Истории будущего

До сих пор мы исходили из предположения, что происходящее внутри клетки зависит от ДНК, словно ДНК – это мостик космического корабля «Энтерпрайз». Но за последние десятилетия было осознано, что на самом деле все не так просто. ДНК содержит информацию, как поваренная книга, и самостоятельно ничего не делает. Поведением клетки в любой момент времени заведует смесь генов, которые используются в конкретных условиях. А указанная смесь определяется активностью так называемых факторов транскрипции, или рабочих молекул, которые улавливают происходящее внутри и снаружи клетки и применяют полученные сведения для «решения» о том, какие новые молекулы нужно произвести или утилизировать. Факторы транскрипции как бы ныряют в ДНК, открывают инструкции по созданию соответствующих молекул и запускают процесс их производства (или останавливают производство белков, нужда в которых отпала). В любой данный момент времени лишь отдельные гены в геноме организма получают «выражение». Остальная часть генома словно отключена и ждет (иногда – целую вечность), когда ее прочитают и используют. Сегодня биологи называют процессы, определяющие, какие гены используются в конкретное мгновение, эпигенетическими; эти процессы не изменяют геном, но воздействуют на способы и сроки выражения тех или иных генов. Эпигенетика – изучение негенетических факторов, устанавливающих, как и когда используются гены. Эпигенетические процессы важны для мышления о будущем клетки, потому что они сообщают клетке, что происходит прямо сейчас и к чему следует готовиться.

Если «воспарить» прямо над кольцом ДНК, мы увидим изрядную эпигенетическую активность: белки и молекулы РНК, вооруженные свежей информацией о надвигающихся угрозах или возможностях, используют свои молекулярные ключи и рычаги, чтобы разрывать определенные звенья ДНК, и либо считывают генетический код этого участка, либо блокируют его выражение. Если необходим новый белок, специальный молекулярный фактор транскрипции путешествует по кольцу ДНК в поисках нужного гена. При обнаружении он отделяет этот участок винтовой молекулярной лестницы, вычленяя некоторые пары оснований, а затем вызывает группу молекул матричной РНК (мРНК). Молекулы РНК считывают и сохраняют последовательность пары оснований в экспонированном гене. Далее выявленный участок может снова быть заблокирован, а молекулы матричной РНК, уже несущие упорядоченный список оснований – рецепт нового белка, – отправляются в слой цитоплазмы для соединения с рибосомой, огромным пятном белков и РНК, этаким молекулярным 3D-принтером. Рибосома захватывает РНК с информацией, считывает упорядоченный список аминокислот, скопированных из ДНК, «шарит» в окружающем слое, выискивая необходимые аминокислоты и фиксирует их в длинной цепочке – в строгом порядке построения определенного белка. Рибосомы работают споро: достаточно всего минуты, чтобы собрать воедино белок с тремя сотнями различных аминокислот, а в клетке одновременно могут трудиться несколько миллионов рибосом, поэтому клетка способна одномоментно производить множество разных белков⁸⁵. Эта сложная производственная деятельность продолжается непрерывно во всех клетках всех живых организмов и создает постоянно меняющуюся смесь молекул, необходимым клеткам для преодоления надвигающихся кризисов и подготовки к вероятному будущему.

Откуда клетка знает, какие белки производить или производство каких останавливать? Этот вопрос подводит нас ко второму шагу в управлении будущим – к выявлению прошлых закономерностей и оценке содержащихся в них намеков на вероятное будущее. Клетки отправляются на охоту за закономерностями.

Для установления тенденций внешнего мира клетки используют специальные молекулы-сенсоры, этакие коктейльные трубочки, что пронзают мембраны, и часть каждой такой трубочки находится вовне, а часть – внутри клетки. Каждая клетка E. coli может содержать до десяти тысяч сенсорных молекул, пронзающих ее мембрану, в основном впереди – там, где эта клетка впервые воспринимает новые условия. Благодаря этим сенсорам клетка может улавливать до пятидесяти различных химических веществ. Комбинируя сведения от разных сенсоров, она почти безупречно точно оценивает закономерности в изменениях концентрации химических веществ. Как мы уже видели, эффективность этой охоты возрастает по мере появления новой информации о развивающихся тенденциях.

Что ж, давайте вообразим, что проводник далее ведет нас через слой цитоплазмы к клеточной мембране, где доступна наблюдению деятельность некоторых сенсорных молекул. Чтобы добраться до внешней части сенсорной молекулы, воспользуемся молекулярными туннелями в мембране, выводящими в менее замкнутый, менее клаустрофобный мир сразу за пределами клетки. Мы оказываемся среди разведчиков, шпионов, ищеек и пограничников. Сенсорные молекулы – это белки, как и большинство рабочих молекул клетки, а потому наблюдение за ними даст представление о том, как работают белки в целом.