Более 70 лет считалось, что ДНК хранит и обрабатывает информацию, главным образом, за счет структуры двойной спирали — точно соотвествующих друг другу (комплементарных) цепочек молекул. Информация, записанная в ДНК, в частности, регулирует работу генов, отвечая за то, каким будет организм и как он будет функционировать.
Заведующий лабораторией в МФТИ Максим Никитин открыл природное явление, которое назвал «молекулярной коммутацией». Он экспериментально доказал, что для эффективной обработки генетической информации ДНК совершенно не обязательна длинная двойная молекулярная спираль. С этим справляются даже относительно короткие, одноцепочечные («половинные», как бы разрезанные вдоль) ДНК и РНК. При этом ДНК может хранить и передавать информацию через взаимодействий молекул, которые имеют совсем небольшое «совпадение» друг с другом. Более того, он показал, что короткая ДНК, даже «неподходящая», согласно традиционным представлениям, к гену, может регулировать его работу. Результаты исследования опубликованы в одном из самых авторитетных научных журналов Nature Chemistry.
Например, существуют три одноцепочечные молекулы 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 (не обязательно «полностью подходить», как считалось ранее), но система все равно будет работать.
«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. Для каждой можно получить множество вариантов взаимодействия», — делится Максим Никитин.
В своей статье Максим Никитин показывает экспериментальную реализацию большого разнообразия систем, которые по-разному обрабатывают информацию, начиная с систем, включающих всего 3 суперкоротких одноцепочечных молекулы длиной в 7 азотистых оснований до систем вычисления квадратного корня. При этом компьютерное моделирование продемонстрировало устойчивую обработку информации и системой, состоящей из 1000 молекул. Это позволяет создать 572-битную ячейку обработки информации, что превосходит объем информации всех существующих компьютеров.
Открытый фундаментальный феномен, среди прочего, поможет улучшить качество генной терапии и безопасность ДНК/РНК-вакцин: минимизировать риски плохих последствий редактирования генома пациента и снизить число нежелательных явлений в процессе лечения.
Ученые реконструировали экосистему возрастом 2 миллиона лет по древней ДНК
Биологи возродили древние вирусы, замороженные на тысячелетия в Сибири