Краткое содержание: Да, читают. Ровно до первой картинки.
Мой сегодняшний день начался с чтения заголовка «ДНК сказала ученому "Да"», где Александр Панчин пишет следующее:
...«Российский ученый из Научно-технологического университета «Сириус» перевернул представление человечества о работе ДНК». Такую новость пустили по Первому каналу...
Одновременно с этим коллега переслал мне ссылку на оригинальную статью с комментарием: «трудно понять, то ли это лженаука уровня Эпштейна [примечание: автор концепции релиз-активных препаратов, известных как стыдливая гомеопатия»], то ли свежая струя». Я статью прочитал. Мое мнение: это не лженаука, но и не новая эра в биологии. Попробуем разобраться.
Речь, конечно же о статье Максима Никитина, опубликованной буквально несколько дней назад в журнале Nature Chemistry и озаглавленной "Коммутация некомплементарных цепей как фундаментальная альтернатива обработке информации с помощью ДНК и генной регуляции". Суть статьи проста - автор теоретически и экспериментально обосновал гипотезу о том, что взаимодействия между некомплементарными последовательностями ДНК могут служить механизмом хранения информации в искусственных системах и, более того, расширяют спектр явлений биологической регуляции.
Однако вот как это было представлено журналистами:
Стоит отметить, что Панчин - не единственный человек, который засомневался в правдоподобности репортажа, записанного первым каналом или другими журналистами.
Вот, что можно прочитать в комментариях Pikabu:
Ну что ж. Недоверие публики можно объяснить. Как это может быть открытием? Однако, обратим внимание на то, как его объясняет Чармандер российского научпопа?
Допустим, что у вас есть три коротких молекулы ДНК: S, Q и I. Молекула S помечена и выдает световой сигнал, который можно увидеть в специальный микроскоп. Молекула Q частично комплементарна S и к ней приделан молекулярный выключатель свечения. Если мы смешаем S + Q, то они свяжутся, и световой сигнал будет слабым (ноль). Теперь добавим к системе молекулу I, которая частично комплементарна Q, в гораздо большей степени, чем к S. В этом случае баланс взаимодействий изменится: Q свяжется с I, а S высвободится и начнет светиться. Теперь сигнал есть (единица).
Обратимся к диаграмме, о которой говорит критик:
Сделаю пометки от себя. Основой для логической схемы является физическое взаимодействие между тремя последовательностями РНК. Если в растворе концентрация Q больше S, то сигнальная последовательность S оказывается полностью связана с Q (свечения нет). Если же туда добавить нужное количество последовательности I, то сигнальная последовательность высвободится и даст четкий сигнал. Возникновение сигнала при добавлении I зависит от двух факторов. На схеме показано, что I и Q взаимодйствуют сильнее, чем Q и S. Если использовать термины химической кинетики, то чем меньше константа диссоциации комплекса, тем сильнее взаимодействие. На схеме показано, что константа диссоциации Kd[IQ] в два раза меньше Kd[QS]. Еще одним условием для взаимодействия является правильное соотношение концентраций последовательностей в растворе. На схеме видно, что концентрации [I]>[Q]>[S]. Предложенная схема является логическим переключателем, который позволяет ответить на вопрос, есть ли в растворе последовательность I в нужной концентрации. Стоит отметить, что принцип такого логического переключателя интуитивно понятен даже неспециалисту.
Таким образом, в работе показано, что конкуренция между последовательностями нуклеиновых кислот, чьи взаимодействия происходят на достаточно слабом уровне, может лежать в основе логических вычислительных схем. Как показано выше, сигнал (эффект) возникает когда целевая последовательность S конкурирует с последовательностью I за связывание с Q. Поскольку I служит изначальным логическим входом (input), для возникновения сигнала (S) нужен посредник в виде Q. Важно отметить, что последовательность I может быть максимально не похожа на S. А значит, если рассматривать всю систему как черный ящик, целевое событие в последовательности S происходит благодаря появлению в системе какой-то совершенно другой последовательности I. Этот эффект передачи информации между последовательностью I и последовательностью S через посредник Q, Максим Никитин назвал коммутацией некомплементарных последовательностей. Ничего такого, как может показаться при прочтении поста в жж:
На самом деле на похожем (хоть и не идентичном) конкурентном взаимодействии молекул основано очень много ранее изученных биологических процессов. Простейший пример – рибопереключатели (Riboswitch). Это структуры на молекулах РНК, которые могут регулировать, например, будет ли с этой РНК происходить синтез белка. Молекулы РНК обычно одноцепочечные и могут быть частично комплементарными самим себе, образуя сложные вторичные структуры: одни части РНК прилипают к другим ее частям по принципу комплементарности или частичной комплементарности с формированием шпилек.
Аргументируя свою позицию, известный любитель поговорить о сексе приводит своих читателей к следующему выводу:
В заключение я хочу сказать, что никаких представлений о работе ДНК статья не перевернула, ни в какую новую эры мы не вступили и мне непонятно почему столько шума вокруг этой истории.
Однако давайте углубимся в чтение статьи. Этого будет достаточно, чтобы понять, насколько ошибается автор поста. Ниже приведен фрагмент рисунка 8, где продемонстрировано применение логических схем в системе in vitro (в пробирке). В данном случае мРНК гена люциферазы помещена в раствор с РНКазой H. РНКаза может разрезать мРНК, если с ней провзаимодействует короткая последовательность ДНК. Присутствие целой РНК можно легко идентифицировать благодаря наличию в реакции всех компонентов трансляционной машины. Если трансляция проходит успешно - в среде образуется люцифераза, которая проводит химическую реакцию и раствор меняет цвет.
Чтобы мРНК люциферазы разрушить, нужно добавить к раствору короткую последовательность ДНК, частично комплементарную мРНК. Последовательность М1 длиной 15 нуклеотидов частично комплементарна сайту начала трансляции в мРНК и содержит 2 замены. Эта последовательность может легко взаимодействовать с мРНК, образуя РНК-ДНКовый комплекс, благодаря чему РНКаза Н разрушает рибонуклеиновую кислоту, с которой синтезируется люцифераза. На левой половине рисунка показано, что в системе, где есть только мРНК и М1 образуется в среднем 5 пикограмм люциферазы. Далее в смесь добавляют олигонуклеотид М2, который частично комплементарен М1 и содержит 5 замен. Но уже этого достаточно, чтобы количество люциферазы увеличилось до 17,5 пикограмм (в 2,5 раза). Обратите внимание, что последовательность М2 на 33,3% отличается от изначальной последовательности в мРНК люциферазы. Если бы вы не знали, что в растворе плавает М1, вы бы даже не поняли, по какой причине М2 влияет на продукцию люциферазы!
Далее обратимся к правой половине рисунка. Здесь помимо М1 и М2 к системе добавляют олигонуклеотид R1 или R1b, которые комплементарны М2, но отличаются от нее на 13-40%. Их слабого взаимодействия с М2 уже достаточно, чтобы вернуть систему в состояние, когда мРНК люциферазы оказывается уничтожена из-за присутствия М1. Представьте, если бы вы не знали, что в растворе плавает M1 и М2, как бы вы поняли, по какой причине R1 или R1b уничтожают вашу мРНК? Ведь эти последовательности даже не родственны мРНК люциферазы?
Вот, собственно, и есть главная идея работы. Представьте, что некомплементарные взаимодействия, о которых вы ничего не знаете, могут влиять на концентрации веществ в растворе в 2 и более раз? Ранее, чтобы судить о непрямых эффектах РНК или ДНК, внесенных в клетки, исследователи смотрели на максимально похожие последовательности. Но данная работа напрямую демонстрирует, что биологически значимые эффекты могут возникать из-за конкурентных взаимодействий некомплементарных последовательностей. Вы бы даже не догадались, что такие взаимодействия имеют место, потому что в настоящее время нет никаких инструментов, способных их обнаружить!
Возможно, проницательный читатель обратит внимание: эффективность системы, основанной на низкоафинных взаимодействиях, сильно зависит от концентраций. Действительно, в лабораторных экспериментах концентрации олигонуклеотидов превышают физиологические в тысячи, миллионы раз и даже больше. Однако сама природа явления подсказывает, что это не является проблемой. Вот как комментирует этот момент Максим Никитин:
... ключевой вопрос заключается в том, можно ли наблюдать это явление при концентрациях малых молекул ДНК/РНК (например, микроРНК или миРНК) на клеточном уровне, которые ... могут достигать десятков и даже сотни наномолей/литр. В соответствии с законом действующих масс для эффекта не существует предела концентрации. ... с точки зрения концентрации вполне возможно, что коммутация цепей играет важную роль в живых системах.
Ранее я уже упоминал, что в элементарном логическом переключателе сигнал появится при условии [I]>[Q]>[S]. Обратите внимание, здесь ничего не говорится о величине концентраций. Только об относительном значении!
Хорошо, если все так очевидно, почему автор публикации в ЖЖ этого не понял? Я думаю, потому что не читал статью полностью:
Некоторые из простых «вычислительных систем» автор создает и тестирует экспериментально. Ничего невероятного или неожиданного во всем этом, на мой взгляд, нет, но штука интересная. Любопытно, что нигде в научной статье я не нашел утверждений, что существуют реальные биологические процессы основывающиеся на таком принципе, вопреки заявлениям некоторых СМИ.
На самом деле на похожем (хоть и не идентичном) конкурентном взаимодействии молекул основано очень много ранее изученных биологических процессов. Простейший пример – рибопереключатели (Riboswitch). Это структуры на молекулах РНК, которые могут регулировать, например, будет ли с этой РНК происходить синтез белка. Молекулы РНК обычно одноцепочечные и могут быть частично комплементарными самим себе, образуя сложные вторичные структуры: одни части РНК прилипают к другим ее частям по принципу комплементарности или частичной комплементарности с формированием шпилек.
Очевидно, автор посчитал, что последовательности I и S в эксперименте Никитина взаимодействуют напрямую! Тогда как S даже не знает о том, что I существует. Более того, мы не можем знать о том, что I передает информацию на S, поскольку они НЕ ПОХОЖИ. Речь в статье идет о том, что цепочка конкурентных взаимодействий между частично комплементарными последовательностями приводит к сильным побочным эффектам, о которых вы даже не могли предположить! Не зря Максим напоминает, что любая исследуемая в молекулярной биологии система представляет собой черный ящик. Вы не можете заранее знать, где и с кем ваша целевая последотельность взаимодействовала. Более того, кинетика (скорость) некомплементарных взаимодействий такова, что вы даже не сможете понять, какой из наблюдаемых эффектов является прямым, а какой побочным.
Хорошо, вы заметите: ну показал автор, что есть явление коммутации некомплементарных последовательностей, ну и что? Во первых, использованные ранее алгоритмы анализа рассматривали взаимодейсвия между последовательностями нуклеиновых кислот через призму комплементарности. В таком случае исследователи отдавали предпочтения только наиболее вероятным с точки зрения термодинамики взаимодействиям. В результате, например, все алгоритмы поиска мишеней для микроРНК (короткие молекулы РНК, предназначенные для подавления активности генов, несущих комплементарные последовательности) выдают вам только те мишени, которые максимально похожи на нее. Но если в природе все так просто, почему мы до сих пор не используем микроРНК для лечения болезней? Одна из главных причин - обилие побочных мишеней. Мы до сих пор не научились предсказывать побочные эффекты тех процессов, которые полагаются на комплементарные взаимодействия между цепочками нуклеиновых кислот.
Самое важное, что Максим Никитин не только продемонстрировал явление, он еще и создал подход, который позволяет его предсказывать. Он предложил рассматривать цепочки некомплементарных взаимодействий через "континуум афинности", ранжированный по силе взаимодействия список последовательностей со всеми возможными заменами. Представляя данные в таком виде, можно достаточно быстро с использованием хорошо известных алгоритмов находить варианты нуклеиновых кислот, принимающих участие в конкурентном взаимодействии.
Более того, работа Никитина имеет важное значение не только в тех областях, где речь идет о нуклеиновых кислотах. Дело в том, что низкоафинные взаимодействия далеко не ограничиваются цепочками ДНК. Побочные эффекты антител или лекарств, нацеленных на рецепторы в клетках человека - все это, как теперь стало ясно, можно моделировать на основе классических законов физической химии. Вполне возможно, тысячи исследований, в которых исследователи ищут, на что же нужно повлиять, чтобы лекарство начало работать, просто потеряют смысл, если взглянуть на проблему не через призму самых сильных взаимодействий, а через континуум афинности.
Об этом, в частности, говорят авторы новостной заметки под авторством Philip Petersen и Grigory Tikhomirov, сопровождающей статью Никитина:
Помимо мощной концепции дизайна для вычисления синтетических молекул, работа Никитина предлагает основу для лучшего понимания естественных биохимических процессов, основанных на слабых взаимодействиях. Например, связывание антитела - протеина, специально предназначенного для конкретной цели, - с антигеном-мишенью часто бывает очень сильным, нецелевое связывание тщательно выбраковывается, а специфичность высока, подобно традиционным молекулярным вычислениям с более длинными комплексами ДНК, в которых используются полностью комплементарные последовательности, тщательно разработанные для минимизации взаимодействий с другими последовательностями ДНК, за исключением их собственных. Однако подход Никитина, основанный на некомплементарности, допускает целый ряд взаимодействий с несколькими другими видами последовательностей и более близок к белку альбумину - многофункциональному транспортному белку, связывающему широкий спектр эндогенных веществ и лекарств в организме. Как таковой, альбумин играет большую роль в стабильности и фармакокинетических свойствах многочисленных веществ, влияющих на общий гомеостаз всего нашего организма. В то время как природа использовала эволюцию для создания мотивов, которые взаимодействовали с нужным сродством для обеспечения физиологических процессов, Никитин использовал программное обеспечение для прогнозирования. Таким образом, концепции, выдвинутые в данной работе, помогут осветить недостаточно изученные слабые взаимодействия в геноме, протеоме и метаболоме, а также стимулируют новые направления исследований, выходящие за рамки молекулярного программирования с участием двойной спирали.
Мы также можем обратиться к этой работе, чтобы предложить новые схемы терапевтического действия олигонуклеотидов. В самом деле, показанная в работе система логического переключателя потенциально может оказаться ключом для создания индуцируемых терапевтических нуклеотидов. Например, зная, что целевые клетки содержат уникальную комбинацию микроРНК, вы можете создавать последовательности, которые будут давать эффект только в нужном месте организма. И так далее и тому подобное. Воображение просто разрывается от возможных перспектив.
Таким образом, вместо того, чтобы оценить значимость и актуальность работы, известный специалист по лженауке смог выдать только:
ни в какую новую эры мы не вступили и мне непонятно почему столько шума вокруг этой истории...
Да, никто не открывал новых законов природы. Но почему нельзя просто взять и красиво, понятно, непредвзято объяснить, в чем суть работы, в чем ее потенциальное значение? Как получается, что друзья этого научпопера называют такое исследование "лженаукой уровня Эпштейна"? Как получается, что самый популярный коментарий от подписчиков автора сводится к "пропагандонству"?
Занимательно, что сам автор ЖЖ не может похвастаться ничем, что можно сравнить в своей потенциальной значимости с работой Никитина. Ведь занимается он по сути только изучением частоты замен в ходе эволюции. Все, что он может дать миру - "у человека частота мутации T>G в два раза больше, чем у мышей".
Ну что ж. Видите, как может поменяться мнение о статье, если дочитать ее до конца?
P.S. Не могу понять, зачем нужно было вообще о работе Никитина писать. Неужели вы верите, что если бы он хотел что-то хорошее об этой статье сказать, он бы стал упоминать ее в одном предложении со словами о "лженауке"? Нет конечно, хотел задеть автора. Будто он не понимает, какие выводы сделают его читатели. Панчин даже малой доли из этой работы выдать не сможет. Хотя его читатели будут думать наоборот. Зато всем, кто окажется недоволен, можно ответить: "я ничего такого не говорил, вы все придумали".
