностью) находятся на одной вертикали, то есть два азота соседствуют с одним протоном в h-связи N—H···N.

Есть теоретическая статья во вполне престижном журнале, утверждающая, что редкие таутомеры нестабильны как раз из-за квантовых эффектов [23]. Эта статья указывает на особую роль протона в стабильности комплементарных пар. Замените протон на тяжелый дейтерий, и таутомеры могут стать стабильнее? Статья вышла незадолго до того момента, как таутомеры стали экспериментально обнаруживаться в рентгеноструктурных и ЯМР-данных, поэтому отстаивает то, что, по меткому выражению Чаргаффа, «перестало быть правдой». Теоретики, напугавшие нас повышением частоты мутаций в 200 раз из-за туннелирования протона в ДНК, тоже надеются на эксперименты с тяжелой водой. Дело в том, что вероятность туннелирования экспоненциально падает с увеличением массы частицы. Одни теоретики видят в тяжелой воде возможность повысить частоту мутаций, другие — возможность остановить туннелирование, а значит, снизить частоту мутаций. Потенциально это экспериментально проверяемые идеи: проведите ПЦР в одних условиях, но в обычной и тяжелой воде, а потом подсчитайте количество получившихся ошибок.

Есть также экспериментальная работа, пытающаяся ответить на вопрос: часто ли протон перепрыгивает через водородную связь (не обязательно туннелированием) [24]? Автор этой статьи, Ахмед Зевейл, использовал наиболее современную на тот момент технику фемтосекундной спектроскопии. И он мог себе это позволить, так как сам создал эту область науки, за что и был удостоен Нобелевской премии. Использовать ДНК для фемтосекундных исследований было неудобно, так как ДНК не флюоресцирует в видимой области, а потому Зевейл использовал модельный объект — 7-азаиндол — и обнаружил, что протоны в нем перемещаются даже чаще, чем каждую микросекунду. Что можно возразить на этот экспериментальный факт (и можно ли возражать нобелевскому лауреату)? Туннелирование протона, да и просто перенос протона — это явление нежное, не требующее больших затрат энергии, а фемтосекундный лазер — инструмент не только измерения, но и довольно энергичного воздействия на состояние молекулы. Ну примерно, как если бы Левша подковывал блоху десятисантиметровыми гвоздями. Важнее всё же другое: Зевейл выбрал молекулу с флуоресценцией в видимой области, а это оказалась «плоская» ароматическая молекула 7-азаиндола (рис. 6).

Димер 7-азаиндола

Рисунок 6. Димер 7-азаиндола. Кажется, что при переходе в другой таутомер что-то поменялось, но на самом деле система более стабильна: молекула остается плоской и ароматической.

Перенос двух протонов не меняет итоговую геометрию молекулы: оба таутомера продолжают оставаться ароматическими и плоскими. А вот с таутомерами в ДНК всё не так, как в этом модельном объекте. В простом растворе мономера ДНК дезоксицитидина при помощи ЯМР можно обнаружить небольшую долю редкого таутомера по сигналам азота 15N (рис. 7). Оказывается, что, хотя мы не можем увидеть отчетливый сигнал от имино-протона в редком таутомере цитозина, но мы можем увидеть сигналы от азотов этого редкого таутомера.

В двумерном 1H15N-спектре раствора дезоксицитидина можно обнаружить наличие пяти различных «азотов»

Рисунок 7. В двумерном 1H15N-спектре раствора дезоксицитидина можно обнаружить наличие пяти различных «азотов» (показаны стрелками), что объясняется различиями сигнала от атомов азота в таутомерах. Азот аминогруппы, например, соответствует пику в районе отметки 90 (по вертикальной шкале), но, теряя протон, этот же азот смещает свой сигнал в район 150–170.

спектр взят из нашей статьи [21]

Это возможно, потому как в таутомере азот должен поменять гибридизацию, а значит сигнал (химсдвиг) азота должен существенно сместиться и стать примерно как в урациле и тимине. У цитозина также должна поменяться гибридизация и химсдвиг азота аминогруппы. В результате в растворе дезоксицитидина можно наблюдать сигналы не от трех, а от пяти азотов, но два из них — относительно слабые. Изменение гибридизации атомов азота — это указание на изменение их геометрии в таутомерном цитидине. Хотя мы привычно рисуем пары нуклеотидов как плоские конструкции, но в двойной спирали ДНК плоскости оснований в паре находятся под некоторым углом друг к другу — это следствие того, что мы имеем дело не с плоскими, не с ароматическими молекулами. Для туннелирования протона в ДНК необходимо туннелирование не только протона, а также синхронный сдвиг со своих мест тяжелых атомов в цитозине и гуанине. Запрет на туннелирование может быть связан с трудностью обеспечить этот коллективный сдвиг кучи относительно тяжелых атомов. На этом фоне замена легкой воды на тяжелую не должна повлиять ни на что.

Такое объяснение можно считать почти естественным. Ведь и классический эксперимент квантовой механики с одновременным прохождением частицы через две щели тем лучше работает, чем легче частица.

Вероятность туннелирования экспоненциально падает с увеличением массы частицы. В рамках моделей, которые обычно используют для квантово-химических расчетов, тяжелые атомы не должны двигаться. Это так называемое приближение Борна-Оппенгеймера: тяжелые атомы неподвижны, а электроны распределяются на этом атомарном каркасе очень быстро. Протон — наиболее вероятный кандидат на способность туннелировать, но если вместе с протоном должны будут сместиться еще несколько тяжелых атомов, вероятность этого события будет исчезающе небольшой. Необходимость двигать тяжелые атомы совершенно игнорируется в работе Аль-Халили и соавторов. Этот «запрет на туннелирование» естественным образом исчезнет, если мы найдем способ заранее сдвинуть тяжелые атомы в те позиции, которые способствуют туннелированию протона; для этого, возможно, нам придется скрутить или согнуть двойную спираль ДНК. Тогда протон уже вынужден будет переместиться с возникновением редкого таутомера. Как мне кажется, это рождает массу возможностей по управлению возникновением таутомеров и неканонических пар в ДНК.

Вернемся к спектрам ЯМР редких таутомеров цитозина. Возможность наблюдать стабильные сигналы от редкого таутомера — это сам по себе пример относительной стабильности редких таутомеров: ЯМР просто не мог бы зарегистрировать состояния с временем жизни порядка микросекунды. Похоже, в водном растворе редкий имино таутомер цитозина всё же существует достаточно долго. В двойной спирали, защищающей основания от взаимодействия с молекулами воды, условия должны быть даже стабильнее. Впрочем, мы снимали спектр в тяжелой воде и могли нечаянно предотвратить туннелирование. Снимать спектры дезоксицитидина в тяжелой воде догадался мой соавтор Илья Ельцов; это позволило добиться отличных сигналов от «необменных» протонов и увидеть все пять азотов. В био-ЯМР так обычно не делают, и рецензент высоко оценил изобретательность Ильи. Но для ответа на вопрос «туннелирует ли протон в ДНК?» наш спектр не годится хотя бы потому, что нет в тяжелой воде нужного протона. Эх, вот если бы тот же сигнал от пяти азотов увидеть в обычной «легкой» воде... Как же добиться однозначного ответа на вопрос «Туннелирует ли протон в ДНК?». Я же писал всего минуту назад, что разница между теорией и экспериментом — 6 порядков, а теперь не очень доверяю тому, что наш собственный эксперимент может быть засчитан как доказательство. На мой взгляд, такая возможность однозначного и прямого подтверждения есть, но ради нее придется пойти на осквернение святынь.

Ничего святого

Френсис Крик был физиком, перешедшим в биологию. Он использовал приемы мышления, заимствованные в теоретической физике, и поэтому предсказывал некоторые новые явления, что воспринималось как пророчества. Он сделал удивительно много — даже тогда, когда бросил молекулярную биологию и занялся изучением мозга. В нейробиологии, например, Крик воспитал В. Рамачандрана — известнейшего нейробиолога и автора научно-популярных книг. Неудивительно, что Крик считается гением. Удивительнее другое: среди гениев английской науки Френсис Крик занимает особое место — он поднялся на ту ступень, когда ему перестали перечить, и критика его результатов стала практически запрещена. В пантеоне английской науки Крик стал святым.

На мой взгляд, такое до него удавалось лишь Ньютону и Дарвину, а после — уж никому. Два гения эпохи электричества — Фарадей и Максвелл — могли, вероятно, стать такими же популярными, но сознательно не хотели бронзоветь: для них это противоречило их происхождению и, в случае Максвелла, еще и религиозному воспитанию. Отказывались даже от дворянства. Эта «святость» всех троих — Ньютона, Дарвина и Крика — никак не противоречит прижизненным спорам об авторских правах некоторых их ярких достижений. Похоже, в Великобритании наука — это то, во что «верят», и англичане любят немногочисленных святых своей наукопоклоннической церкви, несмотря на их недостатки.

Но самоуверенность и вера в собственные теории не является недостатком теоретика: это скорее необходимая жизненная позиция. Теоретик нуждается в том, чтобы кто-то проверял его теорию на состоятельность, и сам вынужден выступать ее защитником — в конечном счете, не для признания теории догмой, а для установления истины и для дальнейшего развития в понимании природы. Вот создатель клонально-селективной теории иммунитета Френсис Бернет мог спорить сам с собой и сам опровергал свои предыдущие теории, причем экспериментально и прилюдно. Добиться такой беспристрастности обычно очень тяжело; поэтому я, как и англичане, считаю Ньютона, Дарвина и Крика гениями и не осуждаю их самоуверенность и самовлюбленность. Теоретик должен выбрать, что является важным для описания природы, а что — второстепенным. Крик сначала назвал привычные нам таутомерные формы нуклеотидов «хорошими»; потом назвал остальные таутомеры редкими и ответственными за мутации (то есть «плохими»); а затем еще и придумал wobble-пару GU. В рамках картины мира, где научная логика перемешана с некоторым подобием религиозного благоговения перед наукой, Крик отделил «добро от зла и свет от тьмы». В конце 1960-х годов Френсис Крик надолго предопределил представление молекулярных биологов о том, как должны вести себя таутомеры.

За последние 50 лет изучение биологических молекул сделало много шагов вперед. Значительно изменились и качественно усовершенствовались методы рентгеноструктурного анализа. Хотя информация о положении протонов для рентгеноструктурного анализа недоступна, но в некоторых случаях этими методами удалось обнаружить пары нуклеотидов, содержащие таутомер. Спектроскопия ЯМР применительно к растворам нуклеиновых кислот развивалась, возможно, даже более революционно, чем рентгеноструктурные методы. Именно методы ЯМР позволяют получать информацию о протонах, а в случае двойной спирали позволяют с особым вниманием следить за протонами, организующими водородную связь.

Теперь взглянем на пару GU и на то, что о ней знает современная наука. В структуре РНК wobble-пара GU действительно устойчива, но также может сформироваться енольный таутомер урацила и пара GU-enol [25]. Кстати, пару GU-enol тоже можно назвать неканонической, но сравнение с «Камасутрой» тут теряет выразительность. А с чем ее сравнивать? Не задумывайтесь, ведь на самом деле комплементарность нуклеотидов не имеет ничего общего с добром и злом, а также с отношениями между полами. Это просто химия — в самом прямом смысле слова. С точки зрения геометрии пара почти совпадает с «канонической» уотсон-криковской парой GC. В РНК пары GU-enol обнаружены в том числе при формировании дуплекса тРНК—мРНК внутри рибосомы в первой и второй позиции кодона [26]. В первой и второй позициях кодона такие пары приводили бы к вставке неправильной аминокислоты в белок — это так называемые близко узнаваемые тРНК (near cognate tRNA). Относительно третьей позиции экспериментаторы «постеснялись» проверить, нет ли там пары GU-enol, так как именно там Воббл-теория Крика предсказывает наличие пар GU-wobble.

В 2009 году Венкатраман Рамакришнан в своей нобелевской лекции указал на то, что считал одним из важнейших своих результатов. Он исследовал структуру рибосомы и нашел участок, который немного менял конформацию при связывании тРНК с кодоном на мРНК. Рамакришнан — физик-теоретик по своей первой диссертации — предположил, что этот участок проверяет правильность связывания, и изменение конформации необходимо, чтобы процесс шел дальше. Рамакришнан ошибался, причем ошибался именно как физик-теоретик.

Чтобы понять ошибочность находки нобелевского лауреата, достаточно цепочки рассуждений короче, чем мысленный эксперимент Галилея с разрезанием ядра: правильный кодон от ошибочного может отличаться всего на одну водородную связь. Конечно, если вместо пары АU предложить пару АG, то такая пара не будет «влезать» в рибосому и может помешать дальнейшему изменению конформации. Но пара GU-enol мимикрирует под пару GC и геометрией, и количеством водородных связей. Они слишком похожи. Это взаимодействие, правильность которого невозможно «проверить», не разрушив, согласно представлениям квантовой механики. То есть квантовая физика даже при самом поверхностном применении позволяет обогатить логику наших рассуждений о биомолекулах.

Ошибочность механизма «проверки» была продемонстрирована экспериментально Маратом Юсуповым и соавторами уже в 2011 году [26]. В их работе показано, что пара GU-enol в первой и второй позиции кодона хотя и неправильны, но конформация участка, найденного Рамакришнаном, меняется так же, как при связывании с правильными тРНК. Это не только пример, что ошибаться могут и физики, ставшие нобелевскими лауреатами за достижения в молекулярной биологии. Это пример того, что пара GC и пара GU-enol являются ближайшими аналогами. Для нас пара GU-enol может стать аналогом тележек, которые Галилей использовал, чтобы растянуть «свободное падение» по времени. Пара GU даст нам шанс увидеть сразу два варианта таутомеров и изучить переходы между ними.

Двумерный 1H15N-спектр тРНК

Рисунок 8. Двумерный 1H15N-спектр тРНК. В структуре образца содержится пара GU. В спектре есть сигналы от четырех азотов, находящихся на одной вертикали (зеленая рамка). Мы предполагаем, что это две формы пары GU-enol.

Марат Юсупов и соавторы благоразумно не стали ниспровергать теорию Крика, ведь это могло заставить рецензентов усомниться в точности экспериментов. Для меня же именно желание опровергнуть Воббл-гипотезу стало стимулом к тому, чтобы найти доказательства существования стабильных пар GU-enol. Уже больше 10 лет назад мы с Владимиром Анатольевичем Резниковым написали небольшой препринт, где привели примеры двумерных 1H15N-спектров образцов РНК, содержащих пары GU во вторичной структуре [27]. Перед тем, как искать пару GU-enol — этого «чёрта на кончике иглы» — экспериментально, мы сначала поискали признаки его существования в литературе. И нашли! У всех выбранных нами спектров была общая характерная особенность: на одной вертикали находилось четыре сигнала, как если бы совпали сигналы от Гуанина, Урацила, Цитозина и Аденина (именно так сверху вниз расположены сигналы в двумерном спектре ЯМР (рис. 8) [28].

Мы предположили, что это был протон между двух азотов пары GU-enol. Протон иногда перепрыгивал, гибридизация двух азотов менялась, и получалось, что мы наблюдаем четыре формы азота (рис. 9). То есть мы предположили, что сигнал «аденина» — это на самом деле енольный гуанин, а сигнал «цитозина» — енольный урацил. Но одновременно с этим мы предполагали, что авторы всех тех статей, откуда мы взяли спектры, ошиблись с интерпретацией своих результатов. С одной стороны, конформационно менее подвижная структура молекулы РНК могла заставить пару GU-enol стать стабильной, ведь стабилизируются же в структуре РНК Хугстиновские пары, например. С другой стороны, не могли же авторы нескольких статей ошибаться одновременно? С третьей стороны... Да, это не монета и не медаль, тут есть и третья сторона. Так вот, с третьей стороны, на тот момент, когда снимались эти спектры, никто и помыслить не мог о возможности встретить в РНК пару GU-enol, да тем более сразу в двух вариантах. То есть такая возможность даже не рассматривалась при авторской интерпретации.

Два варианта пары GU-enol

Рисунок 9. Два варианта пары GU-enol. Сходство с двумя вариантами пары GC (рис. 3) налицо. Если эти два состояния видны в спектре ЯМР как отдельные, то туннелирование протона происходит редко. Выделенные красным атомы азота могут отвечать за появление четырех «различных» сигналов от азота при одном протоне (тех самых, что обведены в рамку на рис. 8).

Должен признаться, что именно профессор Резников указал мне на то, что выходило, как будто две формы пары GU-enol очень долго существуют в самостоятельном состоянии, не переходя друг в друга: иначе ЯМР бы их не заметил. Две стабильные формы пары GU-enol — это тот случай, когда туннелирование протона должно приводить к формированию почти такой же пары. Глубина потенциальных ям должна быть сравнима. Это очень удобный объект для изучения нашего вопроса. Также должен отметить, что все спектры сняты в условиях, принятых для био-ЯМР, то есть доля тяжелой воды в растворе не превышала 10–15%. Именно регистрация в ЯМР двух форм стабильной пары GU-enol была бы, на мой взгляд, наиболее весомым аргументом против теории о постоянном туннелировании протона с частотой раз в микросекунду. Мы увидели бы, что протон редко туннелирует даже между состояниями, очень близкими по энергии.

Пара GU-enol — стуктурно очень близкий аналог Уотсон-Криковской пары GC, а пара G-enolU очень близка к паре из двух редких таутомеров на рис. 3 (который очень похож на рис. 9). Хотя работа Джима Аль-Халили и соавторов написана на примере пары GC, но как раз пара GC не может внести существенный вклад в мутации. Ведь пара комплементарная, ужасно правильная и хорошая, и мимолетное перепрыгивание протона не отменяет самого факта комплементарности. А вот существование стабильной пары GU-enol — это и возможность обмануть систему репарации, и возможность внести ошибки при транскрипции, и возможность появления мутаций при репликации. От последнего может защитить в том числе замена урацила тимином, что позволяет дополнительно стабилизировать кето-таутомер. Дело за малым: нужно экспериментально создать образец со стабильной парой GU-enol. Это позволило бы при помощи ЯМР убедиться в возможности длительного существования пар с рисунка 9. А также больше понять про репликацию, транскрипцию, трансляцию и механизмы мутаций.

А я еще получил бы возможность опровергнуть Френсиса Крика и переписать учебник, после чего был бы предан анафеме английскими учеными как опасный еретик. Как написал французский молекулярный биолог Жак Нинио, когда-то возражавший Воббл-гипотезе: «Эта секта никогда не откажется от своего катехизиса». Да, это он о молекулярных биологах. Его мнение о воббл-гипотезе можно прочитать на его личной странице. Профессор Нинио даже ушел из молекулярной биологии и стал нейробиологом, специалистом по физиологии зрения. Френсис Крик, написавший когда-то положительный отзыв на критическую статью молодого Нинио, тоже, как известно, ушел из молекулярной биологии в нейробиологию. Точных причин ухода мы не знаем; хотелось бы думать, что они позитивные — ведь в нейробиологии действительно много интересного. Возможно, однако, Френсис Крик не очень комфортно чувствовал себя в ситуации, когда все его гипотезы автоматически признавались истиной, и толпы поклонников в своих лабораториях старались сделать всё, чтобы доказать его правоту и понравиться рецензентам. Это ведь прямо противоположно тому, что должен делать экспериментатор с интересной гипотезой.

Давайте теперь кратко резюмируем аргументы «за» проверку возможности туннелирования протонов при помощи пары GU:

  1. Пары GU-enol являются ближайшим структурным аналогом Уотсон-Криковских пар GC.
  2. Существуют современные работы, обнаружившие пары GU-enol как рентгеноструктурными, так и ЯМР-методами. В последнем случае речь идет о короткоживущих парах в образцах ДНК-дуплексов.
  3. Литературные данные (спектры ЯМР) указывают на потенциальную возможность обнаружить стабильные пары GU-enol в РНК-дуплексах.
  4. Одновременно с парами GU-enol в тех же образцах ожидается существование стабильной пары G-enolU, что доказывало бы отсутствие существенного вклада туннелирования протонов в таутомерию нуклеиновых кислот.
  5. Обнаружение стабильных пар GU-enol внесло бы существенный вклад в понимание процессов мутагенеза, а также позволило бы пересмотреть причины вырожденности генетического кода.
  6. Предлагаемый теоретиками метод проверки с заменой обычной воды на тяжелую вполне выполним на том же образце и не должен существенно повлиять на соотношение таутомеров и частоту взаимопревращений.
  7. Объяснить запрет на туннелирование протона в ДНК можно, если учесть неплоское строение нуклеозидов и необходимость смещения тяжелых атомов.

Аргументов против, кажется, немного:

  1. почему-то до сих пор никто не нашел стабильные пары GU-enol до нас (это весомый аргумент при оценке грантовой заявки);
  2. такая проверка требует усилий, оборудования и финансирования;
  3. подобная работа может показаться крайне неуместной здесь и сейчас. Например, у экспертов может возникнуть вопрос, удастся ли опубликовать результат в ведущих иностранных журналах или в ближайшее время внедрить в экономику России.

Настоящее чудо

Квантовая механика иногда получает результаты, похожие на чудо: туннелирование, запутанность, потенциальная возможность решать сверхсложные задачи на квантовых компьютерах. Есть среди чудес квантовой механики и воздействие наблюдателя на результат эксперимента. Вот только теоретическое предсказание туннелирования никак не может повлиять на частоту мутаций в ДНК. Если теория предсказывает, что «мутации должны быть в 200 раз чаще», то это не значит, что после выхода статьи реальность изменилась, и теперь частота мутаций подскочит в 200 раз. Не так громко, но ближе к реальности можно было бы утверждать, что, если теория английских ученых верна, то 99% мутаций должны быть связаны с туннелированием протона. Такое утверждение было бы оспорено специалистами по мутациям, ведь мало кому хочется читать, что он занимался менее чем 1% от всех причин мутаций. Еще более вероятно, что значительное число критиков уцепились бы за словосочетание «если теория верна». Найти неточности, вероятно, можно во многих теориях, но я предлагаю читателю удивиться не тому, что теоретики ошиблись, а тому, что природа не ошибается при копировании ДНК.

С точки зрения Эрвина Шрёдингера, одним из чудес квантовой механики является передача наследственной информации между поколениями живых существ. Передавая свои гены потомкам, каждое живое существо копирует с высокой точностью огромное количество очень маленьких «букв». Если ограничиться упоминанием только «высокой точности и огромного количества», то кажется, что квантовая механика ни при чем. Копирование же с высокой точностью очень маленьких букв — это задача, точно попадающая в компетенцию квантовой механики. Водородная связь между комплементарными нуклеотидами — это квантовый объект. Чудо, что для объяснения точности копирования ДНК не пришлось использовать язык квантовой механики. Физики могли бы ожидать, что протон в этом месте будет вести себя как обычно, то есть будет туннелировать. Чудо было бы как раз в том, что туннелирование протона не происходит в таком маленьком объекте. Чудо, что малый размер нуклеотидов не создает проблем с их копированием. Это требует отдельного и строгого объяснения на языке квантовой механики.

Я предложил только относительно простое объяснение, связав туннелирование протона с необходимостью синхронного смещения сразу нескольких тяжелых атомов и перестройкой электронной плотности. То есть сами нуклеотиды так устроены, что защищены от частого туннелирования протона. Геометрия, электронная система нуклеотидов и протон водородной связи взаимодействуют как-то очень глубоко и делают пары стабильными, а хранение и наследование генетической информации — надежным. Я не удивлюсь, если строгое объяснение будет значительно сложнее. Сейчас мое объяснение просто строится на том, что туннелировать приходится не легкому протону и даже не двум легким протонам, а кооперативно с протоном еще азотам и углеродам. Это объяснение не требует усложнения концепций самой квантовой механики. А ведь, возможно, Шрёдингер надеялся, что внимательный анализ молекулярных механизмов биологической наследственности сделает богаче его родную науку — теоретическую физику и квантовую механику. Согласно воззрениям теоретиков, туннелирование проходит крайне быстро [29]. Туннелирующий протон вполне мог бы нарушать приближение Борна—Оппенгеймера, а в нашем случае и более тяжелые атомы должны были бы его нарушать. Более полное описание ситуации с туннелированием могло бы быть не только сложнее обычных ситуаций, привычных для квантово-химических расчетов, но более сложное описание рождало бы и более глубокие причины для запрета на туннелирование. И я не расстроюсь, если правильное объяснение будет отличаться от моего.

Я не знаю, к чему приведет понимание того, что ДНК защищена от «квантовых помех». Меньше всего хотелось бы, чтобы мой текст воспринимался как попытка «щелкнуть по носу» английских теоретиков, сделавших ошибку в работе. Может быть, эта тема вернется из биологии обратно к физике? Ведь если есть молекулы, где протон туннелирует, и есть те, где протону запрещено туннелировать, то в перспективе туннелированием можно было бы управлять. Если элементарные кирпичики ДНК устроены так, что способны подавлять квантовые эффекты, то можно ли это использовать для лучшего хранения компьютерных данных? Можно ли использовать эти эффекты для «квантовых компьютеров»? Или, быть может, это открывает новые перспективы для биомедицинских исследований? Например, управляя конформацией биомолекул и переносом протонов, можно было бы управлять активностью лекарств. Я не знаю, в каком направлении будет преимущественно применяться способность нуклеиновых кислот управлять положением протонов водородной связи, но я верю, что такое применение найдется. Также я верю, что в ближайшее время в науке будет сделано много нового и позитивного.

А про туннелирование протона в ДНК — я надеюсь, что при благоприятном стечении обстоятельств можно получить ответы на главные вопросы уже в ближайшем году. Предлагаю всем желающим поучаствовать в обсуждении, а может быть, и в эксперименте. В следующем году будет 80 лет с момента прочтения Шрёдингером лекций в Дублинском университете и 70 лет открытию двойной спирали ДНК Уотсоном и Криком. Чудо, что в это время мы оказываемся близки к тому, чтобы узнать про ДНК что-то новое и немного лучше ответить на вопрос Шрёдингера «Что такое жизнь?».

Благодарности

Я признателен своим коллегам Илье Ельцову и Родиону Андрееву за обсуждение проблемы туннелирования протона в ДНК. Благодарю Елену Александровну Зубову за то, что летом этого года, путешествуя по России, она смогла посетить в Красноярске Институт биофизики и обсудить со мной мои домыслы о причинах нетуннелирования протона. Именно в диалоге с Еленой Александровной дозрела идея, что корректное описание туннелирования протона в ДНК требовало бы также туннелирования нескольких тяжелых атомов. Я признателен Елене Александровне за прочтение текста и замечания стилистического характера. Я искренне благодарен Владимиру Анатольевичу Резникову, впервые обратившему мое внимание на аномальную стабильность «редких» таутомеров в паре GU-enol и поддержавшему меня в поисках редких таутомеров еще тогда, когда это не было модно. Благодарю за обсуждение этого текста Дмитрия Маратовича Грайфера, уже десять лет помогающего мне переводить свои сочинения (в том числе откровенно еретические) на приемлемый для молекулярных биологов язык. Также хочу отдать дань памяти покойному Святославу Петровичу Габуде, который еще 11 лет назад при обсуждении обычного (без редких таутомеров и неканонических пар) спектра ЯМР ДНК заявил, что тут есть что-то необычное. Он, как специалист по ЯМР, нашел удивительным, что водородные связи внутри ДНК очень стабильны. С одной стороны, были бы водородные связи в ДНК нестабильны, неизбежно большое количество мутаций привело бы к катастрофе ошибок, жизнь не развилась бы до пристойного уровня, и мы бы не разговаривали с профессором Габудой. С другой стороны, профессор Габуда на своем опыте знал, что водородные связи обычно очень динамичны, и был удивлен, что стабильность передачи наследственной информации видна уже в спектрах ДНК в водном растворе. Я благодарен редакции «Биомолекулы» за возможность рассказать про интересующую меня тему еще до публикации в научных журналах. Огромное спасибо редактору и рецензенту, чьи замечания заставили меня поработать над наглядностью и аргументацией. И, конечно же, я благодарен Джиму Аль-Халили и его соавторам, чья работа послужила для меня поводом для написания этого текста.

Литература

  1. Неканоническая ДНК;
  2. Erwin Schrödinger, Roger Penrose What is Life? — Cambridge University Press, 1992;
  3. Чаргафф Э. Белибердинское столпотворение // сборник «Краткий миг торжества. О том, как делаются научные открытия» (составитель Черникова В.). М.: «Наука», библиотека журнала «Химия и жизнь», 1988. — 334 с.;
  4. Крик Ф. Что за безумное стремленье! М.: «АСТ», 2020. — 320 с.;
  5. Уотсон Д. Двойная спираль. М.: «АСТ», 2019. — 256 с.;
  6. F.H.C. Crick. (1966). Codon—anticodon pairing: The wobble hypothesis. Journal of Molecular Biology. 19, 548-555;
  7. Gary J. Quigley, Alexander Rich. (1976). Structural Domains of Transfer RNA Molecules. Science. 194, 796-806;
  8. J E Ladner, A Jack, J D Robertus, R S Brown, D Rhodes, et. al.. (1975). Structure of yeast phenylalanine transfer RNA at 2.5 A resolution.. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.. 72, 4414-4418;
  9. J. Catalán, P. Pérez. (1979). Photoinduced double proton transfer in a model hydrogen bonded base pair. Theoretical study. Journal of Theoretical Biology. 81, 213-221;
  10. Poltev V.I., Kosevich M.V., Shelkovskiĭ V.S. (1995). The mechanism of tautomeric transitions of nucleic acid bases with limited access to water molecules. Molekuliarnaia Biologiia. 29, 376–382;
  11. Louie Slocombe, Marco Sacchi, Jim Al-Khalili. (2022). An open quantum systems approach to proton tunnelling in DNA. Commun Phys. 5;
  12. Hanna Rostkowska, Leszek Lapinski, Maciej J. Nowak. (2018). Hydrogen-atom tunneling through a very high barrier; spontaneous thiol → thione conversion in thiourea isolated in low-temperature Ar, Ne, H2and D2matrices. Phys. Chem. Chem. Phys.. 20, 13994-14002;
  13. У истоков генетического кода: родственные души;
  14. N+1: «Квантовое туннелирование вызвало мутации в ДНК благодаря взаимодействию с окружением»;
  15. Naked Science: «Квантовые процессы приводят к появлению мутаций в структуре ДНК»;
  16. Макфадден А.-Х. Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии. СПб: «Питер», 2017. — 416 с.;
  17. Давыдов А.С. Биология и квантовая механика. Киев: «Наукова думка», 1979. — 296 с.;
  18. K. Hoogsteen. (1963). The crystal and molecular structure of a hydrogen-bonded complex between 1-methylthymine and 9-methyladenine. Acta Crystallogr. 16, 907-916;
  19. Evgenia N. Nikolova, Eunae Kim, Abigail A. Wise, Patrick J. O’Brien, Ioan Andricioaei, Hashim M. Al-Hashimi. (2011). Transient Hoogsteen base pairs in canonical duplex DNA. Nature. 470, 498-502;
  20. Atul Rangadurai, Johannes Kremser, Honglue Shi, Christoph Kreutz, Hashim M. Al-Hashimi. (2019). Direct evidence for (G)O6···H2-N4(C)+ hydrogen bonding in transient G(syn)-C+ and G(syn)-m5C+ Hoogsteen base pairs in duplex DNA from cytosine amino nitrogen off-resonance R1ρ relaxation dispersion measurements. Journal of Magnetic Resonance. 308, 106589;
  21. Denis A. Semyonov, Ilia V. Eltsov, Yury D. Nechipurenko. (2020). A New Bias Site for Epigenetic Modifications: How Non‐Canonical GC Base Pairs Favor Mechanochemical Cleavage of DNA. BioEssays. 42, 2000051;
  22. Andrew J. Dingley, James E. Masse, Robert D. Peterson, Michael Barfield, Juli Feigon, Stephan Grzesiek. (1999). Internucleotide Scalar Couplings Across Hydrogen Bonds in Watson−Crick and Hoogsteen Base Pairs of a DNA Triplex. J. Am. Chem. Soc.. 121, 6019-6027;
  23. Alejandro Pérez, Mark E. Tuckerman, Harold P. Hjalmarson, O. Anatole von Lilienfeld. (2010). Enol Tautomers of Watson−Crick Base Pair Models Are Metastable Because of Nuclear Quantum Effects. J. Am. Chem. Soc.. 132, 11510-11515;
  24. Oh-Hoon Kwon, Ahmed H. Zewail. (2007). Double proton transfer dynamics of model DNA base pairs in the condensed phase. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.. 104, 8703-8708;
  25. Franck A.P. Vendeix, Frank V. Murphy, William A. Cantara, Grażyna Leszczyńska, Estella M. Gustilo, et. al.. (2012). Human tRNALys3UUU Is Pre-Structured by Natural Modifications for Cognate and Wobble Codon Binding through Keto–Enol Tautomerism. Journal of Molecular Biology. 416, 467-485;
  26. Natalia Demeshkina, Lasse Jenner, Eric Westhof, Marat Yusupov, Gulnara Yusupova. (2012). A new understanding of the decoding principle on the ribosome. Nature. 484, 256-259;
  27. Semenov D.A., Reznikov V.A. (2012). Enol form of uracil in the GU "wobble" pair. NMR evidence. Biological Physics;
  28. Jonathan Farjon, Jérôme Boisbouvier, Paul Schanda, Arthur Pardi, Jean-Pierre Simorre, Bernhard Brutscher. (2009). Longitudinal-Relaxation-Enhanced NMR Experiments for the Study of Nucleic Acids in Solution. J. Am. Chem. Soc.. 131, 8571-8577;
  29. Lisa Torlina, Felipe Morales, Jivesh Kaushal, Igor Ivanov, Anatoli Kheifets, et. al.. (2015). Interpreting attoclock measurements of tunnelling times. Nature Phys. 11, 503-508.

Комментарии