ПРО ДНК (Раздаточные материалы)

1. Современные представления о ДНК и ее роли в живых системах

Начнем с сухих научных данных. Эйфория первых десятилетий по поводу открытия структуры двойной спирали ДНК и расшифровки генетического кода как-то незаметно улетучилась. Оказалось, что генетический код, на который возлагалось так много надежд, дал только одно скромное достижение, объяснив, как синтезируются белки. Но гены, отвечающие за производство белков — это одно, а гены, определяющие пространственно-временную структуру биосистем — это совсем другое. И это другое, главное, вновь ускользнуло от исследователей. В это же время странной отдельной реальностью стали такие феномены генетического аппарата, которые надо было либо принимать и объяснять, либо относить к «паранормальным» и в зависимости от багажа научной совести трактовать как «лженаучные» или пытаться хоть что-то понять.

После открытия структуры ДНК и детального рассмотрения участия этой молекулы в генетических процессах, основная проблема феномена Жизни — механизмов ее воспроизведения — остались в своей сути не раскрытой. Разрыв между микроструктурой генетического кода и макроструктурой биосистем оказался не закрытым, по прежнему не понятно, каким образом в хромосомах кодируется пространственно — временная структура высших биосистем. Окрытие гомеобоксов ДНК, кардинально влияющих на формообразовательные акты эмбриогенеза, лишь более ярко осветило то, о чем в свое время предупреждал А.Г. Гурвич, считая, что нагрузка на гены слишком высока, и поэтому необходимо ввести понятие биологического поля, « .свойства которого . формально заимствованы . из физических представлений» Таким элементарным полем будет являться « .поле эквивалента хромосомы». И далее: « .хроматин сохраняет свою «активность», то есть является носителем активного поля, только в неравновесном состоянии». Здесь видно предвидение не только электромагнитного (светового) поля, генерируемого хромосомами, что было корректно доказано много позднее, но и предвосхищено понятие неравновесного состояния хромосом как предшественники идеи лазерной накачки ДНК in vivo, также экспериментально продемонстрированной спустя десятилетия. Одновременно с А.Г. Гурвичем другой научный предшественник — А.А. Любищев, понимая бесперспективность видения потенциального организма только в генах, как чисто вещественных структурах, писал: « .гены не являются ни живыми существами, ни кусками хромосомы, ни молекулами автокаталитических ферментов, ни радикалами, ни физической структурой, ни силой, вызываемой материальным носителем; мы должны признать ген, как нематериальную субстанцию, .но потенциальную»; « .взаимоотношение наследственности и хромосом подобно отношению материи и памяти . Гены в генотипе образуют не мозаику, а гармоническое единство, подобное хору .; хромосомы . признаются маневренным построением». «Гены — это оркестр, хор. Здесь мы также видим мощное предвидение грядущего осознания феноменов Живой Материи, таких как многомерное понимание генетической памяти, связанные с теорией физического вакуума (Г.И. Шипов, "Теория физического вакуума", 1993) и работами по аксионно-кластерно-звуковым и солитонным фантомам ДНК и их дистантной трансляцией. Здесь предвидение эпигенеза с использованием знаковых структур типа нотной записи и подчинением геномов фундаментальным законам красоты (музыкально- свето- акустическая компонента работы хромосомного континуума). Маневренность построений хромосом сейчас видится нами в явлении мобильности диспергированных генов и в результатах нашей работы по нелинейной динамике ДНК. Таким образом, наши исследования выросли из семян блестящих идей, рожденных в России, но незаслуженно забытых или опороченных. Однако, такую работу было бы трудно делать, если бы в последние двадцать лет академиком В.П. Казначеевым и его школой не была подготовлена соответствующая общетеоретическая и экспериментальная база для развития идей А.Г. Гурвича и А.А. Любищева. Это научное направление сформировалось как результат многолетних фундаментальных исследований по так называемому зеркальному цитопатическому эффекту, выражающемуся в том, что живые клетки, разделенные кварцевым стеклом, обмениваются стратегической регуляторной информацией. После этих работ существование волнового знакового канала между клетками биосистем не вызывает уже никакого сомнения. Ю.В. Дзян Каньджень фактически повторил классические эксперименты школы В.П. Казначеева, но уже на уровне макроорганизмов (см. п. 1), используя при этом аппаратуру, считывающую и транслирующую генобиознаковую биополевую информацию от биосистемы — донора к биосистеме — акцептору. Однако эти фундаментальные свойства биосистем не имели теоретической интерпретации.

Предстояло дать физико-математический формализм и теоретико-биологическую основу, отображающие тонкие механизмы дистантных волновых информационных контактов такого рода в пространстве — времени биосистемы, а также за ее пределами. Необходимо было также развить указанные эксперименты, их методологию. Эти задачи мы попытались в какой-то мере решить. Были поставлены следующие цели:

1) Показать возможность дуалистической трактовки работы геномов эукариот на уровнях вещества и поля в рамках физико-математических моделей, соединяющих формализм явления солитонобразования в ДНК на примере явления возврата Ферми-Паста-Улама и голографической памяти хромосомного континуума как биокомпьютера.

2) Показать возможность обычных и «аномальных» режимов работы генома эукариот с использованием фантомно-волновых образно-знаковых матриц, а также эндогенной и экзогенной семиотико-лингвистической компоненты.

3) Найти экспериментальные доказательства правильности предлагаемой теории волновых образных и образно-лингвистических матриц генома.

Результатом исследований должно было явиться новое понимание работы генома высших биосистем, синтезирующее идеи материального и волнового уровней его функций, что могло бы дать более развитые мировоззренческие представления о феномене Жизни как космо-планетарном явлении. Необходимо было пойти в направлении создания методологии мягкого регуляторного вхождения в неизвестные ранее семиотико-семантические материально-волновые пласты генома высших биосистем с целью лечения, создания гибридов, продления жизни, формирования организма человека как гармоничной и устойчивой к неблагоприятным факторам структуры. Другая стратегическая цель в создании искусственных ДНК-логических устройств (биокомпьютеров) с использованием волновых (голографических и солитонных) принципов памяти, сравнимой по механизмам и возможностям с генетической. В связи с этим был начат теоретический анализ некоторых трудно интерпретируемых феноменов жизненных форм. К числу таких необычных и непонятных явлений относятся так называемые фантомные эффекты генетического материала, которые экспериментально исследованы нами и которые можно рассматривать как один из видов эпигенетической полевой памяти биосистем на молекулярном уровне. Эта память генома, реализующаяся одновременно как ассоциативно-голографическая и как память последействия ДНК, дает иные версии работы хромосом, дополняющие уже известные механизмы, и переводит проблему биологического морфогенеза в иные гносеологические планы.

Создавать вакцины против новых инфекций, используя старые испытанные технологии, удается не всегда. Некоторые микроорганизмы, например вирус гепатита B, практически невозможно вырастить в культуре клеток, чтобы получить инактивированную вакцину. Во многих случаях вакцины на основе убитых микробов оказываются неэффективными, а живые вакцины — слишком опасными. Большие надежды возлагались на вакцины, полученные на основе рекомбинантных белков-антигенов (именно таким способом в 1980-е годы создали вакцину, защищающую от гепатита B). Но сейчас стало очевидным, что многие рекомбинантные вакцины вызывают слабый иммунный ответ. Вероятно, причина в том, что в таких препаратах содержится «голый» белок и отсутствуют другие молекулярные структуры, часто необходимые для запуска иммунного ответа. Чтобы рекомбинантные вакцины вошли в практику, нужны вещества-усилители (адъюванты), стимулирующие антигенную активность.

За последние 10 лет сформировалось новое направление — генетическая иммунизация. Его называют также ДНК-вакцинацией, поскольку в организм вводят не белок-антиген, а нуклеиновую кислоту (ДНК или РНК), в которой закодирована информация о белке. Реальная возможность использовать эту технологию в медицине и ветеринарии появилась в середине 90-х годов прошлого века. Новый подход достаточно прост, дешев и, самое главное, универсален. Сейчас уже разработаны относительно безопасные системы, которые обеспечивают эффективную доставку нуклеиновых кислот в ткани. Нужный ген вставляют в плазмиду (кольцо из ДНК) или в безопасный вирус. Такой носитель-вектор проникает в клетку и синтезирует нужные белки. Трансформированная клетка превращается в «фабрику» по производству вакцины прямо внутри организма. Вакцинная «фабрика» способна работать длительный период — до года. ДНК-вакцинация приводит к полноценному иммунному ответу и обеспечивает высокий уровень защиты от вирусной инфекции.

ДНК-вакцинация заключается в том, чтобы ввести фрагмент ДНК, кодирующий защитные антигены и цитокины, непосредственно в мышечную ткань. «Заразность» большинства вирусов во многом определяется их структурными белками. Плазмида (кольцевая молекула ДНК) с генами таких белков, введенная в мышцу, стимулирует иммунный ответ, который препятствует развитию заболевания

Используя один и тот же плазмидный или вирусный вектор, можно создавать вакцины против различных инфекционных заболеваний, меняя только последовательность, кодирующую необходимые белки-антигены. При этом отпадает необходимость работать с опасными вирусами и бактериями, становится ненужной сложная и дорогостоящая процедура очистки белков. Препараты ДНК-вакцин не требуют специальных условий хранения и доставки, они стабильны длительное время при комнатной температуре.

Уже разработаны и испытываются ДНК-вакцины против инфекций, вызываемых вирусами гепатитов B и C, гриппа, лимфоцитарного хориоменингита, бешенства, иммунодефицита человека (ВИЧ), японского энцефалита, а также возбудителями сальмонеллеза, туберкулеза и некоторых паразитарных заболеваний (лейшманиоз, малярия). Эти инфекции крайне опасны для человечества, а попытки создать против них надежные вакцинные препараты классическими методами оказались безуспешными.

ДНК-вакцинация — одно из самых перспективных направлений в борьбе с раком. В опухоль можно вводить разные гены: те, что кодируют раковые антигены, гены цитокинов и иммуномодуляторов, гены «уничтожения» клетки. Все эти гены можно использовать одновременно, организуя массированную атаку оружием разных видов.

Однако прежде чем ДНК-вакцинация войдет в медицинскую практику, следует убедиться в безопасности таких препаратов, изучить длительность индуцируемого ими иммунитета и последствия для иммунной системы

Схема твердой пирамидальной наноконструкции из ДНК. Каждая из четырех составляющих ее цепочек ДНК выделена своим цветом

Молекула ДНК не только несет генетическую информацию, но и может быть отличным сырьем для создания элементов микроскопического конструктора. Технология, разработанная физиками из Великобритании и Нидерландов, позволяет в огромных количествах производить из молекул ДНК крошечные пирамидки, которые могут служить элементами более сложных конструкций.

В прошлом году уже сообщалось о создания наноконструкций — кубиков и октаэдров — из молекул ДНК. Однако процесс их производства был очень сложным и давал низкий выход нужных конструкций. Новый метод, разработанный физиками из Оксфордского университета и Свободного университета Амстердама, позволяет создавать триллионы нанокирпичиков за считанные минуты, сообщает журнал Science.

Рецепт их приготовления чрезвычайно прост: в соленую воду засыпать в равных пропорциях четыре типа одноцепочечных фрагментов ДНК. Смесь нагреть почти до точки кипения и затем быстро охладить. Секрет заключен, конечно, в правильно подобранных ингридиентах. Как известно, молекула ДНК состоит из двух спиралей, каждая из которых представляет собой цепочку нуклеотидов. Нуклеотиды бывают четырех разных видов и попарно соответствуют друг другу. Такие взаимно дополнительные нуклеотиды на противоположных ветвях ДНК соединяются и удерживают спирали вместе. Ребра пирамидки как раз и представляют собой такие двойные спирали. Подходя к вершине, ветви разделяются и расходятся вдоль двух других ребер, переплетаясь в двойную спираль уже с другими цепочками.

Каждая из цепочек как бы оконтуривает свою грань пирамидки, сплетаясь по дороге с такими же цепочками соседних граней. Теперь понятно, что цепочки ДНК должны содержать в нужных местах взаимно дополнительные последовательности нуклеотидов. Спроектировать такие молекулы — несложная олимпиадная задача по математике. Синтез небольших молекул ДНК по заданной последовательности нуклеотидов — давно освоенная техника. Так что производство нанопирамидок вполне можно поставить на поток.

Пирамидки, вроде той, что изображена на рисунке, имеют размер около 10 нанометров. Будучи составлены из треугольников, они, подобно стальной ферме, обладают высокой жесткостью и идеально подходят для сборки более крупных наноконструкций. Например, они могут служить основой для трехмерных электронных цепей.

Правда, для подобных применений нужно научиться соединять пирамидки между собой. На сегодняшний день уже обнаружено, что еще одна цепочка ДНК может служить своего рода клеем, соединяющим пирамидки в пары. Ученые сейчас работают над методом соединения множества пирамидок в более сложные структуры.

1. Строение ДНК

Нуклеотиды

Аденин	Гуанин	Тимин	Цитозин	Аденозинмонофосфат

Структуры оснований, наиболее часто встречающихся в составе ДНК, и пример нуклеотида, из которых состоит ДНК — аденозинмонофосфат (AMP)