imbg | Мастер-класс (Reply)

Визуализация клеточных процессов - дело очень не простое.Это тоже самое. что рисовать рай - никто его не видел, но существуют жесткие каноны, как рисовать ангелов и какого типа одежда должна быть у Христоса - в кожанной куртке его вряд ли кто-то нарисует.

Аналогичные каноны по умолчанию применяются и в визуализации молекул - желательно. чтоб они были шероховато-перламутровые, состоящие из облачно-неровных блоков, и т.д. и т.п. Почему молекулы должны выглядеть так? Временами определенная модель, засев в голове, может инерционно увести от верного решения - любая визуализация значительно упрощает влияние окружения, растворов, рН и т.д. - это все рисовать сложно и не нужно, поэтому это и не делают. Для понимания основ такие мультики полезны; но я их стараюсь не смотреть, чтоб не програмировать свое подсознание заведомо не объективными картинками.

То ли дело - нарисовать все в виде обычного конвеера, без каких-либо претензий на "идентичность натуральному", а просто передать суть процесса. Это и сделали художники из Nature Video, показав процессы транскрипции и трансляции в стиле индустриального модернизма под аналогичную музыку:

Видео подсмотрено у Егора Задереева

Первое впечатление - охота воскликнуть "не опускайте природу до человеческих станков!" Однако тут стоит вспомнить: станки, созданные человеком - это жалкое подобие живых систем, и в принципиальном плане у них и у молекулярных машин строение и принцип работы один и тот же. Клетка - это большая молекулярная машина, действующая по тем же принципам, что и созданный человеком робот или станок - потому что эти принципы едины на всех уровнях, и подчиняются все тем же трем законам термодинамики.

Если вам интересно обоснование это довольно спорного тезиса - пожалуйте под кат, так как раз цитата из книги В.А. Кордюма "Шагреневая кожа...", о которой мы уже писали (ссылка на пост в ЖЖ):

(рисунки и ссылки, упомянутые в тексте, см. в оригинальной статье: «Шагреневая кожа – это наша проблема, нам ее решать»)

Первый основополагающий принцип построения живого — это то, что его составляющие могут быть из него изолированы, разобраны, если надо, изменены и опять собраны. В природе этого не требуется. Там все изменения происходят «в собранном виде». Но принципиальная возможность разборки и сборки живого выводит теорию на второй основополагающий принцип: клетка — это самоорганизующаяся молекулярная машина. Почему именно клетка, почему машина и почему самоорганизующаяся? Еще в позапрошлом веке был сформулирован основополагающий принцип живого — клеточная теория. Все живое построено из клеток. Клетка является последней «неделимой» основой живого. Все, что «не клетка» — неживое, даже если оно до этого было частью клетки. И новая клетка может появиться только от клетки.

Вся последующая информация о живом подтвердила клеточную организацию жизни (по крайней мере, в ее Земном исполнении). Именно поэтому любое рассмотрение основополагающих принципов живого обязательно должно базироваться на клетке. Теперь — почему машина? Вообще-то строение живого по многим принципиальным составляющим настолько сходно с машинной организацией, что, начиная с Декарта, обсуждение такого подобия то затухая, то вновь возникая (хотя и достаточно вяло), продолжается уже несколько веков. Но и отличий от машины у живого слишком уж много. И даже нарушенная психика не сводит каракатицу к ракете, антилопу к гоночному автомобилю, а горного козла к вездеходу. Как же тогда можно допускать даже саму мысль о том, что клетка — универсальная основа живого, является машиной?

Первый ответ достаточно очевиден. Все машины, с которыми человек имеет дело, то ли их создавая, то ли используя, являются какими угодно, но только не молекулярными. Они могут быть механическими, термодинамическими, квантовыми и т. д., а вот молекулярных пока человек создавать не научился. Хотя отдельными молекулярными процессами пользуется очень широко, примером чему могут быть вся химия, использование в промышленности ферментов и т. п. Препятствием, которое на пути создания молекулярных машин пока даже на уровне робких теорий не удалось преодолеть (но к преодолению которого подошли уже вплотную), является неумение организовать взаимодействующие цепи молекулярных процессов, да еще в режиме устойчивости и управления ими. В клетке же все это как раз и присутствует. И не имея в своем распоряжении молекулярных машин, не умея их создавать, сравнивать клетку можно было только с машинами механическими, субстрактно иными, психологически радикально отличающимися от машин молекулярных. Но машина — это некое обобщение, некий общий принцип организации, построения, функционирования.

И если посмотреть на нее не с позиций материального состава машин, а исходя из общих принципов машинной организации, то картина получается совсем иная. Попробуем сформулировать и проанализировать те основные принципы машинной организации, которые позволяют концептуально считать любое «нечто» машиной и которые присущи клеточной организации, т. е. то, что (по мнению автора) дает основание считать клетку молекулярной машиной.

1. Клетка (любая!) состоит из конкретных составляющих (того, что для привычных нам машин назвали бы узлами и деталями). Это мембраны, митохондрии, пластиды, ядро, рибосомы, лизосомы, протеосомы и некоторые другие. Их число, взаиморасположение, состав и прочие «показатели» колеблются в зависимости от организма, клетки, состояния и т. д. Они могут в небольшой, но обязательно определенной степени менять свой состав. Но это всегда происходит в каких-то пределах. Разнообразие клеток (да еще у разных организмов) исключительно велико. А вот композиция и количество клеточных составляющих имеют некий обязательный набор (мембраны, ядро или его аналог — нуклеоид, рибосомы и т. д.). Далее в клетках организмов разных групп могут быть свои (тоже общие для таких групп) «составляющие» клетки. Все такие составляющие организованы в надмолекулярные структуры, которые весьма лабильны. Хотя состав их колеблется и часто в весьма широких, но тоже определенных пределах, как по численности, так и по номенклатуре.

2. Клетка (любая!) содержит конечные набор (номенклатуру) и количество своих составляющих. Такой набор может колебаться в зависимости от типа клетки в очень широких пределах. Но пределы эти для клеток определенных типов (определенных организмов) ограничены и конечны.

3. Принцип клеточной организации — блочный. Такая блочность является не только функциональной, но, что особенно важно для машинной организации, весьма четко структурно обособленной и внутренне автономно «сложенной». Компартментализация блоков носит разный характер, но всегда направлена на внутреннюю автономию, обеспечивающую функционирование. В случае ядра, митохондрий, пластид, лизосом и т. д. — автономия обеспечивается собственной мембраной и внутренним структурно-функциональным построением. В случае сложных функциональных надмолекулярных комплексов, не имеющих мембраны (рибосомы, сплайсосомы, репликосомы и т. д.), внутренняя автономизация обусловливается только самосборкой и молекулярными силами, удерживающими комплекс в достаточно устойчивом для функционирования состоянии. Такие комплексы сами по себе (как блоки) очень сложны, наиболее известным примером чему является рибосома. Но и другие комплексы, как сейчас выясняется, не проще. Так, сплайсосома состоит из 50 РНК и из более чем 50 белков.

4. Принцип компоновки блоков основан на высокой степени автономности работы самого блока как самодостаточно внутренне организованной системы. Внутри блока (ядро, митохондрии, рибосомы и т. д.) все его составляющие макромолекулы взаимодействуют между собой так, что их взаимовлияние намного сильнее, чем влияние извне. Только «обрабатывающие» домены, функцией которых является соответствующее преобразование поступающего в блок материала (макромолекул, их атомных групп, мелких молекул), результируют функции блоков на взаимодействие с окружением.

5. Принцип внутриклеточного функционирования основан на взаимодействии блоков через их «перерабатывающие» и контрольные домены. Рабочий материал (молекулы) перерабатывается в доменах разных блоков, последовательно переходя из блока в блок, превращаясь в «конечное изделие». Это схематически (в виде одного из вариантов) можно представить так, как изображено на рис 1 (см. книгу).

6. Возможность замены блоков и их элементов. Это было экспериментально продемонстрировано, методически отработано и, наконец, технологически разработано для практического использования. Классическим примером является пересадка ядер, используемая при различных вариантах клонирования. Была также показана принципиальная возможность замены (добавления) митохондрий и пластид, но технологическая потребность в этом не возникла [6—8 ]. Рутинным методом является кассетная замена генов (рис. 2), при которой в готовой молекулярной конструкции можно, как в кассете, менять гены одни на другие (соблюдая, конечно, как и в любой машине, определенные правила), вставлять такую кассету в клеточный блок (чаще всего в ядро) и обеспечивать синтез, а затем и функционирование почти любого желаемого продукта. Машина она и есть машина, хоть и молекулярная.

7. Наличие систем управления. Все блоки в клетке, являясь в значительной мере внутренне автономными, объединены в единую машину благодаря организованным потокам перерабатываемого материала и системам управления — молекулярным сигналам транс- и цис-природы. Транс-сигналы представляют собой определенные молекулы, определенным образом производимые и распространяющиеся внутри клетки, а цис-сигналы — домены макромолекул, узнающие транс-сигналы и воспринимающие их путем перестройки самих себя, т. е. тоже молекул (реже — за счет изменения первичной структуры, чаще — вследствие пространственной перекомпоновки), и дальнейшего изменения блока, тоже структурно и/или функционально (рис. 3).

8. Принцип управления основан на эффектах, которые в самом общем виде можно было бы назвать «кнопками на пульте». Через транс-системы управления вводятся в действие цепи управления всех типов сложности: от коротких, практически мгновенных (конформационный переход белковой молекулы, например фермента, из неактивной формы в активную и наоборот; обратимое блокирование—разблокирование активного центра и т. д.) до сложных и длительных (репрессор— оператор, гормон—рецептор и т. д.) (рис. 4). Получив сигнал, блок (блоки) перестраивает свою работу, а клетка как единое целое согласует свою деятельность с задачами надмолекулярных образований (тканей, органов, организма).

9. Наличие программ, по которым работает вся клетка, и возможность вмешательства (изменения) в эти программы извне. То, что геном клетки является такой программой, сегодня хорошо известно. Изменение программ путем вмешательства в генетический аппарат за последние пару десятков лет стало технологией чуть ли не общепланетарного масштаба. А то, что, изменив программу, можно изменить работу клетки в желаемом направлении, рутинно закладывается в рутинные производственные процессы во всем их диапазоне — от добычи полезных ископаемых из недр Земли до лечения болезней у человека. Можно сколько угодно спорить, достаточно ли этого для признания клетки молекулярной машиной или недостаточно? Но если у кого-то имеется неприятие такого положения, пусть он, этот кто-то, хотя бы сам для себя сформулирует то, что принципиально «немашинное» имеется в клетке. Кажущееся «принципиальное» отличие клеточной организации от машинной состоит в том, что молекулярные машины человек только начинает учиться создавать, а клетка — непревзойденная по совершенству и сложности молекулярная машина. Но и здесь уже пройден некий критический порог в понимании.
Изучение молекулярных взаимодействий концептуально показало, как все происходит. Взаимодействие идет через определенные домены — атомные группы макромолекул. Именно они принимают основное участие во всех взаимодействиях. Через них идет и управление. Поэтому надо оценивать не субстратную основу машин и, как следствие, особенности субстрата, технические решения (шестеренки, шнеки, винты и т. д.), а именно принцип организации — блоки, их составляющие, их управляемость, их взаимодействия и т. д. В случае клетки уже вышли даже на ее некий предельно минимальный состав, в котором все макромолекулы учтены буквально поштучно. Такую «минимальную клетку» собираются в скором времени синтезировать [9]. С одной стороны, для доказательства самой такой возможности, а с другой, — в целях обучения: в конце концов пора уже переходить и к производству молекулярных машин, не ограничивать же человеческую цивилизацию только шестеренками и гвоздями. А для того чтобы закончить с проблемой психологического невосприятия, превратив его в восприятие, сделаем один весьма любопытный экскурс в то, что в общем виде называют «человеческой деятельностью». Современная человеческая цивилизация является машинной, т. е. построенной на технических решениях и их воплощении, через посредство которых в виде машин и их функционирования идет взаимодействие человечества со всем остальным миром (как, впрочем, и между собой тоже).

Но, начиная эту свою деятельность с нуля, т. е. еще только присматриваясь к палке как будущему первобытному орудию, человек начинал учиться использовать для себя все окружающее. И самым совершенным из всего, что окружало человека, был живой мир. Его представители и бегали быстрее, и плавали лучше, и прыгали по скалам резвее, и были вкуснее и обильнее (чем сородичи, хотя и они были тоже «живыми», а иногда и «съедобными»), и вообще могли делать многое, недоступное человеку того времени, например, летать. С него, живого мира, человек вначале совершенно неосознанно, затем смутно подсознательно и, наконец, откровенно по-плагиатски начал делать первые, бесконечно далекие по совершенству в сравнении с оригиналами, подделки. И назвал их машинами. Так, если в машины человек закладывал некие принципы организации живого, то тогда не клетка имеет принцип машинной организации, а машины имеют ублюдочно несовершенные принципы клеточной организации, ибо машины строились по элементам совершеннейшего эталона — живого, единицей которого и является клетка.

Клетка как основная и универсальная единица всего живого мира наиболее полно и выразительно результирует в себе принцип построения живого. Все то, что принципиально важное, далее реализовалось в многоклеточные построения — конструкции организма. Именно поэтому, хотя человек до изобретения микроскопа видел только организмы (и подражал им в своем техническом творчестве) с их отдаленно машинной организацией, наиболее выражены и ярко проявляемы такие признаки «машин» у клетки. Это не мы на них, на машины, похожи. Это мы в них вкладывали крупицы принципов нашей организации. Это они на нас чем-то похожи, потому что мы сами их такими делали.

Но машина от этого живой не становилась и стать не могла. А вот апробируя на них варианты организации живого, человечество в конце концов смогло найти некие очень удачные из них. Они-то и есть машинным воплощением особенностей организации клетки. И поскольку венцом совершенства живого является клетка, то лучшие ее принципы организации и являются «машинными». Закладывая в машины крупицы принципов, на которых основано живое, человек создал некое очень-очень отдаленно приближенное отражение живого в неживом. Мы в машинах видим примитивное отражение живого. Так «нечего на зеркало пенять, если...». Вот так-то.

Если теперь суммировать все вышеизложенное, то по принципиальной организации, как и любая машина, клетка состоит из определенных взаимодействующих цепей процессов, осуществляемых соответствующими механизмами. Процессы в таких цепях идут автоматически. Управление процессами в машинах происходит путем их включения, выключения и регулирования в определенных точках (кнопки, тумблеры и т. д.). В клетке механизмами, осуществляющими цепи процессов, являются молекулы, и управление ведется тоже посредством молекул. При детальном анализе живого в нем обнаруживается дополнительная особенность, которая характеризует любую клетку любого организма, любой его части не просто как «машину», даже не вообще «молекулярную», а принадлежащую к строго определенному типу молекулярных машин.

Все клетки Биосферы имеют такую степень унификации, конвертируемости и взаимозаменяемости, которых нет ни в мире машин механических, ни в мире машин электрических, ни в мире машин квантовых, созданных человеком, т. е. машин «классических». У всего живого материальным носителем наследственной информации является ДНК и только ДНК; генетический код у всей Биосферы четырехбуквенный; переносчиком информации между геномом и белком является РНК и только РНК; биосинтезирующий аппарат состоит только из рибосом (и обслуживающих его работу ферментов и факторов); конвертируемой единицей информации является процессированная РНК; конвертируемой единицей энергии является АТР; все ферменты при их невообразимом структурном и конформационном разнообразии имеют для каждого субстрата или его участка функционально конвертируемые группы и т. д.

Вначале это казалось, невероятным, потом удивительным, а с недавних пор стало основой технологий. Ибо генные и клеточные технологии покоятся на именно такой молекулярной унификации, конвертируемости и взаимозаменяемости всего, что требуется для практической деятельности на уровне клеток-машин и организмов (как структурно-функциональных композиций из клеток-машин). Только унификация и конвертируемость живого позволяют производить в бактериях продукты человека, в растениях — продукты бактерий и т. д. Все это возможно только потому, что машинная организация живого и конвертируемость основных его элементов созданы и доведены до совершенства четырьмя миллиардами лет эволюции [10]. Пожалуй, апофеозом этого является обнаруженный природный (!) обмен генетической информацией между прокариотами и эукариотами. И идет он по всем каналам [11].

Таких примеров накапливается все больше, но, пожалуй, наиболее демонстративным является, казалось бы, просто невероятное — конъюгация, т. е. классический половый процесс между кишечной палочкой и дрожжами [12, 13], представителями разных царств по классификации систематиков. Конвертируемость и унификация Биосферы сегодня уже радикально меняют наши представления об эволюции. Она же — основа того, что все организмы принципиально разбираемо-собираемы по самой основе их организации. И человек в этом отношении не является исключением. Сегодня человека можно разобрать, рассмотреть и проанализировать тоже буквально по молекулам. Посмотрим же, что такое человек «на самом деле»...