Что такое жизнь? Понять биологию за пять простых шагов

Биохимики идентифицировали много базовых механизмов, используемых в решении разных задач регуляции работы генов. Это белки, действующие как так называемые «репрессоры», которые отключают гены, и «активаторы», которые гены включают. Они это выполняют, находя и прикрепляясь к определенным последовательностям ДНК рядом с регулируемым геном, что более-менее напоминает информационную РНК, которая производится и направляется к рибосоме для синтеза белка.

Нам нужно знать, как все это действует на молекулярном уровне, но, помимо вопроса о том, как гены регулируются, хочется понять, какие гены регулируются, включаются они или выключаются и почему. Ответы на эти вопросы могут углубить наше понимание. Мы сможем узнать, как информация в геноме довольно однородной яйцеклетки используется для выдачи инструкций по образованию всех сотен разных видов клеток, присутствующих во всем организме младенца; как новый сердечный препарат может включать и выключать гены для коррекции поведения клеток сердечной мышцы; как мы можем перестроить гены бактерии, чтобы создать новый антибиотик, и много всего прочего. Если рассматривать регуляцию работы генов с этой стороны, становится очевидным, что концепции на основе обработки информации насущно важны для понимания того, как устроена жизнь.

Данная убедительная теория явилась плодом исследований Жака Моно и его коллеги Франсуа Жакоба, что принесло им Нобелевскую премию в 1965 г. Они изучали бактерии E. coli и знали, что те могут жить на одном или другом из двух сахаров. Для расщепления каждого из сахаров требовались ферменты, произведенные разными генами. Вопрос состоял в том, как бактерии решают, какой сахар выбрать.

Ученые провели блестящую серию генетических экспериментов, вскрывшую логику, лежащую в основе данного конкретного образца генного регулирования. Они показали, что, когда бактерии питались одним сахаром, ген, регулирующий белок-репрессор, выключает главный ген, необходимый для питания другим сахаром. Когда же имеется другой сахар, бактерии быстро переключаются на репрессированный ген, чтобы переваривать этот сахар. Ключом к переключателю служит сам альтернативный сахар: он цепляется к белку-репрессору, останавливая его действие и тем самым давая возможность заново включиться репрессированному гену. Это представляет собой точный и экономичный способ достижения целенаправленного поведения. Эволюция придумала для бактерии способ ощутить наличие альтернативного источника энергии и использовать эту информацию для соответствующей настройки внутренней химии.

Больше всего впечатляет то, что Жакоб и Моно преуспели в этом в те времена, когда никто не мог напрямую выделить конкретные гены, занятые в этом процессе. Они решали задачу, рассматривая свои бактерии через призму информации, другими словами, им не нужно было знать досконально конкретные «гайки и болтики» химических веществ и компонентов в основе исследуемого процесса. Вместо этого они использовали метод на базе генетики, изменяя задействованные в процессе гены и рассматривая последние как абстрактные информационные составляющие, которые управляют экспрессией гена[5].

Жакоб написал книгу «Логика жизни», а Моно – «Случайность и необходимость». В обеих рассматривались темы, схожие с теми, что я обсуждаю в этой книге, и обе они оказали на меня большое воздействие. С Моно я не был знаком, а с Жакобом встречался несколько раз. Последний раз, когда я с ним виделся в Париже, он пригласил меня на обед. Он хотел поговорить о своей жизни и обсудить следующие идеи: определение жизни как таковой, последствия эволюции с философской точки зрения и контрастирующие вклады французских и англосаксонских ученых в историю биологии. Все время нервно перебирая что-то руками из-за ранений, полученных в войну, он выглядел классическим французским интеллектуалом, невероятно начитанным, прекрасно разбиравшимся в философии, литературе и политике, – та встреча стала для меня большим и достопамятным событием.

Жакоб и Моно работали в то время, когда зарождалось понимание о передаче информации от генной последовательности к белку и к клеточной функции и об управлении этим процессом. В своих размышлениях я тоже руководствовался данным информационно-центрированным подходом. В начале научной карьеры мне хотелось узнать, как клетка интерпретирует собственное состояние и организует внутреннюю химию для контроля клеточного цикла. Я не желал просто описывать происходящее в ходе клеточного цикла, я хотел понять, что контролирует клеточный цикл. Поэтому вновь и вновь задумывался о клеточном цикле в терминах информации и полагал, что клетка – это не просто химическая машина, но и логическая и вычислительная машина, какой рассматривали ее Жакоб и Моно, обязанная существованием и будущим своей способности обрабатывать и управлять информацией.