В «Сириусе» открыли новый способ хранения данных внутри ДНК

Новый способ работы с ДНК позволит ученым найти ответы к самым разным вопросам — от сложных заболеваний, тайн генетики, мгновенной памяти и старения до загадок возникновения жизни на Земле и ее эволюции. Кроме того, открытие поможет также в исследованиях в области генной терапии и безопасности ДНК/РНК-вакцин за счет выявления и снижения побочных реакций на препараты во время лечения.

Первоначальный закон

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 — автор более 70 научных статей (опубликованы в том числе в престижных журналах группы Nature), имеет в активе свыше десятка патентов. Более 10 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.

Максим Никитин экспериментально доказал, что ДНК может хранить и передавать информацию за счет аффинных взаимодействий, которые реализуются, если молекулы имеют низкое сродство друг к другу. Также он показал, что короткая ДНК может регулировать работу гена, даже если не комплементарна ему.

Максим Никитин Фото: Наталья Арефьева / пресс-служба МФТИ

Это природное явление автор феномена назвал молекулярной коммутацией. Суть его в том, что информация переносится при взаимодействии коротких одноцепочечных молекул ДНК\РНК или других молекул. В смеси, которая состоит из коротких одноцепочечных и не комплементарных друг другу олигонуклеотидов, одновременно будут сосуществовать самые различные их комплексы. Варианты этих взаимодействий определяются сродством 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 приводит к росту количества комплексов ХА, что снижает число комплексов ХВ, хотя А никак не взаимодействует с В напрямую. Если же в системе находится большее количество олигонуклеотидов, то можно добиться передачи значительного объема информации.

#Сириус #наночастицы #нанокомпьютер

Левша из «Сириуса» хочет «подковать» наноробота, убивающего раковые клетки

Читать

Открытие Максима Никитина позволяет экспериментально доказать факт, который не укладывается в парадигму современной биологии: любая неструктурированная одноцепочечная ДНК (оцДНК) может специфично регулировать экспрессию заданного гена безотносительно их комплементарности. Все зависит от наличия в организме других некомплементарных олигонуклеотидов. Кроме того, автор продемонстрировал, что данное явление позволяет лучше управлять экспрессией генов. Если в рамках обычной парадигмы комплементарный механизм регуляции допускает около 10¹² вариантов регулирования генов (в таком случае существует всего 4²⁰=10¹² разных 20-нуклеотидных олигонуклеотидов), то Максим Никитин показал, что при использовании тех же 20-нуклеотидных последовательностей можно реализовать не менее 10¹⁷² вариаций регуляции деятельности гена. Это в значительной степени превосходит число элементарных частиц во Вселенной, которых «всего» 10⁸⁰!

Чтобы доказать, что ДНК может образовывать наборы молекул с практически любыми, наперед заданными взаимными аффинностями, Максим Никитин показывает экспериментальную реализацию большого разнообразия систем, которые обрабатывают информацию: начиная с систем, включающих всего три суперкоротких олигонуклеотида длиной в семь азотистых оснований, до ячеек памяти и систем вычисления квадратного корня. При этом компьютерное моделирование коммутации продемонстрировало устойчивую обработку информации и системой, состоящей из 1000 олигонуклеотидов. Это позволяет создать 572-битную ячейку обработки информации, что превосходит битность всех существующих электронных компьютеров. Примечательно, что предложенная Никитиным модель концептуально вообще не имеет ограничения по числу взаимодействующих таким образом олигонуклеотидов.

«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 существует великое множество других оцДНК с практически любой, наперед заданной аффинностью — свойство, которое я назвал континуумом аффинностей ДНК, — делится соображениями руководитель направления «Нанобиомедицина» Университета «Сириус» Максим Никитин. — Например, возьмем олигонуклеотид из десяти оснований. Тогда полностью комплементарный ему олигонуклеотид будет иметь максимальную силу сродства — аффинность. Если же начать постепенно заменять во втором олигонуклеотиде азотистые основания на произвольные, то их аффинность к первому будет падать. При этом перебирая все варианты оцДНК из десяти букв, для каждой аффинности мы получим множество вариантов, то есть плотный  „континуум аффинностей“».