Истории будущего

Белки могут составлять почти половину объема клетки (если не считать молекулы воды, на которые приходится до 70 процентов клеточных молекул)⁸⁶. В любой момент времени отдельная клетка E. coli может содержать миллионы белковых молекул, каждая из которых состоит из нескольких тысяч атомов. Некоторые еще в процессе построения, другие усердно трудятся, а третьи, выполнив все положенное, разрушаются и будут переработаны для создания новых рабочих молекул.

Что и как делают белки? Каждый белок состоит из сотен аминокислот, которые в строгой последовательности соединяются рибосомой. Каждая из сотен аминокислот в белке обладает специфическими химическими и электрическими свойствами, поэтому после возникновения новой цепочки внутри клетки эта цепочка быстро принимает форму, похожую на растрепанный клубок стальной стружки; на самом же деле это четкая и правильная структура, располагающая своего рода биохимическими «карманами», вроде бейсбольных перчаток, посредством которых она улавливает нужные молекулы. Так, молекулы человеческого гемоглобина (один из первых расшифрованных белков) имеют «карманы» для захвата и транспортировки молекул кислорода. Еще белки способны перестраивать пойманные молекулы, расщеплять их, подгонять друг под друга, видоизменять и объединять. Вот почему белки работают как ферменты, делают возможными химические реакции, которые без них никогда бы не состоялись. Также они, захватывая молекулы, меняют форму – как носок, который натягивают на ногу. Это изменение формы (известное как аллостерия) создает своего рода кратковременную память о событиях и тенденциях, и такая память может передаваться: другие молекулы замечают изменения в положении сенсорной молекулы.

Но вернемся к одной из сенсорных молекул на поверхности нашей клетки E. coli. Вообразим, что у нее имеется «карман», предназначенный для захвата молекул аспарагиновой аминокислоты, которую клетки E. coli считают, если угодно, вкусным угощением. Если наш сенсорный белок обнаружит молекулу этой кислоты, то поймает ее, и следом изменится форма белка. Новое положение разошлет сообщение, подобно облику человека, несущего радостную весть, и это сообщение будет воспринято внутри клетки, на другом конце белка. Изменение формы белка создает своего рода память, ведь сообщение о захваченной молекуле аспарагиновой кислоты будет помниться до тех пор, пока сенсорный белок удерживает захваченную молекулу и сохраняет новое положение. Внутри клетки другие молекулы отреагируют изменением собственной формы и растекутся по цитоплазме, распространяя хорошие новости о захваченной молекуле. Они тоже будут помнить. Как и большинство молекул в прокариотических клетках, эти белки-посланцы будут перемещаться случайным образом через цитоплазматический слой под воздействием тепловой энергии (сразу приходят на ум пассажиры, которых несет к дверям людской поток в переполненном автобусе). Именно так миллионы белковых посланцев распространяют информацию о закономерностях и событиях во внешнем мире. «Уровень аспартата высок, возможен пир!» – кричат они другим или извещают, что уровень аспартата падает и возможен голод. Как пишет биолог Деннис Брей, «каждый организм как бы строит образ мира – описание, выраженное не словами или пикселями, а на языке химии»⁸⁷.

Третий шаг в любом управлении будущим есть действие, вмешательство в мир для достижения цели. Как информация, полученная сенсорными клетками, оценивается и превращается в действие?

Способ, которым клетки используют информацию для регуляции своего поведения, впервые описали в 1960-х годах французские исследователи Франсуа Жакоб и Жак Моно и их аспирант Жан-Пьер Шанже. Они доказали, что изменение формы позволяет белкам трудиться в качестве ферментов (ускоряя или обеспечивая реакции, которые в противном случае были бы невозможны внутри клетки) и в качестве переносчиков информации. Еще они показали, что сила белков многократно возрастает при командной, или сетевой, работе; такие скопления белков Жакоб и Моно назвали «оперонами».