Молодой российский ученый, руководитель направления «Нанобиомедицина» Научно-технологического университета «Сириус», заведующий лабораторией Московского физико-технического института (МФТИ), доктор физико-математических наук Максим Никитин открыл новый фундаментальный механизм хранения информации в ДНК. Он доказал, что механизм, которым руководствовались ученые последние 70 лет, был неполным.
Это позволит изучить природу самых разнообразных процессов, начиная от сложных заболеваний, тайн генетики, мгновенной памяти и старения до вопросов возникновения жизни на Земле и ее эволюции, а также улучшить специфичность генной терапии и безопасность ДНК/РНК-вакцин за счет выявления и снижения побочных реакций на препараты во время лечения.
Знаменитая двойная спираль
В середине XX века ученые Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик сделали гениальное открытие: молекула ДНК имеет две спирально закрученные цепи, которые связаны парами оснований аденин-тимин или гуанин-цитозин. Считалось, что ДНК хранит и обрабатывает информацию за счет структуры двойной спирали – однозначно соответствующих друг другу (комплементарных) молекулярных цепей.
Этот закон показывал возможность восстановления одной цепи за счет другой и объяснял сущность процессов передачи наследственной информации на молекулярном уровне. Привычная сейчас двойная спираль была настолько понятна, что следующие 70 лет ученые придерживались именно этого принципа, закрывая глаза на возможность существования иных взаимодействий.
Новый механизм
Максим Никитин назвал новый механизм «молекулярной коммутацией», которая заключается в переносе информации при взаимодействии относительно коротких одноцепочечных молекул ДНК/РНК (олигонуклеотидов) или других молекул.
«Я обратил внимание на необычное свойство ДНК, которое ровно 70 лет оставалось незамеченным – в тени красоты двойной спирали. А именно на то, что для любой одноцепочечной ДНК (оцДНК) существует великое множество других оцДНК с практически любой наперед заданной аффинностью (лат. affinitas — родственность) – свойство, которое я назвал «континуумом аффинностей ДНК», – рассказал он.
В смеси, состоящей из коротких одноцепочечных и не соответствующих (некомплементарных) друг другу олигонуклеотидов, одновременно будут сосуществовать самые различные их комплексы. Варианты этих взаимодействий определяются «сродством» (аффинностью) молекул и в общем случае описываются открытым еще в XIX веке законом действующих масс о зависимости скорости реакции от концентрации участвующих веществ. При этом такие комплексы будут связаны друг с другом и передавать информацию между собой, даже если какие-то два олигонуклеотида не связываются друг с другом напрямую.
Например, в самой простой системе из трех олигонуклеотидов Х, А и В: если А и В не взаимодействуют друг с другом, они все равно могут передать друг другу информацию через посредника – «коммутатор» Х. При этом каждому из них достаточно взаимодействовать с Х очень слабо: увеличение концентрации А приведет к росту количества комплексов ХА, что снизит число комплексов ХВ, хотя А никак не взаимодействовало с В напрямую. Если же в системе находится большее количество олигонуклеотидов, то можно добиться передачи значительного объема информации.
Ранее известный комплементарный механизм регуляции допускает около 1012 вариантов регулирования генов (в таком случае существует всего 420=1012 разных 20-нуклеотидных олигонуклеотидов). Российский ученый показал, что при использовании тех же 20-нуклеотидных последовательностей, можно реализовать не менее 10 172 вариаций регуляции деятельности гена. Это в значительной степени превосходит число элементарных частиц во Вселенной, которых «всего» 1080!
Чтобы доказать, что ДНК может образовывать наборы молекул с практически любыми наперед заданными взаимными аффинностями, Никитин показал экспериментальную реализацию большого разнообразия систем, которые по-разному обрабатывают информацию – начиная с систем, включающих всего три суперкоротких олигонуклеотида длиной в семь азотистых оснований, до ячеек памяти, систем вычисления квадратного корня. При этом компьютерное моделирование явления коммутации продемонстрировало устойчивую обработку информации и системой, состоящей из тысячи олигонуклеотидов. Это позволяет создать 572-битную ячейку обработки информации, что превосходит битность всех существующих электронных компьютеров. Предложенная российским ученым модель не имеет ограничения по числу взаимодействующих таким образом олигонуклеотидов.
Снижение рисков генной терапии
Открытие ученого имеет важное практическое значение. Анализ возможных слабоаффинных взаимодействий с точки зрения молекулярной коммутации может улучшить специфичность генной терапии и безопасность ДНК/РНК вакцин за счет выявления и снижения побочных (нецелевых) действий вводимых препаратов. Для этого требуется создание программного обеспечения нового поколения, более точно предсказывающего слабоаффинное взаимодействие нуклеиновых кислот, а также анализирующего их вовлечение в различные естественные процессы, принимая во внимание механизм молекулярной коммутации.
В будущем это поможет минимизировать риски негативных последствий нецелевого редактирования генома пациента и снизить число нежелательных явлений в процессе лечения.
Экспериментальные доказательства того, что ДНК способна эффективно хранить и передавать информацию и без комплементарности цепей знаменитой двойной спирали, опубликованы в журнале Nature Chemistry. Автор статьи – Максим Никитин.
Лауреат Премии Президента РФ в области науки и инноваций для молодых ученых, призер международного конкурса молодых инноваторов Berlin Falling Walls Young Innovator, обладатель международной награды по биосенсорике Biosensors Award 36-летний Никитин включен в состав Президиума Совета при Президенте РФ по науке и образованию. Он стало одним из пионеров в области разработки «умных» наноматериалов на основе гибридных лиганд-зависимых наносистем, которые действуют на принципах молекулярного компьютинга.
Максим Никитин – автор более 70 научных статей, которые были опубликованы, в том числе в журналах группы Nature, имеет более десятка патентов. Более десяти лет назад молодой ученый одним из первых в мире начал заниматься созданием умных наноматериалов для биомедицины и развил фундаментальные основы автономных биомолекулярных вычислительных систем для тераностики. Все это время он работал в России.
