Учёный из Университета «Сириус» открыл новый фундаментальный принцип в биологии
В 2023 году российский учёный Максим Никитин стал известен мировому научному сообществу, впервые сформулировав и экспериментально подтвердив принцип «молекулярной коммутации». Его суть в том, что обработка информации в молекулах может происходить независимо от их природы и без какого-то «центрального компьютера». Недавно исследователь совершил новый прорыв в этой области.
Несмотря на то что большинство химических реакций зависит от температуры, многие организмы, в том числе рептилии, рыбы, бактерии, не поддерживают постоянную температуру тела. Чёткого понимания, как именно они адаптируются к постоянным перепадам температур в несколько десятков градусов, до сих пор не было. Ясность в этот вопрос вносит новый фундаментальный принцип, согласно которому биологические сигнальные системы работают независимо от перепадов температуры и ионной силы среды.
Максим Никитин и Егор Коренков показали, что молекулярно-коммутационные сети могут быть устроены так, что изменения в одних реакциях уравновешивают изменения в других, при этом результат работы сети остаётся правильным при любой температуре. Иначе говоря, устойчивость системы возникает не из устойчивости её элементов, а из их согласованной изменчивости.
Научно-технологический университет «Сириус»
Фото: © Варвара Слива / Медиадом «Сириус»
«Интуитивно кажется, что надёжная молекулярная система должна состоять из максимально прочных связей. Мы показали обратное: сеть из слабых, по отдельности крайне чувствительных взаимодействий может сохранять ответ даже тогда, когда параметры каждой связи меняются на многие порядки. Слабость здесь становится преимуществом — она позволяет молекулам перераспределяться так, что температурные эффекты взаимно компенсируются», — объясняет Егор Коренков.
Авторы исследования продемонстрировали, что с помощью нескольких компенсаторных реакций можно добиться стабильной работы систем на температурном диапазоне от +0,1 °C до +50 °C. Потом учёные решили отказаться от идеальной компенсации, и оказалось, что температурную зависимость можно не только подавить, но и спроектировать. Никитин и Коренков показали, что можно заранее выбрать абстрактную математическую зависимость, например параболу, синусоиду или более сложную, и почти для любой из них возможно найти молекулярно-коммутационную сеть (например, набор из нескольких взаимодействующих ДНК-цепочек), которая будет иметь такую же температурную зависимость с очень высокой точностью. То есть
молекулярной системе можно заранее предписать, как именно она должна отвечать на нагрев или охлаждение. При этом ей не нужен отдельный терморецептор — необходимый ответ возникает непосредственно в архитектуре сети слабых взаимодействий.
«То, что разные молекулярные сети, находящиеся в разных клетках организма, могут иметь разные температурные зависимости, даёт природе возможность очень точно управлять поведением разных типов клеток исключительно за счёт изменения температуры. Так, например, изменение температуры тела человека может быть одним общим сигналом для организма, а молекулярные системы в различных клетках могут извлекать из него совершенно разные команды. Например, при заболевании, сопровождающемся изменением температуры, одна клетка может плавно уменьшать уровень экспрессии определённого белка, другая — резко увеличивать его, третья — менять сигнал по гораздо более сложному профилю. То есть речь не просто о привычном принципе „стало горячее — везде включился один и тот же процесс“. Один физический параметр (температура) потенциально может координировать множество разных и сложных профилей молекулярного ответа. Например, мы показали, что выходной молекулярный сигнал можно заставить следовать даже синусоидальной зависимости от температуры. Через регуляцию мРНК (например, механизмы РНК-интерференции) такие сигналы потенциально могут влиять и на уровень синтеза белков», — говорит Максим Никитин.
В 2025 году Максим Никитин получил знак лауреата Государственной премии России из рук Президента России Владимира Путина, став одним из самых молодых лауреатов этой премии
Фото: © Сергей Бобылёв / Медиадом «Сириус»
При этом для биотехнологических процессов может быть важна не только температура, но и другие условия. К примеру, для нуклеиновых кислот изменение ионной силы влияет на прочность связывания цепей почти так же, как изменение температуры. Авторам исследования удалось создать сигнальные системы, которые одинаково хорошо работают даже при десятикратном изменении важных биологических ионов натрия и магния.
Исследование Максима Никитина и Егора Коренкова опубликовано в авторитетном научном журнале Nature Communications. Их открытие позволит создать молекулярные биосенсоры и биотехнологические процессы, менее требовательные к контролю температуры и другим условиям производства. Вместо дорогого оборудования, которое постоянно поддерживает неизменные условия, устойчивость можно будет частично заложить непосредственно в архитектуру молекулярной сети.
