http://phct-biotechnology.ru
Оглавление

Нанороботы и жизнь

  • 254
  • 0,6
  • 2
  • 1
Добавить в избранное

Так видит клетку художник Евгений Подколзин

Статья на конкурс «био/мол/текст»: В статье рассказано о подходах к пониманию устройства клетки — от идей теоретической биологии и концепций «белок-машина» до современных подходов и открытий: нанороботов, микротрубочек и секвенирования генома. Совместная, точно согласованная работа миллионов нанороботов создает то уникальное явление, которое мы называем жизнью.

Конкурс «био/мол/текст»-2017

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «био/мол/текст»-2017.


«Диа-М»

Генеральный спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.


«Инвитро»

Спонсором приза зрительских симпатий и партнером номинации «Биомедицина сегодня и завтра» выступила фирма «Инвитро».


«Альпина нон-фикшн»

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Цитология — наука о клетке

Еще в XVII веке Роберт Гук, современник и сотрудник Ньютона (а также его критик, которому Ньютон отвечал взаимностью), увидел в свой микроскоп на срезе коры пробкового дерева ячейки, которым он дал латинское название cellula. Примерно в то же время биолог-любитель Антони ван Левенгук (рис. 1) увидел в капельке воды одноклеточных «зверюшек» («анималькулей»). Но настоящая наука о клетке началась лишь в XIX веке, после работ Теодора Шванна и Маттиаса Шлейдена. Эти ученые поняли две фундаментальные истины. Во-первых, абсолютно все живые существа — растения, животные, простейшие — состоят из клеток. Во-вторых, клетка — сложная система, имеющая «ядро» и особую внутриклеточную среду — протоплазму. Уже к концу XIX века в ней открыли разнообразные «внутренние органы» — митохондрии, хлоропласты, аппарат Гольджи и другие. И уже после этого стало ясно, что клетка — не просто механическое собрание разных деталей, вроде будильника (имеется в виду, конечно, механический, а не электронный будильник — в электронном и деталей-то толком не разглядишь!). Клетка оказалась не механизмом, и тем более не складом органоидов, а целым миром, который можно сравнить с разумно организованным хозяйством, где происходят прелюбопытные процессы.

Это означает, что клетка, по сути дела, не «вещь». Клетка, как и любой живой объект, — это сразу и объект, и процесс, то есть такое явление, которое развивается, существует во времени и претерпевает превращения, все время преображается. А когда процесс этот прекращается, клетка умирает и теряет все свои свойства.

Антони ван Левенгук

Рисунок 1. Портрет Антони ван Левенгука.

Ричард Фейнман

Рисунок 2. Ричард Фейнман.

Физик Ричард Фейнман сделал в своей жизни очень много замечательного (рис. 2). В 1960-е годы он прочитал для студентов цикл лекций по физике, и если ты хочешь изучить и понять физику, лучшего учебника не найти. Но великий физик, в отличие от посредственного, всегда хочет знать об окружающей его природе все, что можно, — и не только о неживых предметах, но и о живых. Поэтому однажды он посмотрел в микроскоп на каплю воды, в которой двигалась инфузория (рис. 3; в США ее называют «парамеций», в России чаще — «парамеция», а попросту — «туфелька»), — и пришел в восхищение от того, что увидел. Вот что Фейнман написал о своих наблюдениях:

«Однажды я наблюдал за парамецием и увидел что-то, что не было описано в книгах, по которым мы учились в школе, более того, в учебниках для колледжа этого тоже не было. В учебниках это поведение описано как чисто механическое, подобное компьютерной программе, — но выглядит оно совсем не так... Оно далеко не так механистично или одномерно, как там написано. Поведение этих простых животных следовало бы описывать правильно. Пока мы не увидим истинный масштаб поведения одноклеточного животного, мы не сможем до конца понять поведение более сложных животных» [1].

Инфузория-туфелька

Рисунок 3. Фотография парамеция (инфузории-туфельки).

Обложка книги Эрвина Бауэра

Рисунок 4. Обложка книги Эрвина Бауэра

Конечно, в каком-то смысле и звезда — тоже «процесс», как и клетка: звезда превращает водород в гелий и в конце концов, когда все топливо в ней сгорит, «умирает». Да и самая обыкновенная табуретка, если к ней внимательно приглядеться, не остается вечно такой, какой ее сделали: краска с нее слезает, дерево постепенно высыхает или гниет, крепления разбалтываются... Но живая клетка (и живой организм в целом) принципиально отличается от этих мертвых предметов.

Задумывались ли вы о том, почему камень равнодушно подчиняется действию внешней силы, а живое — сопротивляется? Почему палка плывет по течению, а рыба, идущая на нерест, проходит десятки километров против него? Почему, наконец, мы с вами можем сами определять свое поведение, преодолевая препятствия, которые нам ставит внешний мир?

Первый серьезный шаг для понимания этих вещей сделал советский биофизик Эрвин Бауэр, выдвинувший принцип устойчивого неравновесия:

«...живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет своей свободной энергии постоянно работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условиях» [2] (рис.4).

Иначе говоря, «живая система» в каком-то смысле нарушает законы физики и химии! Но нарушает она их не иначе, как с их же собственной помощью. Живой объект, используя химические вещества и физические взаимодействия, умеет преодолевать земное притяжение, бороться с течением воды и движением воздуха, делать вредные вещества полезными (например, страшный окислитель кислород, который с точки зрения химии ничем не лучше хлора, дает нам возможность дышать и благодаря этому приобретать энергию; вообще же история борьбы с окислителями-радикалами изложена доступно в статье «Сказка-комикс о великой битве между радикалами и антиоксидантами» [3]).

Но «равновесие» — это не только состояние, при котором, например, чаши весов уравновешиваются и перестают качаться. В равновесном положении оказывается газ, когда он перетекает из баллона в воздух комнаты и смешивается с атмосферой. В равновесном положении с окружающим воздухом находится печь, когда она полностью отдает свое тепло. Раздел физики — наука термодинамика — утверждает, что, когда система, состоящая из многих молекул, стремится к равновесию, в этой системе увеличивается беспорядок (хаос). Мера хаоса называется «энтропия». В замкнутых системах энтропия может только расти. Но живые клетки — открытые, а не замкнутые системы. Поэтому они могут сопротивляться росту энтропии. Работая против равновесия, живые существа вносят в мир порядок и ежесекундно сражаются с одолевающим их со всех сторон хаосом. Лисы роют норку и спасаются в ней от зимней стужи, бобры строят плотины и повышают уровень воды, которая сама по себе норовит разлиться по плоскости как можно более тонким слоем.

Такое чудо ежесекундно творит любой живой организм. Но точно так же ведет себя каждая живая клетка. На примере ее поведения, которое проще, чем поведение больших организмов (хотя и клеточное поведение не такое простое, как кажется), можно попытаться понять, что такое жизнь и как именно она борется с «равновесием».

Цитология делает успехи

В 1933 году немецкий инженер Эрнст Руска построил первый электронный микроскоп [4], [5]. По законам оптики системы из обычных линз не могут различать объекты величиной меньше половины волны видимого света. Электронный микроскоп, у которого совсем другой принцип действия, может различать объекты в десятки и в сотни раз меньшие, чем лучшие оптические микроскопы.

Великим открытием ХХ века стало понимание фундаментальной роли ДНК, как хранилища наследственной информации, главной «базы данных» о строении клеточных белков, и выяснение в 1953 году ее удивительной структуры — двойной спирали, сделанное Френсисом Криком и Джеймсом Уотсоном. Расшифровка путей синтеза белка с участием РНК, которая считывается с матрицы ДНК, стало основой молекулярной биологии. История этого открытия напоминает детектив и описана Уотсоном в книжке «Двойная спираль» [6]. С тех пор Уотсон стал легендарным человеком, одним из самых знаменитых ученых в мире.

После открытия структуры ДНК встал вопрос, как с этой молекулой в клетке взаимодействуют большие молекулы белков и малые молекулы лигандов (лекарств, красителей и других соединений). Ведь именно такие взаимодействия лежат в основе регуляции генетической активности! Благодаря этим взаимодействиям одни гены «молчат», другие — «кричат», то есть производят нужные белки, благодаря чему клетки так отличаются друг от друга. За последние десятилетия в этой области достигнуты принципиальные успехи.

Уже сорок лет назад, в 1976 году, биофизики Александр Заседателев и Георгий Гурский выяснили, как связывается с ДНК нетропсин ― лекарство против рака. Молекула ДНК несет решетку из электрически заряженных атомов [7], [8]. Набор положительно и отрицательно заряженных атомов на поверхности молекулы служит шифром для молекулярного узнавания лигандов, приближающихся к поверхности ДНК. Заседателев и Гурский разработали способы молекулярного конструирования: лиганды атом за атомом подстраивались под ДНК [8]. Сейчас можно сказать, что это был один из первых опытов практической нанотехнологии. Ученым удалось создать молекулы, способные соединяться с ДНК в нужных местах (так называемое избирательное сродство, или специфическое связывание, — заметим, что молекулярное конструирование лекарств сейчас называется «драг-дизайн» [9]). Молекулярная медицина позволяет по-новому взглянуть и на поэтические высказывания прошлого: ведь великий Гёте определил любовь как «избирательное сродство» более двухсот лет назад! Может быть, мы сможем найти со временем те «молекулы любви», которые определяют страстное желание Ромео и Джульетты увидеть друг друга, и поймем, как они действуют...

Следующий мощный прорыв к новому пониманию внутриклеточных процессов произошел после того, как техника реально проникла в область «наномира». Характерным размером в этой области является нанометр (нм) — миллиардная доля метра. Атом водорода еще в 10 раз меньше — его размер 1 Å (ангстрем). Сотни и тысячи атомов водорода, углерода, азота и кислорода составляют молекулы белков. О возможности прорыва науки в область микромира уже знакомый нам физик Ричард Фейнман говорил еще в 1959 году в своей лекции «Там, внизу, полно места!», которая в конце века стала знаменитой. Он высказал идею о том, что вполне возможно собирать устройства и работать с объектами, которые имеют размеры, сравнимые с размерами атомов и молекул. Прорыв стал возможен после создания устройств, способных манипулировать отдельными атомами.

Первым из них стал СТМ — сканирующий туннельный микроскоп [10], — который создали в фирме IBM в 1982 году. Начиная с этого времени нанотехнологии стали реальностью. Проникновение в эту область открыло новые возможности для понимания процессов в живой клетке. Сейчас сканирующий туннельный микроскоп (наноскоп) может сортировать и двигать единичные атомы. У наноскопа есть тончайшая игла и механическая часть, которая позволяет двигать эту иглу и отмерять расстояния с точностью до одного атома.

Самый впечатляющий пример развития нанотехнологий последних лет ― методики, позволяющие определять последовательности генов (называется это секвенированием, от английского слова sequencing ― определение последовательности, упорядочивание) [11]. Всего у человека имеется чуть больше двадцати тысяч генов. Сама молекула ДНК, на которой записаны эти гены, плотно закутана в белки и свернута в миллионы раз, так что в клетке она занимает мало места. Если взять молекулу ДНК из одной клетки человека и растянуть ее во всю длину, то она вытянется как раз примерно на высоту подростка ― то есть будет длиной «метр с кепкой». Однако гены занимают малую часть всей молекулы ДНК — скажем, сантиметров десять. Функции остальной части пока до конца не ясны [12], [13]. Есть «острова» между генами, есть в последовательности повторы, смысла которых мы пока не знаем. Один человек отличается от другого больше не генами, а как раз вот этими участками: с точки зрения генов мы почти не отличаемся от обезьяны, а вот по отдельным участкам ДНК можно определить, кто наши родители.

Сейчас каждый человек может узнать свою последовательность ДНК. Первым, для кого полностью определили такую последовательность, был как раз Джеймс Уотсон [14]. Всего в последовательности примерно три миллиарда «букв» (они называются нуклеотидами). Определяют последовательность нуклеотидов так: всю ДНК, свернутую в клетках в хромосомы, распрямляют, лишая ее одежки из белков, а потом при помощи ультразвука расщепляют на небольшие фрагменты. Дальше эти фрагменты «прочитывают», используя каскад физико-химических реакций. Прочитанные участки ДНК компьютер собирает в одну последовательность. Этот метод основан на предположении, что ДНК расщепляется случайно: разрывы молекулы не зависят от последовательности нуклеотидов, однако недавно выяснили, что это не совсем так — связи между некоторыми нуклеотидами расщепляются чаще [15]. В целом можно сказать, что мы накануне понимания «кода жизни» [16], а проникновение в наномир в конце ХХ века привело к новому пониманию живой клетки: она предстала перед глазами ученых, как город нанороботов (о столкновении нано и био можно почитать в статье «Невидимая граница: где сталкиваются „нано“ и „био“» [17]).

Нанороботы — фантастика и реальность

В конце прошлого тысячелетия американский ученый Эрик Дрекслер, воодушевленный открытиями в области нанотехнологий, прославился своими, по существу, научно-фантастическими книгами, в которых он мечтал о том, что скоро будут построены «наноассемблеры», способные прямо из атомов собирать все, что угодно. В частности, он писал о «нанороботах», которые смогут делать полезную для здоровья человека работу — чистить кровеносные сосуды, уничтожать раковые клетки, бороться с бактериями.

Нечто похожее в своем фантастическом рассказе «Микроруки» предсказал еще в 1931 году детский писатель Борис Житков [18]. Герой рассказа сделал устройство, позволяющее производить операции с отдельными клетками. От рук человека усилия передавались на микроруки, которые могли делать операции, что не снились и лесковскому Левше! Вот что писал Житков: «Меня приглашали делать самые тонкие операции, где ни один хирург не знал бы, как повернуться. Я мог своими микроруками быстро и без промаху работать под сильнейшим микроскопом. Мельчайшие ростки злокачественной опухоли я удалял из живого организма, я рылся в больном глазу, как в огромном заводе, и у меня не было отбоя от работы. Но меня это не останавливало на моем пути. Я хотел сделать истинные микроруки, такие, которыми я мог бы хватать частицы вещества, из которых создана материя, те невообразимо мелкие частицы, которые видны только в ультрамикроскоп. Я хотел пробраться в ту область, где ум человеческий теряет всякое представление о размерах ― кажется, что уж нет никаких размеров, до того все невообразимо мелко».

Но героя рассказа поджидала неудача: в процессе охоты за отдельными клетками одна из тварей — «змея-инфузория» — сломала его устройство! Да и руки чуть ему не поломала ― потому что его усилия, как по рычагу Архимеда, передавались в микромир, уменьшаясь в миллионы раз, а силы микромира так же увеличивались и давили на его руки...

Известно, что слово «техника» происходит от греческого «технэ» ― «искусство», и нанотехнологии это подтверждают: они смыкаются с искусством. Сейчас у специалистов появилась возможность лепить молекулярную структуру атом за атомом, как скульптуру. Открываются фантастические возможности свободного творчества. Конструкторы становятся художниками-демиургами, создающими вещи «с нуля»! Но вдруг эти вещи выйдут из-под контроля и начнут размножаться, как зловредные вирусы? Эрик Дрекслер в книге «Машины творения» изрядно испугал читателя рассказами о грядущей победе «серой слизи». Он писал, что нельзя недооценивать опасности от нанотехнологий. Сейчас нас стращают новой напастью — искусственным интеллектом. А что, если этот интеллект станет изготавливать монстров на «нанофабриках»? Художник Евгений Подколзин для альманаха «Хочу все знать» эту ситуацию обыграл в юмористическом ключе (рис. 5).

Наноробот конструирует монстра

Рисунок 5. Наноробот конструирует монстра.

рисунок Евгения Подколзина

Создание новых структур на «нанофабриках» идет сейчас под контролем человека. Контроль необходим для уменьшения рисков безудержного спонтанного размножения наноструктур, которые, как в фантастическом триллере, могут вступить в битву с земной жизнью и изничтожить все живущее на земле, превратить планету в пристанище серой слизи. Заметим, что предпоследняя Нобелевская премия по химии присуждена за работы в области нанотехнологий — так что область эта очень даже горячая [19]...

Паровоз в кармане

Лев Блюменфельд

Рисунок 6. Лев Блюменфельд

В любой живой клетке — даже в такой маленькой, как знаменитая бактерия Escherichia coli (она имеет около 5 мкм в длину и 1–1,5 мкм в диаметре), — работают миллионы белковых нанороботов. Они выполняют все необходимые для жизни клеточного государства дела. Есть нанороботы разных типов — посыльные, переносчики, конструкторы, ремонтники, уборщики.

Понимание того, как работают нанороботы, пришло не сразу. В шестидесятых годах ХХ века биофизики Дмитрий Чернавский, Юрий Хургин и Симон Шноль разработали концепцию «белок-машина», экспериментальным подтверждением которой занимался Лев Блюменфельд, основатель кафедры биофизики физического факультета МГУ (рис. 6). В своих работах он писал о неравновесных состояниях белков и о релаксации белка-машины в процессе превращения вещества в клетке [20].

Сейчас это уже стало общим местом: биофизики прямо заявили, что белок — это машина, обнаружены и молекулярные моторы (см., например, статью «Белковые моторы: на службе у человека и нанотехнологий» [21]). Конечно, не простая машина, а особая, биологическая. Что такое вообще «машина»? В быту так называют автомобиль, стиральный агрегат, станок на заводе, а в девятнадцатом веке под этим подразумевалась паровая машина. Но если рассуждать научно, то машина — это система, построенная по плану из разных, несхожих между собой частей и предназначенная для выполнения определенных функций (такое определение дал в свое время академик Иван Артоболевский).

Ферменты и другие нанороботы в точности отвечают этому определению: они построены по плану, заложенному в ДНК, и выполняют строго определенные функции. Части белков — молекулы-мономеры — не похожи друг на друга, они имеют различную форму и химический состав. При соединении разных мономеров получается большая органическая молекула — полимер. Такие белки-полимеры и становится молекулярными машинами, нанороботами. В каждом нанороботе-ферменте существует его «структурная часть» (аналог станины станка) и «активный центр» — рабочий инструмент. Почти как на любом заводе! Вот только размеры таких машин не имеют аналогов в неживой природе.

А если размеры машины необыкновенные, то и работа этих устройств непохожа на привычные нам действия. Ведь в наномире почти всё не так, как в нашем, человеческом макромире. Мы не зря вспомнили про паровую машину. Принципы работы паровой машины легли в основу термодинамики — науки о передаче и превращении энергии. Это случилось не потому, что паровая машина такая идеальная — просто тогда, когда складывалась термодинамика, других машин не было. А ее устройство особенно наглядно демонстрирует процессы превращения энергии.

Без передачи и превращения энергии, конечно, не могут существовать никакие организмы и отдельные клетки. Вся их жизнь, как мы уже писали выше, это постоянный процесс обмена энергией с окружающей средой, такой обмен, в котором производится определенная работа. Только паровая машина выполняет свою работу чрезвычайно грубо, если сравнивать ее с действиями нанороботов. Паровая машина имеет дело с огромной массой молекул (пара или газа). При нагревании эти молекулы всей массой стремятся вырваться на свободу (то есть достичь равновесия с внешней, холодной средой), давят на преграждающий им путь к свободе поршень и совершают работу.

В наномашинах все наоборот. Белок-наноробот не способен перемещать большие объемы материи — зато он видит каждую молекулу в отдельности и способен распоряжаться заключенной в ней энергией. Представьте, что такие устройства используются в паровой машине: с каждой молекулой пара «работает» наноробот, ловит ее и оттаскивает на положенное место, а потом отпускает.

Тогда станут лишними тяжелый поршень, гидравлические приводы, и вся машинка мощностью в тысячу лошадиных сил может стать крохотной, размером с флешку или чип. Правда, для этого понадобится столько же нанороботов, сколько в данном объеме молекул пара или газа, да еще и устройства нужны специальные, «наученные» работать именно по этой профессии. А таких в природе еще надо поискать. Но перспективы открываются заманчивые.

Однако, как ни волшебно выглядел бы паровоз, который помещается в кармане, работа реальной живой клетки выглядит еще фантастичнее. Ведь паровая машина (как и любая другая энергоустановка) всего лишь использует стремление любой субстанции к равновесию с внешней средой, а пределом равновесия является так называемая «тепловая смерть Вселенной» — такое состояние, когда все объекты мира, от молекул до галактик, станут одинаково теплыми или, вернее, одинаково холодными, и всякое движение прекратится.

Совсем другой вектор имеет работа нанороботов. Они, в отличие от паровой машины, не просто используют энтропию, а противоборствуют ей по мере сил. Лев Блюменфельд писал, что «молекулярная машина» управляет состояниями отдельных молекул. Имея дело с молекулой вещества, нанороботы не позволяют ей двигаться хаотически — они переносят молекулы туда, куда нужно клетке для ее питания и роста, регулируют химию и физику процессов [22].

В конечном счете, энергия пара в котле (или энергия горящего топлива в автомобильном двигателе) — это сумма энергий движения отдельных молекул пара или другого «рабочего тела». Но когда паровая машина «складывает» эти энергии отдельных молекул, то при «обобщении» возникают неизбежные потери. Какие-то молекулы просачиваются сквозь щели в устройстве, какие-то залетают в угол без всякой пользы и т.п. Происходит примерно то же самое, что при плохом учете в крупном хозяйстве: часть товаров и материалов портится на складе, не принимая участия в производстве, другая часть направляется не по назначению, третью растаскивают грызуны... При оперировании миллионами и миллиардами объектов «усушка и утряска» неизбежны. Но они станут невозможны, если учитывается каждый предмет отдельно, если всё поставлено на учет, и у каждой вещи есть свой собственный кладовщик.

Конечно, в нашем мире это неосуществимо. Нам выгоднее потерять часть продуктов, чем оплачивать труд миллионов счетоводов и контролеров. Но в наномире свои представления о том, что выгодно и что невыгодно. Поэтому и КПД у машины-белка не 8 процентов, как у паровоза, а чуть ли не в 10 раз больше!

От классической машины белковые молекулярные машины отличаются еще одной особенностью. В обычной энергетической установке сама машина (ее механизм, корпус) и «рабочее тело» (водяной или бензиновый пар) — это разные объекты. Наноробот представляет собой, как правило, одновременно и механизм, и рабочее тело. Потоки энергии не струятся мимо нанороботов в виде пара или огня — они движутся в них самих в ходе химических реакций.

Микротрубочка — источник мысли?

Самый распространенный тип нанороботов — известные с XIX века ферменты. Только ферментов насчитывается около пяти тысяч разновидностей. Это особые белки — катализаторы биохимических процессов, которые без их участия шли бы во много раз медленнее.

Ферменты — белковые машины с жесткой программой. Каждый из них приспособлен для решения совершенно конкретной задачи. Но все они так или иначе являются катализаторами химических реакций, то есть помогают превращению одних веществ в другие. Вернее, ферменты просто превращают одну химическую реакцию, которая должна была бы идти «естественным путем» без особой пользы для клетки и организма, в другую — полезную. Как уже говорилось, они переправляют реакцию с пути наименьшего сопротивления (который дает мало энергии) на путь трудный, но зато энергетически эффективный.

Другой тип нанороботов — ремонтники. Хотя ДНК — молекула устойчивая, все же она может повреждаться. Причиной этого являются радиация, мутагенные вещества, свободные радикалы. Особую роль играет «депуринизация» — выщепление азотистых оснований молекулы ДНК, то есть, по сути, ее разрушение. В простом (неживом) растворе этот процесс идет достаточно быстро, и если бы то же самое происходило в клетке, ДНК не прожила бы более недели, и клетка была бы обречена на гибель. Впрочем, и ДНК каждой клетки человека теряет за сутки около пяти тысяч пуриновых оснований. Но в клетке работают особые устройства — репарационные комплексы («репарация» по латыни означает «восстановление»). Их можно сравнить с ремонтной бригадой на железной дороге, которая все время ездит по рельсам, находит повреждения и исправляет их. Репаразы способны восстанавливать даже радиационные повреждения ДНК. Сложность работы репараз (как, впрочем, и других нанороботов) вызывает восхищение — компьютер с трудом может смоделировать их действия. Для постижения работы этих устройств требуется знание высшей математики и квантовой физики.

Процесс деления клетки — будь то митоз или мейоз — это один из самых фантастических процессов во Вселенной. Он обслуживается огромной командой нанороботов. Кроме тех, что связаны с удвоением ДНК, в эту команду включены нанороботы центриолей. Центриоли представляют собой своеобразные полюса, вокруг которых закручивается «веретено» генетического материала. Состоят они из 27 цилиндрических элементов — «микротрубочек», — в основе которых лежат молекулы белка тубулина [13].

Помимо работы по размножению клетки, микротрубочки участвуют в создании цитоскелета: без их поддержки клетка превратилась бы в аморфную каплю. Микротрубочки также работают трубопроводами — по ним передаются вещества из одного конца клетки в другой.

Казалось бы, роль центриолей в работе клетки чисто механическая. Однако именно эти органоиды американский биолог Гюнтер Альбрехт-Бюлер (кстати, физик по образованию) назвал «мозгом клетки». Другой биолог из США, Стюарт Хамерофф, высказал предположение, что именно с микротрубочками, лежащими в основе структуры центриолей, связано самое удивительное явление во всей Вселенной — сознание.

Такая идея возникла у Хамероффа благодаря тому, что по основной профессии он врач-анестезиолог. В один прекрасный день он обнаружил, что некоторые вещества, которые применяют в анестезии (наркозе), изменяют строение нанотрубочек, заключенных в отростках нервных клеток (аксонах и дендритах).

Мысль Хамероффа развивалась примерно так: анестезия является способом отключения сознания. Отключенному сознанию соответствуют измененные микротрубочки. Значит, микротрубочки в их естественном, неизмененном виде и являются носителями «включенного» сознания.

Правда, позже выяснилось, что далеко не все анестезирующие вещества так заметно влияют на микротрубочки. Но ученый, тем не менее, продолжал развивать свою теорию и в конце концов выпустил книгу, в которой утверждал, что микротрубочки являются аппаратами вычисления и интегрирования информации в мозге [22]. Если гипотеза Хамероффа верна, выходит, что среди нанороботов есть не только «химики» и «ремонтники», но и нанокомпьютеры. Есть и другая гипотеза [23] опирающаяся на тот факт, что водородная связь является идеальной ячейкой для кубита (квантового бита — единицы квантовых вычислений) — в ней протон может находиться либо в одной, либо в другой энергетической «яме», совершая между ними «квантовые скачки». С этих позиций само наше сознание определяется совокупностью операций нанокомпьютеров.

Хотя другие ученые не согласны с таким механистическим подходом не только к человеческому сознанию, но и к работе живой клетки. Опровержение или доказательство этой гипотезы — дело науки будущего, может быть, не столь уж отдаленного.

Инфузория-туфелька, душа клетки и компьютерные алгоритмы

Совместная, точно согласованная работа миллионов нанороботов создает то уникальное явление, которое мы называем «жизнью». Можно ли воспроизвести такую систему искусственно? Художник Евгений Подколзин в шуточной форме изобразил действия нанороботов в клетке (рис. 7).

Работа нанороботов в клетке

Рисунок 7. Работа нанороботов в клетке.
Чтобы увидеть рисунок в полном размере, нажмите на него.

рисунок Евгения Подколзина

Создание живого существа в пробирке — давняя мечта алхимиков. В литературе образ такого мечтателя создал Гете в «Фаусте». В XIX веке были наивные с современной точки зрения попытки создать «искусственную клетку». В наши дни с заявлением о создании искусственной живой клетки (которой даже дали имя: Синтия, Cynthia по-латыни) выступил Крейг Вентер — руководитель Института Крейга Вентера и фирмы Human Longevity, Inc. [24]. Он с успехом участвовал в программе «Геном человека», поставил и решил задачу создания искусственной ДНК. В 2010 году он ввел созданный им искусственный геном в одноклеточный организм Mycoplasma micoides — и этот геном, как и следовало ожидать, работал, производя нужные белки.

Но заявление о том, что ему удалось создать живую клетку — явное преувеличение. Эту работу можно сравнить с созданием программы для компьютера — но не с созданием самого компьютера. ДНК — это всего лишь программа, и, если бы в микоплазме не работали миллионы нанороботов, полученных клеткой «по наследству», программа осталась бы просто текстом, который некому было бы читать.

Но, несмотря на успехи и неудачи Вентера, изучение нанороботов живой клетки и принципов их работы на самом деле открывает совершенно новые возможности для нанотехнологий. В 60-е годы ХХ века возникла бионика — «наука об использовании биологических прототипов для поиска новых технических решений». В XXI веке наука уже ищет идеи для создания новых нанотехнологических устройств в живой клетке. Этим занимается новая наука XXI века — нанобионика.

Создание реальных нанороботов и использование их биологических прототипов поможет решить проблемы в самых неожиданных областях — от медицины до экологии и того, что раньше называли кибернетикой [25], а теперь информационными технологиями. Уже появились накопители информации на базе препарата «Биохром», использующие способность фоточувствительного белка бактериородопсина менять свою конформацию (пространственное расположение атомов) при поглощении кванта света. Изобретена революционная методика, позволяющая выявить в пробе воздуха или жидкости даже одну (!) молекулу РНК, которая может быть связана с инфекцией.

Владимир Александров

Рисунок 8. Владимир Александров. Российский биолог и цитолог.

Исследования в области нанобионики позволят вдохнуть новую жизнь и в интереснейшее научное направление — цитоэтологию, науку о поведении клеток, в основе которого лежит координированное взаимодействие клеточных нанороботов. О необходимости развития исследований в области цитоэтологии писал биолог Владимир Александров (рис. 8), опубликовавший в 1970 году до сих пор не утратившую своего значения статью «Проблема поведения на клеточном уровне — цитоэтология» [26]. В ней он осмелился в эпоху «диалектического материализма» заявить: «У клеточных органоидов и самих клеток есть своя маленькая, но душа».

Действительно, поведение нанороботов и живых клеток заставляет задуматься о принципиальном отличии их от стандартных технических систем. Кажется невероятным, но, возможно, именно на этом уровне возникает то свойство живых систем, которое на уровне организма (в особенности ярко — у человека) называется «свободой воли». Это очень глубокая проблема на стыке биофизики, квантовой механики, философии и богословия. Если и сравнивать живую клетку с компьютером, стоит задуматься — а не является ли этот компьютер квантовым?

Первым известным ученым, который предложил модель квантового компьютера, был Ричард Фейнман — тот самый физик, который в свободное от основной работы время рассматривал в микроскоп инфузорию-туфельку, а идею квантовых вычислений за год до Фейнмана высказал российский физик Юрий Манин.

Полноценный квантовый компьютер до сих пор не создан, хотя уже имеются первые действующие модели и написаны программы для таких компьютеров. Главным отличием квантовой вычислительной машины от обыкновенной станет работа по принципам не классической, а квантовой механики. Как известно, квантовая механика допускает такие состояния вещества, которые, будучи перенесены в наш мир, показались бы чудесными (например, одновременное пребывание одной частицы в двух разных местах). Подобные квантовые эффекты лягут в основу программных алгоритмов для новых компьютеров. А это позволит решать такие задачи, какие и не снились сегодняшним «счетным машинам». Квантовый «мозг» сможет впервые соответствовать сложности процессов, происходящих в живой природе — например, в той же самой живой клетке.

Нынешние машины могут работать только с моделями, то есть с упрощенными образами реальности. Для квантового компьютера биологическая (и, например, астрономическая) реальность впервые будет по «зубам».

Интересно, что именно сложность биологических процессов и привела Фейнмана (и его единомышленников) к идее квантового компьютера. Вполне возможно, что идея создания такой машины возникла у него в результате наблюдений за той самой парамецией.

Похоже, получился замкнутый круг: физики считают живые клетки квантовыми компьютерами, разобраться в работе которых можно только с помощью квантовых вычислений. Выход из этого круга возможен после создания настоящего мощного компьютера на основе квантовых процессов.

Сегодня такие устройства требуют глубокого охлаждения и могут обрабатывать в лучшем случае несколько сотен кубитов. Кроме того, инженеры пока не придумали, как защитить квантовый мозг от электромагнитных и других воздействий, к которым новый вычислитель будет гораздо чувствительнее привычных нам «персоналок». Судя по всему, живая клетка хранит тайну квантовой обработки информации с гораздо большим объемом вычислений, обладая при этом неплохой защищенностью от внешних воздействий.

Открыть и изучить эти процессы — задача для новых поколений цитологов и биофизиков. Желаем им успехов!

Расширенный вариант статьи готовится к печати в альманахе «Хочу все знать» (издательство «Дом детской книги», СПб.). Авторы выражают благодарность редактору альманаха Сергею Иванову за плодотворные дискуссии, художнику Евгению Подколзину за любезно предоставленные картинки, а издателю Алле Насоновой — за разрешение использовать материал из альманаха в данной статье.

Литература

  1. Фейнман Р.Ф. «Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман!» М.: «Регулярная и хаотическая динамика», 2001. — 87 с.;
  2. Бауэр Э.С. Теоретическая биология. М.-Л.: издательство ВИЭМ, 1935. — 150 с.;
  3. Сказка-комикс о великой битве между радикалами и антиоксидантами;
  4. 12 методов в картинках: микроскопия;
  5. Микроскопия в домашних условиях;
  6. Уотсон Д.Д. Двойная спираль. М.: АСТ, 2013. — 224 с.;
  7. Роль слабых взаимодействий в биополимерах;
  8. Нечипуренко Ю. Анализ связывания биологически активных соединений с нуклеиновыми кислотами. Ижевск: издательство «ИКИ», 2015. — 188 с.;
  9. Драг-дизайн: как в современном мире создаются новые лекарства;
  10. Атомно-силовая микроскопия: увидеть, прикоснувшись;
  11. 12 методов в картинках: секвенирование нуклеиновых кислот;
  12. Сколько сора в нашей ДНК;
  13. Лима-де-Фариа А. Похвала «глупости» хромосомы. Исповедь непокорной молекулы. М.: «БИНОМ. Лаборатория знаний», 2012. — 312 с.;
  14. Геном человека: как это было и как это будет;
  15. Нечипуренко Ю.Д., Нечипуренко Д.Ю., Ильичева И.А., Головкин М.В., Панченко Л.А., Полозов Р.В., Гроховский С.Л. (2010). Конформационно-динамические свойства ДНК и подходы к физическому картированию генома. Компьютерные исследования и моделирование. 4, 419–428;
  16. Код жизни: прочесть не значит понять;
  17. Невидимая граница: где сталкиваются «нано» и «био»;
  18. Житков Б. Микроруки. Сайт Poesias.ru;
  19. Наноавтомобиль, молекулярный лифт и искусственные мышцы — названы лауреаты Нобелевской премии по химии 2016;
  20. Блюменфельд Л.А. Решаемые и нерешаемые проблемы биологической физики. URSS, 2010. — 160 с.;
  21. Белковые моторы: на службе у человека и нанотехнологий;
  22. Вся теория в трубу. (2012). «Лента.Ру»;
  23. Режабек Б.Г. (1998). Развитие и современное состояние представлений о биологических усилителях. Конференция памяти П.Г. Кузнецова;
  24. С геномом налегке: минимальный размер бактериального генома — это сколько?;
  25. Коган А.Б., Наумов Н.П., Режабек В.Г., Чораян О.Г. Биологическая кибернетика. М.: «Высшая школа», 1972. — 382 с.;
  26. Александров В.Я. Поведение клеток и внутриклеточных структур. М.: «Знание», 1975. — 64 с..

Комментарии

Вас также может заинтересовать