Поиск по сайту
Проект публикации книги «Познай самого себя»
Узнать, насколько это интересно. Принять участие.

Короткий адрес страницы: fornit.ru/6218
Список основных тематических статей >>
Этот документ использован в разделе: "Список теоретических статей"Распечатать
Добавить в личную закладку.

Тайна Евангелия от Луки или последнее дело Холмса

В статье исследуются возможные свойства генома последнего общего предка всех земных организмов

Относится к разделу Молекулярная биология

Эта статья опубликована автором самостоятельно с помощью автопубликатора, отражает личное мнение автора и может не соответствовать мировоззренческой направленности сайта Fornit. Оценка публикации может даваться в виде голосования (значок качества) или обосновано в обсуждении. Ссылки на обе эти возможности есть внизу статьи.

Когда я после достаточно долгого перерыва (лет этак в сто) в очередной раз забрёл к Холмсу на огонёк, то с удовлетворением отметил, что мой друг почти не изменился. Огонь в камине по прежнему освещал знакомое лицо, на котором лишь прибавилось немного морщин, да голубой светодиод, периодически загоравшийся на электронной трубке когда Холмс затягивался, напоминал, что мы уже в XXI-м веке. Шерлок молча кивнул мне на стоявшее рядом с камином кресло, и некоторое время мы оба молчали, предаваясь одному из тех дел, которое человек может делать бесконечно долго.

- Ну, что нового в мире, дорогой Ватсон? - спросил, наконец, Холмс голосом Ливанова, нехотя переводя свой взгляд от тлеющих в камине углей на меня.

- Да как вам сказать, - замялся я. - В общем то, по большому счёту, ничего особо нового. Тори опять у власти, английские учёные по прежнему восхищают весь мир глубиной своих исследований, в Лондоне опять будет летняя Олимпиада... - Холмс, грустно кивнув, протянул ноги поближе к огню, и не торопясь нацедил из стоявшей рядом с ним на столике пузатой бутылки Реми Мартина в две коньячные рюмки немного жидкого антидепрессанта.

- Ватсон, сказал он, передавая мне одну из них, - давайте выпьем за то, что бы и в XXI-м веке в нашей жизни оставались хоть какие-то тайны, иначе она становится скучной и бессмысленной.

- Ну, вообще то, особого смысла в ней никогда и не было, - заметил я, сделав затяжной глоток ароматной жидкости. - А что касается скуки, то могу предложить вам попробовать расследовать одно интересное дельце... - Холмс мгновенно преобразился, его взгляд, брошенный на меня, сразу же показал, как он рад будет размять свои уже изрядно застоявшиеся без дела мозги. Впрочем, он очень быстро взял себя в руки, и как бы нехотя процедил, - в самом деле, неужели даже в век компьютеров и интернета никто не берётся, так что, решили обратиться к моей насквозь пронафталиненой персоне?

- Да не то, что бы никто не берётся, берутся, в принципе, многие, но концы с концами как-то, в общем-то, пока не сходятся... - Осторожно констатировал я, посматривая искоса на Холмса.

- Ну что же, тогда рассказывайте, - с улыбкой сказал мой друг, заменяя патрон в своей электронной трубке, и, насколько я мог судить по выражению его лица, мысленно потирая руки. Я удовлетворённо прикрыл глаза, ибо именно и надеялся на такую реакцию, и начал неторопливое повествование.

- Холмс, начать мне придётся сильно издалека. Вы знаете, из чего состоит наше тело?

- В пределах того, насколько это мне необходимо для расследования преступлений...

- Понятно, и всё же, в двух словах - каждый из нас состоит из примерно тридцати триллионов клеток. В свою очередь, каждая клетка, это целый довольно сложный организм, который, как и мы сами, рождается, живёт, и, в конце-концов умирает.

- Ватсон, не забывайте, что я в своё время работал лаборантом в больнице, давайте ближе к делу - когда совершено преступление, что с уликами, где труп, есть ли подозреваемые, и вообще, в чём состоит загадка?

- Преступление совершено минимум три с половиной миллиарда лет назад, так что, боюсь, что с прямыми уликами не густо. Что же касается самой загадки, то, не торопитесь Холмс, дойдёт очередь и до неё. Итак, каждая наша клетка (учёные называют их эукариотическими), в свою очередь, включает клетки ещё меньшего размера...

- Это похоже на русскую игрушку, которая называется, кажется, матрёшка?

- Ну да, что то вроде... Так вот, большая часть этих маленьких клеток в большой эукариотической клетке как бы заперты в тюрьме, они с утра до вечера не покладая рук, ну, или там, АТФ-синтаз, работают, что бы вся клетка целиком не погибла. Они даже не могут оттуда сбежать, ибо "на воле" тут же погибнут.

- Знакомая ситуация, - кивнул Холмс. - Я знаю некоторых воришек в Лондоне, которые так привыкли к тюремным порядкам, что тяготятся жизнью на воле, и при первом же удобном случае совершают мелкую кражу, что бы опять вернуться в знакомую отапливаемую католажку хотя бы на зиму...

- Но есть ещё одна особая то ли клетка, то ли матка, то ли вообще непонятно что, - продолжал я, - которая не занимается никакой черновой работай. Если представить, что "большая клетка", это как бы корабль, который постоянно обслуживают клетки-матросы, то эта особая псевдоклетка, это как бы капитан данного корабля, который сам ничего не делает, а только следит за порядком, и отдаёт распоряжения. Ну и ещё регулярно размножается. Учёные называют эту псевдоклетку "ядро", может быть, потому, что внешне она действительно отдалённо похожа на круглое артиллерийское ядро. Так вот, предки этого ядра, судя по всему, когда-то жили сами по себе, но однажды они смогли установить свою власть над другими клетками, забрав от них себе всё, кроме того, что им абсолютно необходимо, что бы работать на хозяина и размножаться. Некоторые так называемые либералы думают, что это деспотизм. Но, с другой стороны, подобно вашему воришке в тюрьме, клеткам-трудягам не нужно постоянно напрягаться, что бы выживать. Им созданы все условия для работы, жизнь их регулярна и размерена, а будь они "на воле", выживать им было гораздо сложнее. Так что, можно на это посмотреть и как на взаимовыгодный симбиоз.

- Ага, человек радуется, что Солнце встаёт, что помидар красный... А ещё не надо думать, с нами тот, кто всё за нас решит! - Согласился Холмс, - кстати, где-же я слышал эту фразу? Ну да ладно, в общем, если даже и считать это преступлением, то оно явно не по моей епархии, ну так в чём же всё-таки загадка?

- Загадка, Холмс, в том, что учёные вот уже много лет не могут между собой договориться, откуда взялись все эти столь разные клетки, и как они в  итоге умудрились все поселиться в одном общежитии. То есть, скажем так, более-менее ясно, что предками их всех было существо типа бактерии, или, может быть, даже ещё и не совсем бактерия, а просто такой наборчик генов, плавающий в отгороженном от внешненго мира органическом бульоне, по этому поводу тоже до сих пор идут споры. Но как бы там ни было, учёные любовно назвали этот гипотетический протоорганизм Лукой. В общем, единственное, на чём по поводу него сейчас более-менее сходятся учёные, так это то, что по видимому, он был всё же в чём-то похож на бактерию, но остальное - как он выглядел, где жил, откуда вообще появился, до сих пор тайна, покрытая мраком. А ведь не было бы его, не было бы и нас с вами...

- Хорошо, - удовлетворённо хмыкнул Холмс, наполняя уже опустевшие к этому времени рюмки очередной порцией разбавленного водой и ароматизаторами СH3СH2OH. - Расскажите всё, что вам известно о подозреваемом. Ну, например, кто и когда видел бактерии в последний раз?

- На счёт последнего, пока говорить рано, а вот в первый раз их увидел в конце XVII-го века некий купец, и, по совместительству, учёный, ван Левенгук...

- Держу пари, что он был голландцем!

- Вы, как всегда, поразительно проницательны, Холмс! 

- Но как же ему это удалось, я как-то читал статью в Таймс, и там утверждалось, что бактерии настолько малы, что на конце булавочной головки их умещается больше, чем людей в воскресный день на базарной площади!

- Да, вы правы, Холмс, и всё же, судя по его письмам, оставленным им зарисовкам, да и по некоторым сохранившимся до нашего времени его микроскопам, он их видел, это факт! Хотя, до сих пор до конца непонятно, как ему это удавлось. Что бы увидеть столь мелкие объекты, нужно увеличение минимум раз в 300, а для этого необходимо уметь очень точно шлифовать линзы. Это научились делать достаточно хорошо лишь в XIX-м веке, так что, родись вы на пару веков раньше, и ваша знаменитая лупа была бы почти бесполезна.

- Довольно странно, - пожал плечами Холмс. Ведь он же мог запатентовать своё изобретение, и заработать на этом кучу денег, вам не кажется подозрительным его поведение?

- Среди учёных вообще довольно много своебразных личностей Холмс. Вот, посмотрите на эту фотографию, как вы думаете, кто это такой?

- Ну, это просто Ватсон, шнурок на правом ботинке развязался, куртка не стирана лет пять, борода не ухожена и так далее... Бомж из бедных пригородов Лондона, а что?

- На самом деле Холмс, это один из самых гениальных математиков современности, некий безработный Перельман из Питера, недавно из принципа отказавшийся от миллиона долларов, хотя, что бы их получить, ему нужно было всего лишь сказать "да".  

- Невероятно.

- Тем не менее, это именно так, Холмс. А ван Левенгук унёс тайну производства линз для своих микроскопов с собой в могилу (кстати, прожил он для своего времени очень даже немало, более 90-та лет), как-то признавшись, что он хотел бы сохранить её для себя.

- Вы меня заинтриговали дорогой Ватсон, может нам вначале взяться за расследование этой загадки?

- Думаю Холмс, её всё же нашли в середине XX-го века. Хитрый голландец заставил работать вместо себя силу поверхностного натяжения жидкостей, оплавляя на огне концы тонких стекляных нитей. При этом стекло плавится, и на конце трубки в итоге застывает крошечная капля практически идеально шарообразной формы, именно поэтому все линзы в его микроскопах были такими маленькими...

- Жаль, но давайте вернёмся к предмету нашего расследования доктор Ватсон, как развивались события дальше?

- Постепенно выяснилось, что бактерии окружают нас практически повсюду, он живут внутри нас, на нашей коже и зубах, на любом предмете нашего домашнего обихода, в любой сточной канаве, в почве, в воде, даже в геотермальных источниках с температурой воды около ста градусов... Под микроскопом видно, что устроены они довольно просто - под однослойной или двуслойной мембраной, около которой, в основном, и сосредоточены все процессы их метаболизма, распологается их, так сказать, "мозг" - прикреплённая к мембране двухнитевая ДНК, которая скручена в виде спирали, либо (гораздо реже) имеет палочкооборазную линейную форму. Кроме того, у многих бактерий есть один или несколько жгутиков, с помощью которых они могут плавать в воде, и небольшие ворсинки (по научному - пили) служащие для многих целей, например, для взаимного обмена генетическим материалом между бактериями. В мембрану так же встроено много всяких фичей, вокруг которых идёт постоянная движуха - протонные (а иногда и натриевые) помпы, откачивающие из внутренней области клетки наружу протоны (а опционно и ионы натрия), всевозможные портеры, антипортеры и мембранные каналы, помогающие тем молекулам, которые необходимы клетке, поступать внутрь, и, наоборот, удалять наружу то, что иметь внутри бактерии не полезно для здоровья. За счёт постоянной откачки наружу протонов снаружи клетки поддерживается положительный заряд, а внутри - отрицательный. Из-за этого протоны в соответствии с законами физики стремятся через оставленные им специальные узкие проходы в мембране попасть обратно внутрь бактерии, что они успешно и делают, генерируя, тем самым, электрический ток. За счёт этого тока бактериальная клетка и заряжает свои "батарейки", преобразуя молекулы АДФ в АТФ подобно тому, как человечество использует энергию течения воды в реках для выработки электричества для своих нужд. В принципе, бактерии умеют заряжать батарейки и другими способами, но использование протонного потенциала является из них наиболее широко распространённым и универсальным. Кстати, даже чисто механически устройство для запасения энергии в виде АТФ имеет нечто общее с электромотром, так как содержит встроенный в мембрану неподвижный заякоренный статер, и вращающийся под действием потока протонов ротор. Ещё в бактериальной клетке присутствует довольно большое количество всевозможных молекул, которые могут замедлять, или, наоборот, ускорять некоторые химические реакции в зависимости от того, как это выгодно клетке. Часто одна и та же реакция может идти в обе стороны. Скажем, когда клетке не хватает энергии, она может начать разлогать часть своих органических молекул, используя выделяющуюся при этом энергию для своих нужд. Если же с энергией всё тип-топ, то она может быть использована для прямо противополодного процесса - синтеза органики из простых неорганических молекул для построения собственного тела и размножения. В общем, жить - значит уметь предвидеть и управлять!

- Но всё же, как это всё совместно работает, кто за всем этим хозяйством, так сказать, присматривает? - задумчиво спросил Холмс, в очередной раз затягиваясь трубкой.      

- Ваш вопрос Холмс, носит скорее философский характер, и в философском смысле я на него ответить не готов, но, так сказать, "на пальцах" давайте попробую объяснить, - предложил я. - ДНК, это своего рода инструкция, в которой записано, что нужно делать в случае возникновения разных типовых ситуаций, с которыми клетка может встретиться на протяжении своей жизни. Для начала, бактерия должна понять, что одна из "предписанных" ситуаций действительно возникла. То есть, у неё должны быть свои органы чувств, воспринимающие сигналы об изменениях во внешнем мире. В качестве переносчиков таковых сигналов обычно выступают некие сигнальные молекулы. Эти молекулы могут взаимодействовать с промотерами - особыми участками ДНК, которые белков не кодируют, а лишь "вслушиваются" в изменения, происходящие в цитоплазме. Большинство генов обычно находится в "выключенном" состоянии, то есть, несмотря на то, что программа для сборки соответствующих белков у бактерии есть, до поры до времени они не собираются, так как регуляторная область данного гена предотвращает синтез белка (например, она может быть защищена от транскрипции РНК-синтазой некой молекулярной "шапочкой"). Но вот ситуация изменилась (скажем, в цитоплазме появились некие вещества, снимающие "шапочку") и процесс пошёл! Теперь РНК-синтазе ничто не мешает, она начинает синтезировать РНК-копию соответствующего участка ДНК, на неё, в свою очередь, тут же садится машинка для производства протеинов - рибосома, и начиная синтезировать соответствующий белок. Будучи синтезированным, данный белок может, в свою очередь, запустить синтез других белков, и так далее по цепочке, включающей нередко до четырёх и более каскадов. Один из наиболее характерных примеров - запуск процесса спорообразования в неблагоприятных условиях. Однажды начавшись, он развивается далее лавинообразно, включая десятки, а то и сотни синхронно включающихся и выключающихся генов! Если вы изучали физиологию работы нервной системы Холмс, то это может вам напомнить процесс распространения возбуждения в головном мозге, вызванный каким-то внешним событием.

Холмс задумчиво кивнул, не выпусакая изо рта трубку. Некоторое время мы оба молчали, потом он не торопясь подкинул в камин пару поленьев, и, наконец, вспомнил о моём существовании.

- Ватсон, а эти самые бактерии, они между собой сильно отличаются?

- Вот это как раз одна из самых интересных интриг, Холмс! Дело в том, что наиболее сильно смахивает на те самые псевдоклетки в ядре, так сказать, по почерку работы с генетическим аппаратом, одна из весьма специфических групп бактерий, которые назваются археями.

- Ну а в чём, собственно, проблема с этими археями, ну ещё один сорт бактерий, и что в этом такого уж странного? 

- Дело в том Холмс, что они одновременно и похожи, и непохожи на других бактерий. В конце 70-х годов прошлого века у учёных, наконец, появилась возможность читать текст, записанный в ДНК и РНК, и после этого быстро выяснилось, что внешняя похожесть многих бактерий зачастую обманчива. Гораздо надёжнее сравнивать их ДНК. С другой стороны, как считалось тогда, да большинством до сих пор считается и теперь, если ДНК клетки, это её мозг, то сердце клетки, это её рибосома. Абсолютное большинство белков, без которых клетка попросту не может существовать, синтезируются именно на рибосомах. Рибосомы есть в любой живой клетке. Значит, рассуждали учёные, сравнивая рибосомы разных организмов, мы сможем понять, как они между собой связаны, и кто от кого произошёл.

- А что вообще из себя представляет это рибосома? - заинтересовался Холмс.

- Ну как вам объяснить понятнее, - замялся я. - Представьте себе липучку от мух. Это у нас будет модель рибосомной РНК, сокращённо - рРНК. Из неё можно делать всякие трёхмерные фигурки, склеивая ленту липучки саму с собой в разных местах. Только отличие от реальной липучки в том, что липучку мы склеиваем сами, и соединяем её где хотим, а реальные молекулы РНК, даже если их растянуть в одну длинную нить, и отпустить, всё равно опять сами свернутся в трёхмерную фигуру, причём, почти всегда в одну и ту же, форма фигуры зависит, в основном, лишь от состава нуклеотидов в нити РНК. Если опустить несущественные детали, то можно сказать, что вначале создаются (по лекалам ДНК) две базовые молекулы рРНК. Их принято называть "большая" и "малая" субъединицы, так как большая примерно вдвое длинее малой. Но даже так называемая "малая" представляет собой неслабый такой полимер длиной около полутора тысяч нуклеотидов, а каждый нуклеотид, в свою очередь, состоит из более, чем трёх десятков атомов. После того, как эти субъединицы свернутся, и примут предписанную им физическими законами форму, на них, как мухи на липучку, начинают налипать белки. Вот посмотрите, на этом рисунке нить рРНК показана коричневым, а налипшие на неё белки - синим. - Холмс с интересом стал рассматривать рисунок.

- А если какой-нибудь белок "прилипнет" не на своё место, что тогда? - поинтересовался он.

- Это исключено, - пояснил я. Все детали походят друг другу с высокой точностью как ключ с замком, так что, собираться вся эта конструкция может одним-единственным способом, и никак иначе. Как только обе субъединицы полностью соберутся, они тут же "садятся" на какую-нибудь кодирующую очередной ген информационную РНК (иРНК), как бы обхватывая её со всех сторон, а большая и малая субъеденицы при этом прочно свзываются между собой, распологаясь по разные стороны от нити иРНК. После этого остаётся лишь начать собирать очередной белок, считывая по мере продвижения по нити РНК с неё информацию и тут же "реализуя" её в виде выходящей из рибосомы другой цепочки, состоящей из синтезированных в соответствии с "чертежами" аминокислот. Ну так вот, именно малую еденицу РНК учёные и решили в первую очередь использовать, что бы разложить по полочкам разношёрстный зоопарк одноклеточных организмов. При этом, они вполне логично ожидали увидеть наибольший "водораздел" между двумя известными в то время доменами живых организмов - бактериями и эукариотами. Однако, к их удивлению, быстро выяснилось, что те организмы, которые по большинству внешних признаков, видимых в микроскоп, выглядет более-менее одинаково, и считались единым доменом бактерий, на самом деле чётко распадаются на два суб-домена, причём один из них в "рибосомной системе координат" гораздо больше похож на эукариот, чем на собственно бактерий. Американский микробиолог Карл Воз, который впервые открыл этот новый домен, назвал его архея, что в переводе с древнегреческого можно примерно перевести как древний или изначальный. Такое название во многом было связано с тем, что первоначально из членов этого нового домена были известны лишь экстремофилы, то есть, бактерии живущие в крайне экстремальных для остальных организмов условиях, например, в горячих источниках и очень солёных озёрах. Они у многих ассоциировались с суровыми условиями, которые могли существовать на древней Земле, соответственно, и сами эти организмы сразу попали под подозрение, как одни из самых, если вообще не самые древние. Правда, впоследствии выяснилось, что многие археи живут и во вполне, так сказать, нормальных условиях (в частности, даже у нас в кишечнике), а некоторые из "обычных" бактерий, в свою очередь, способны жить в условиях, по экстремальности не уступающих "архейским", но, как бы там ни было, а название прижилось. Возможно, в определённой степени под гипнозом этого названия, большинство учёных считали (и продолжают считать) архей одними из самых первых организмов на Земле, вышедших чуть ли не напрямую из гипотетического РНК-мира, существовавшего, как думают некоторые, в экосистемах геотермальных источников молодой Земли. Там, например, такие "классические" археи, как метаногены, могли бы жить и успешно размножаться за счёт реакции выделяющегося из земных недр водорода с углекислым газом, выделяя в качестве конечных продуктов реакции метан и воду. Дальнейшее более углублённое изучение нового домена лишь усилило подозрения. Например, выяснилось, что строение мембраны и клеточной стенки архей имеет существенные отличия от строения соответствующих биологических структур у "классических" бактерий. Кроме того, последовательность аминокислот во многих белках, участвующих в репликации ДНК у архей (что, в свою очередь, является одним из основных этапов в процессе деления клетки пополам) оказалась совсем непохожа на соответствующую последовательность у других бактерий. В общем, где-то к концу 80-х годов почти сложился консенсус - археи и "классические" бактерии, это две группы бактерий, разделившиеся очень давно, судя по различиям в строении мембраны и клеточной стенки, а так же протеинам, связанным с репликацией ДНК, ещё где-то на стадии РНК-мира, либо на этапе перехода от РНК-мира к ДНК-миру. Правда, подобно ситуации, сложившейся в физике к началу XX-го века, состояние всеобщего "глубокого удовлетворения" нарушала "пара облачков на горизонте". Во-первых, подтверждения реального существования архей-метаногенов (основанные на анализе биомаркеров с фракционированием изотопов углерода, характерным для архей), встречались лишь в породах возрастом не более 2.7 млрд. лет. Во-вторых, анализ филогенетических деревьев большинства общих у архей и остальных бактерий генов, связанных с клеточным метаболизмом, показывал, что судя по ним, отличие архей от остальных групп бактерий не больше, чем различия между большинством групп "классических бактерий". В 90-х годах XX-го века канадский учёный индусского происхождения Гупта разработал новый метод построения эволюционных деревьев. В отличие от классического, использующего степень похожести нуклеотидных последовательностей в генах, он предложил использовать так называемые вставки и делиции в аминокисотных последовательностях. Идея состояла в том, что вероятность замены одного нуклеинового основания на другое может очень сильно варьировать в зависимости от множества факторов (температуры окружающей среды, доли CG нуклеотидов в геноме, влияния подобных замен на жизнеспособность организма и т.д. и т.п.). Таким образом, "отделить мух от котлет" часто бывает очень сложно, а иногда и практически невозможно, особенно, когда речь идёт о самых древних этапах эволюции. Но замена одного нуклотида на другой это лишь один из видов мутаций, хотя и самый распространённый. По мысли Гупты, альтернативные деревья можно строить на основе анализа другого типа мутаций, которые происходят гораздо реже - вставок, или, наоборот, исчезновения нескольких аминокислот в консервативных протеинах, которые есть практически у всех живых организмов (как показывает анализ, на практике вставки происходят существенно чаще, чем исчезновения). Такого рода события (Гупта предложил называть их сокращённо одним словом индел (от английского In(sertion)-Del(ition))), особенно, если индел достаточно большой, скажем, не менее 4-х аминокислот, происходят очень редко, и благодаря этому обычно сразу хорошо видны при сравнении аминокислотных последовательностей белков. То есть, это как бы такие фундаментальные зарубки, отражающие качественные моменты в эволюции протеинов, или другими словами "шрамы", которые остаются в генах, так сказать, на всю оставшуюся жизнь.

Холмс кивнул, - да, это правда, идентификация про шрамам - один из самых надёжных методов опознания трупов, особнно, сильно изувеченных. Вот взять, например, вас, дорогой Ватсон. Вот этот небольшой шрам на безымянном пальце правой руки...

- Давайте всё же вернёмся к бактериям, поспешил предложить я, почувствовав, как неприятный холодок пробежал по спине. Вот посмотрите на этот рисунок.

 

- Что это, Ватсон, вторая серия плящущих человечков? - заинтересованно спросил Шерлок, доставая свою лупу.

- Да нет Холмс, это просто фрагмент аминокислотной последовательности белка теплового шока HSP70 для некоторых бактерий, приведённый Гуптой в одной из своих статей, - не без некоторого злорадства констатировал я. - Помните я вам говорил, что есть бактерии с одинарной мембраной, а есть с двойной? Кстати, по некоторым историческим причинам первые называют ещё грамположительми, а вторые - грамотрицательными. Так вот, здесь грамположительные группы бактерий обозначены синим, а грамотрицательные - красным. Буквы после названия каждой бактерии кодируют 20 стандартных аминокислот, которые чаще всего встречаются в белках. Если буква (аминокисота) совпадает с буквой для самой верхней бактерии в списке (а там приведена последовательность для легендарной кишечной палочки E. coli, которая для молекулярщиков, занимающихся бактериями, является чем-то вроде дрозофилы для генетиков середины XX-го века), то вместо буквы, соответствующей аминокислоте, стоит прочерк. Обратите внимание, что большой участок, длиной примерно в 20 аминокислот, присутствует у всех грамположительных бактерий и начисто отсутствует у всех грамотрицательных. Это как раз то, о чём я говорил, редкому эволюционному событию, появлению дополнительной мембраны (либо, как считают некоторые, наоборот, утрате внешней мембраны) соответствует определённая "зарубка" в молекулярной "летописи". Конечно, не всё так просто, изредка встречаются и исключения, но идея, думаю, понятна. - Да вполне, согласился Холмс, - так сказать, синенькие против красненьких...

- Ну вот и отлично, - обрадовался я, - так вот, Гупта и независимо ещё одна группа учёных, применившая похожий метод, хотя и слегка модифицированный, на основании анализа инделов в разных группах бактерий пришли к одинаковому выводу - Лука имел одинарную мембрану, то есть, был грамположительным.

- То есть, я правильно понимаю, что вы в этих тараканьих бегах ставите на синеньких? - поинтересовался Холмс.

- Вы, как всегда, правы, Холмс. Так сказать, все на Янычара, ведь Россия не помещается в шляпу...

- Ммм..., а при чём тут родина слонов, дорогой Ватсон, мой дедуктивный метод...

- Ну хорошо, Россия действительно не при чём, если, конечно, признать, что курица всё же птица, то и Болгария заграница. В общем, Холмс, есть такая тема, что в 2011-м году работающая сейчас в США болгарка Элица Тошева сделала очень важное открытие. Как я уже говорил, в биологии вообще, и в микробиологии в частности, практически нет правил без исключений. Одна из причин этого заключается в том, что границы между различными группами бактерий достаточно условны и размыты, так как в большинстве случаев находятся организмы, располагающиеся как бы в погранзоне, отделяющей одну группу от другой. В принципе, это одни из самых интересных для исследования объектов, так как можно предположить, что они представляют собой как бы след, оставленный в биоте при переходе некого условного "стада" организмов из одного устойчивого состояния в другое.

- Это как будто если бы, положим, некая стая волков, живущая в каком-то ареале обитания, перебралась в другую местность, с отличными от первой внешними условиями, но какая-то небольшая часть животных, отбилась бы от основной стаи, и так и осталась жить где-то на пол-пути?

- Ну да, примерно так. Так вот, изучаемая ею бактерия по прозвищу длинная Ацетонема (Acetonema longum) как раз и обладает таким смешанным набором признаков. По результатам анализа её рРНК, способности к спорогенезу, ацетогенезу как основному способу извлечения энергии и ряду других характеристик это типичный представитель грамположительных бактерий с одинарной мембраной. Однако, мембран у неё всё же две, что, естественно, роднит её с лагерем "красненьких" грамотрицатеьных бактерий. Тошева изучала процессы спорогенеза, то есть, то, что происходит с типичными грамположительными бактериями, когда они остаются на голодном пайке. А происходит при этом то, что в таких условиях они в результате довольно сложных метаболических процессов формируют вокруг себя дополнительную толстую внешнюю оболочку, после чего как бы впадают в спячку, и все внутриклеточные процессы при этом полностью останавливаются. На первый взгляд, клетка мертва, она может находиться в таком законсервированном состоянии абсолютно без движения сотни тысяч, и даже миллионы лет (официально зарегистрированный рекорд - около 8 млн. лет). Но стоит внешним условиям смениться на благоприятные, как спора подобно семени прорастает, и бактерия как ни в чём не бывало опять оживает.

- Ну не томите Ватсон, что же там в итоге выяснилось?

- А выяснилось то, дорогой Холмс, что у данной бактерии после "оживания" бывшая внутренняя мембрана превращается во внешнюю!

- Хм, элегантно, мне определённо нравится это дело!

- Приятно слышать, Холмс. Так вот, применяя то, что вы в силу своего полного невежества в математике продолжаете именовать дедуктивным методом к данному случаю, имеем ли мы право высказать предположение, что это своеобразный намёк природы о том, как произошли все бактерии с двойной мембраной?

- Ну что же, как рабочая гипотеза - почему бы и нет, тем более, что вы говорите, что и анализ этих, как его, инделов, тоже подтверждает, что именно красненькие произошли от синеньких, а не наоборот. Но я где-то читал, что отпечатки самых первых организмов на Земле похожи на сине-зелёные водросли...

- Холмс, во первых, вы это, наверно, читали не меньше четверти века назад, ибо, что бы не путать эти организмы с настоящими водрослями-эукариотами, их давно переименовали в цианобактерий. Во-вторых, например, по версии Гупты именно цианобактерии вместе с сильно похожими на них внешне ниточными бактериями хлорофлекси и экстремофильной группой деинококкус-термус и были первыми группами бактерий с двойной мембраной, "отпочкававшимися" от своих одномембранных предков. Просто многие цианобактерии образуют колонии из длинных нитей, которые к тому же тесно переплетаются в бактериальных матах. Соответственно, их достаточно просто заметить даже в сильно метаморфированных породах. А те же грамположительные бактерии в те времена должны были жить, по идее, где-нибудь, где есть хоть немного свободного водорода и угарного или углекислого газа, скажем, вблизи выхода на поверхность вулканических газов, а осадочные породы, обычно достаточно хорошо сохраняющие в себе остатки микроорганизмов, в таких условиях как правило не образуются...

- На всё то у вас есть ответ, Ватсон. Ну хорошо, принимаем это в качестве рабочей гипотезы. Если у вас есть ещё какие-нибудь козыри на руках, выкладывайте их сразу на стол.

- С удовольстваием, Холмс. Итак, я тут навёл кое-какие справки в NCBI...

- Это что, новое название архива лондонской полиции?

- Нет Холмс, это всего лишь название базы данных американского национального центра биотехнологий. Так вот, я решил использовать ваш знаменитый дедуктивный метод, который, на самом деле, индуктивный, ну в общем, я сам запутался не хуже Конан Дойля, но не суть. Короче, я качнул из NCBI кое-какие данные, и написал простенькую программку для своего компа, попросив его выяснить, какой из геномов среди нынешних бактерий самый старый, ну, то есть, меньше всего отошёл от мифического Луки...

- С этого места, пожалуйста, поподробнее, дорогой Ватсон. Что конкретно вычисляет эта программа?

- Ну хорошо, Холмс, вот линия моих рассуждений. Если легендарный Лука действительно когда-то существовал, то можно мысленно разместить его в центре Большого Биологического Взрыва (ББВ). Его начавшие эволюционировать из этой точки потомки вначале все обладали идентичыми геномами, но постепенно в результате мутаций они начали между собой всё больше и больше отличаться, как бы разлетаясь из исходной точки в разные стороны. Что представляют из себя мутации? Это, в основном, замена одних нуклеиновых оснований в ДНК на другие, копирование (размножение) и утрата определённых участков генома, перемещение (прыжки) участков генома с одного участка хромосомы на другой. Теперь представьте, что у вас есть два генома одинакового размера, и вам нужно понять, какой из них старше, ваши действия?

- Дайте подумать... Точечные мутации, когда одни нуклеиновые основания заменяются на другие, пожалуй, ничего путного нам не расскажут, ибо, если они случайны, то, понять, какое состояние было до мутации, а какое есть результат мутации, практически невозможно. Так, а что если использовать перемещения участков генома, привязавшись к энтропии?...

- Холмс, я восхищён, вы знаете что такое энтропия?

- Не мешайте мне Ватсон, я вас почти не перебивал... - Холмс в очередной раз сменил патрон в трубке, и минут пять задумчиво грыз мундштук. - Итак, - тторжественно возвестил он наконец, - нужно скормить оба генома одному и тому же архиватору, и тот из них, чья сжатая корпия в итоге окажется больше, тот и древнее!

- Гениально, Холмс! - только и осталось произнести мне, - но как?

- Элементарно, Ватсон! Смотрите, при перепрыгивании участка генома внутри хромосомы энтропия тоже не меняется... А вот если ген просто сдублирован, но общая длина генома по условиям задачи при этом не изменилась, то это означает, что какой-то другой, возможно, уникальный участок генома, был попросту выкинут. Значит, энтропия генома при этом уменьшилась. В общем, при прочих равных, чем больше в геноме плотность информации, тем он древнее, такое вот получается видимое противоречие...

- Ну что же, в принципе, вы правы Холмс, хотя, конечно, тут важны ещё не совсем очевидные предположения, типа, например, того, что никакой новой информации в геном не было внесено извне, скажем, путём занесения её вирусами.

- Ну, как говорится, в нулевом приближении будем считать, что таковые эффекты влияют на все бактерии примерно одинаково. Так что же у вас в итоге получилось, дорогой Ватсон?

- Честно говоря, когда я писал программу, то зашёл немного с другой стороны, а именно, она искала, в геноме какой бактерии найдётся меньше фрагментов генома, для которых есть соответсвующий участок в хромосоме её спарринг-партнёра. Соответственно, у какой бактерии в геноме больше участков, у которых ноги растут предположительно из генома сравниваемой с ней бактерии, та и моложе. Если теперь попарно сравнивать по этому параметру геномы бактерий, то будут выстраиваться, так сказать, генеологические цепочки, которые в идеале должны в итоге приводить к бактерии, находящейся ближе других от эпицентра ББВ. Ну так вот, так сказать, абсолютным чемпионом оказалась одномембранная бактерия, принадлежащая к роду Rubrobacter, но и вообще грамположительные бактерии по этому критерию выглядят явно древнее грамотрицательных.

- Но всё же, почему именно Rubrobacter, она действительно самая древняя?

- Не уверен Холмс, скорее, она ближе всего к общему предку всех грамотрицательных, в частности, она является тем редчайшим исключением среди синеньких, у которого есть соответствующая грамотрицательным бактериям вставка в белке теплового шока.

- Но почему же она в вашем тесте опередила других грамположительных?

- Могу предположить, Холмс, что всё дело в средах, в которых она предпочитает обитать. Это довольно специфические среды типа радиоактивной воды из системы охлаждения атомных реакторов или резервуаров с промышленными отходами. Конечно, конкуренция там практически нулевая, но и естественный мутационный фон тоже неслабый, что, естественно, сильно способствует увеличению генетического многообразия, как бы генерируя новую информацию. Кстати, и по "классическим" методам, основанным на анализе рРНК род Rubrobacter выглядит самым древним среди типа актинобактерий, к которым он и принадлежит (грамположимтельные бактерии, кстати, включают в нулевом приближении всего два типа - актинобактерии и фирмикуты, есть, правда, ещё археи, о которых речь впереди, но их приято выделять в отдельный домен).   

- Хорошо, это всё, или у вас в рукаве припасён ещё какой-нибудь джокер?

- Холмс, я тщательно изучил вашу методику расследования, и пришёл к выводу, что улик никогда не бывает слишком много...

- Выкладывайте!

- Да будет вам известно Холмс, что геномы всех нынеживущих организмов не Земле, не считая некоторых вирусов, представляют из себя двухцепочечную спираль, состоящую из взаимнокомплементарных нитей. Далее, в геномах почти всех (за редкими исключениями) бактерий, эта двухнитиевая спираль замкнута сама на себя, образуя кольцо. При этом, гены могут читаться с обоих нитей, но только в одну сторону, как принято говорить, от 5 конца к 3 концу, хотя никаких концов у кольцевой ДНК, разумеется, нет (гусары - молчать!). Но так как нити в двойной спирали направлены в противоположные стороны, то выходит, что на каждом фрагменте спирали ДНК ген может быть записан как в одну, так и в другую сторону. Можно договориться называть эти направления "по часовой стрелке", и "против часовой стрелки". При чтении генов на той или иной спиральной нити ДНК синтезируется комплементарная ей нить РНК. Если мысленно разделить кольцевую ДНК на две половинки (с 12 часов дня до 6 часов вечера, и, соответственно, с 6 вечера до 12 ночи) вертикальной линией, проведя ось симметрии от места крепления кольцевой хромосомы к мебране, то можно заметить, что в среднем гены на правой половинке хромосомы почему-то статистически чаще распологаются по часовой стрелке, а в левой - против часовой стрелки. Любопытно, да? Я, признаться, был заинтригован данным обстоятельством, и написал программку, которая вычисляла меру отклонения направления чтения генов в заданном геноме от полностью случайного. С помощью этой программы я быстро выяснил, что геномы, в которых наблюдается максимальная упорядоченность, принадлежат клостридиям, являющимимся одним из классов фирмикут, которые, в свою очередь, если вы ещё не забыли, являются одним из двух основных типов грамположительных бактерий. При этом, самый экстремальный геном оказался у любящей сильно пересоленные растворы бактерии Acetohalobium arabaticum, выловленнной в одной из мелководных лагун на Арабатской Стрелке, отделяющей солёное озеро Сиваш от Азовского моря.

-  Азовское море, где это, кажется, где-то на юге Российской империи, недалеко от Крыма? Опять, в который уже раз, следы в расследовании ведут в Россию?

- Холмс, когда вы в последний раз смотрели раздел политки в Таймс? Вот уже больше 20-ти лет, как Крым принадлежит Украине, впрочем, даже вы вряд ли отличите украинца из какой-нибудь харьковской области от русского из, положим, белгородской губернии. Но я, с вашего позволения, продолжу. Так вот, у нашей героини с Арабатской Стрелки на каждые девять генов, расположенных как доктор прописал, то есть, читающихся по часовой стрелке с полудня до 6-ти вечера, и в обратном направлении с 6-ти до полуночи, присутствует лишь один ген, читающийся в "неправильном" направлении. Как нетрудно посчитать, вероятность случайного выпадения такой комбинации настолько смехотворно мала, что её даже бессмысленно обсуждать.

- Но должны же быть какие-то причины, что говорят английские учёные?

- Они, как, впрочем, и все остальные, гордо молчат по этому поводу.

- Что, неужели нет вообще никаких гипотез?

- Во всяком случае, я ничего подобного не встречал. Кстати, у геномов клостридий есть и другие странности. Например, многие совместно работающие гены у бактерий часто собраны в кластеры, содержащие сразу до нескольких десятков генов, учёные называют такие участки оперонами. Так вот, у клостридий с экстремальными геномами оперон часто начинается на одной стороне кольца (на участке, например, "пятнадцать минут первого"), а продолжается на абсолютно симметричном участке ("без четверти двенадцать") на другой нити ДНК! При этом, у других родственных им бактерий тот же оперон целиком распологается на одном участке ДНК.

- Но как такое возможно, Ватсон, ведь они пространственно разнесены, это какая-то мистика!

- Ну, как вы любите говорить Холмс, конечно, если в данном случае не обошлось без Небесных Сил, то наука здесь бессильна, но можно всё же попытаться найти и какое-нибудь земное объяснение. Представьте, например, что геном Луки был линейным, со структурами типа "булавочная головка" на конце. Кстати, линейные геномы до сих пор встречаются среди бактерий, не говоря уже про вирусов и эукариот, для которых это де факто стандратная форма хромосомы. Вот, смотрите, я набросал, насколько мне позволяют мои скромные художественные способности, простенькую схемку. Синим условно обозначена мембрана Лука. Точка начала репликации (ORI) расположена в районе верхней петли. Далее, учтите Холмс, что Лука вряд ли мог обладать всем могучим арсеналом инструментов, доступных современным бактериям, да и создать сразу с нуля многие достаточно сложные многоэтапные процессы типа репликации ДНК нереально. Логично предположить, что начиналась его эволюция с самого базового процесса - полимеризации простой полинуклеотидной цепочки, остальные фишки типа предварительно расплетающей нити ДНК хеликазы появились позже.

- Но ведь судя по вашему рисунку Ватсон, хотя в наличии и одна нить, она, тем не менее, комплементарно скручена сама на себя, как же тогда её скопировать, да даже и просто прочитать без этой самой хеликазы?

- Вы правы, Холмс, без хеликазы обойтись действительно трудно, но, в определённых условиях, видимо, всё же можно. Вы знаете, что происходит с двойной спиралью ДНК при нагревании? При определённой температуре, точное значение которой зависит от состава среды, в которой плавает ДНК, она денатурирует, то есть, водородные связи между нуклеотидными основаниями разрываются, и комплементарные участки ДНК расходятся. Далее, если температуру среды понизить, двойная спираль опять восстановится, но, внимание, разница между температурой самопроизвольного расхождения нитей ДНК и их последующего, так сказать, воссоединения, достаточно велика - градусов 30-40. Теперь представьте, что температура среды, в которой обитает бактерия, по каким-то причинам периодически меняется. Ну, например, днём она подбирается почти к ста градусам, а ночью опускается градусов до 60-70. Или, скажем, бактерия живёт в мелководном водоёме, расположенном вокруг действующего гейзера. Когда гейзер в очередной раз выдаёт фонтан кипятка, температура воды в бассеине быстро подскакивает, и ДНК сама собой расплетается. И пока температура среды потом медленно падает, бактерия с помощью ДНК и РНК полимераз успевает, так сказать, на халяву, произвести определённое количество нужных ей РНК и наштамповать несколько зеркальных копий своей ДНК поделившись пару раз пополам.

- Подождите, Ватсон, но ведь зеркальная копия не аналогична оригиналу, попробуйте ка надеть левую перчатку на правую руку, ставлю 10 фунтов, что вам это не удастся!

- Да нет проблем, Холмс!

Шерлок тут же достал из кармана Андроид, на экране которого красовалась единственная большая красная кнопка с надписью "Миссис Хатсон" и с удовольствием нажал её. - Риночка, принести мне, пожалуйста, кофе и мои перчатки из прихожей.

- А кофе зачем? - не понял я.

- Для конспирации, - подмигнул мне Холмс. Через какое-то время в комнату зашла Рина Зелёная с подносом, на котором стоял кофейник, две чашки, кувшинчик со сливками, сахорница и пара поношенных перчаток с вензелями "ШХ". - Ну что же, приступим, не будем терять время, - произнёс мой друг, как только дверь закрылась, и с удовольствием отхлебнул ароматного кофе. Я взял левую перчатку, вывернул её наизнанку, и надев на правую руку, констатировал - с вас 10 фунтов Холмс.

- Но вы же не пойдёте в таком виде на улицу, - ошеломлённо произнёс Шерлок. - В конце концов, это же неудобно.

- Да, для меня это, конечно, менее удобно, ибо вывернутая наизнанку перчатка меняет свои свойства, но самокомплементарная нить ДНК абсолютно симметрична, за исключением небольших областей в районе своих концов, так что, для неё это, вероятно, не проблема.

- Но всё же, надеяться только на внешние силы в деле размножения, это как-то не очень дальновидно, - философски констатировал Холмс, а я мысленно про себя отметил, что фраза получилась несколько двусмысленной.

- Зато можно сэкономить много ценной энергии за счёт того, что процесс расплетения ДНК делет сама природа, - констатировал я. - Кроме того, клетка, в принципе, может и сама в какой-то степени регулировать процесс спонтанной денатурации собственной ДНК. Например, известно, что он проходит более эффективно при увеличении солёности среды и повышении концентрации в ней формамида. А учитывая, что сам формамид легко синтезируется из простейших компонентов - аммиака и оксида углерода, это открывает для клетки определённые возможности, чтобы хотя бы частично взять управление процессом под свой контроль. Да и ждать своего шанса бактерии могут долго, им торопиться некуда, как считают некоторые учёные, определённые виды свободноживущих бактерий делятся пополам лишь один раз в сотню, а то и тысячу лет... Сложнее с протеинами, которые хочешь - не хочешь, а нужно периодически обновлять, ибо они достаточно быстро деградируют. Но гены, кодирующие наиболее часто используемые протеины могли распологаться и на редких неспаренных фрагментах ДНК, например, в районе уже упомянутых структур типа булавочная головка. Не исключено так же, что какие-то небольшие фрагменты хромосомы наших далёких предков могли присутствовать в виде неспаренных РНК, намёк на что можно усмотреть, например, в том, что в большинстве случаев матричная полимеризация молекулы ДНК начинается с создания так называемой праймазы, представляющей из себя небольшой фрагмент РНК, являющейся затравкой, к которой уже потом присоединяются ДНК-нуклеотиды. В общем, не всё так безнадёжно, особенно, если предки Луки в определённый период своей биографии действительно жили в среде, характерной для гипертермофилов.

- Ну хорошо, - согласился Холмс. - Предположим, у этого Луки действительно был одноцепочечный самокомплементарный геном, но как он у большинства бактерий превратился в классический кольцевой двухцепочечный? И насколько это вообще возможно, так круто поменять топологию хромосомы?

- Что касается топологии, то, похоже, с этим нет никаких проблем. Не так давно группа исследователей разрезала кольцевой геном кишечной палочки в районе точки окончания репликации (то есть, как бы в районе "6 вечера"), и зашунтировав концы получившегося линейного генома специальными белками, стала наблюдать, что будет. К их немалому удивлению, бактерия продоложала жить как ни в чём не бывало, чувствуя себя вполне комфортно, и даже успешно размножалась... Что же касается первого вопроса, то представьте себе, что температура внешней среды медленно, но верно, начала уменьшаться. В конце-концов она упала настолько, что даже изредка перестала подниматься выше точки начала денатурации, и даже фокусы с увеличением концентрации формамида помогали всё хуже. Таким образом, чтобы выжить, существующим в то время клеткам нужно было как-то решить проблему "расшивания" спирали ДНК. Этого удалось добиться за счёт изобретения специальных ферментов, помогающих раскручивать спираль ДНК - хеликазы и топоизомеразы. Конечно, для выполнения своих функций им требовалась энергия в виде АТФ, но другого выхода в сложившейся ситуации всё равно не было. Итак, продолжим фантазировать. Пока температура держалась выше температуры склейки фрагментов ДНК, всё могло работать как и раньше за исключением того, что халява закончилась, и бактериям пришлось, так сказать, за свой счёт расплетать ДНК. Но когда температура упала ещё сильнее, то перестала достигать даже того предела, при котором ещё не наблюдается самопроизвольное склеивание нитей. Это привело к тому, что вновь синтезируемая ветвь ДНК уже не могла оторваться от своей комплементарной копии, формируя при попытке репликации вместо двух одноцепочечных одну кольцевую двухцепочечную структуру. Вуаля, встречайте только что рождённую классическую ДНК!

- Подождите, Ватсон, но как же она в итоге размножалась?!

- Ну, это уже совсем детский вопрос, Холмс. Ведь созданные на предыдущем этапе средства расплетения ДНК никуда не делись, только теперь они стали использоваться для расплетения двух обособленных нитей ДНК, каждая из которых тут же достраивалась полимеразами до полной копии. Соответственно, сразу же решилась проблема самопроизвольного склеивания только что разделённых нитей, ведь их клейкая сторона тут же экранировалась синтезированной на ней комплементарной нитью. То есть, наглядно это можно себе представить так, что мы разделяем склеенные между собой клейкие стороны двух полос самоклеящегося скотча, и тут же наклеиваем на каждую из них ещё по одной такой же ленте и тоже клейкой стороной к клейкой стороне. В результате вероятность, что туда налипнет что-нибудь лишнее, резко уменьшается. Соответственно, организмы с однонитиевой линейной ДНК быстро проиграли в конкурентной борьбе, оставив за собой лишь специфическую нишу вирусов и вироидов с небольшими по длине хромосомами. Ну как вам такой сценарий, Холмс? - закончил я свой несколько затянувшийся монолог и вопросительно посмотрел на своего друга.

Холмс не торопясь допил кофе, поставил чашку на журнальный столик, взял с него трубку, затянулся, и задумчиво произнёс, - может и так, а может и нет, по крайней мере, очевидного алиби у подозреваемого я пока не вижу, впрочем, и с доказательной базой вашей версии тоже не густо. Но вы, кажется, намекали на некую связь репликации ДНК с ориентацией направления чтения генов в геномах ваших любимых клостридий?

- Да, вы правы Холмс, давайте вернёмся к нашим экстремальным геномам. Но прежде, мне нужно напомнить вам одну важную деталь. Хотя во всех современных организмах (кроме вирусов) одновременно копируются сразу обе нити ДНК, причём, одновременно в обе стороны от точки начала репликации (всего, стало быть, одновремено полимеризируется 4 нити!), репликаза может работать лишь в одном направлении (от 5 конца к 3 концу). Соответственно, если одна нить в каждом направлении может копироваться непрерывно (её называют лидирующей), то вторая (её называют отстающей или запаздывающей) лишь относительно небольшими фрагментами (так называемые фрагменты Оказаки) в обратном по отношению к лидирующей ветви
направлении. В общем, создаётся ощущение, что лидирующая ветвь копируется как бы более просто и естественно, а отстающая несколько более сложно. Не исключено, что этот механизм появился позже основного. Таким образом, можно предположить, что схема с фрагментами Оказаки дополнила исходный алгоритм полимеризации ДНК лишь после перехода от однонитиевой к двухнитиевой ДНК. В таком случае вполне естественной выглядит гипотеза, что совпадение направления синтеза лидрующей ветви ДНК при репликации, и направления синтеза РНК при экспрессии большинства генов в геномах клостридий вовсе не случайность, а закономерное следствие того, что на ранних этапах эволюции, когда ДНК была ещё однонитиевой, как экспрессия РНК и протеинов, так и репликация ДНК могли происходить лишь в одном направлении. Возможность репликации и синтеза белков в противоположном напавлении появилась лишь после после перехода к двухнитиевой ДНК. При этом, изначально после указанной трансформации в ДНК всех организмов появилось по две копии всех участков ДНК. Одна на лидирущей нити, а другая, расположеннная симметрично относительно точки начала репликации на другой стороне хромосомы, на запаздывающей нити. Именно поэтому мы до сих пор видим, что оперон иногда начинается, положим, на пол первого, а продолжается на пол двенадцатого.

- Что то я не догоняю, дорогой Ватсон, нельзя ли понагляднее?

- Хорошо, но вначале, не могли бы вы плеснуть мне в рюмку ещё немного той жидкости, которые лягушатники втюхивают нам вот уже не один десяток лет? Спасибо! Итак, вот, например, полюбуйтесь на этой картинке на геометрические особенности распредеделения генов в геноме типичной экстремальной клостридии - Halothermothrix orenii. Полосы на круговых зонах символизируют гены, расположенные, соответственно, на первой и второй нити кольцевой ДНК (цвет полос соответствует специализации соответствующих генов) на данном участке генома. Стрелочки указывают направление движения полимераз при репликации ДНК и считывании генов (синяя соответствует лидирующей цепи, а красная - запаздывающей цепи, синтезируемой посредством фрагментов Оказаки). Как нетрудно заметить, примерно в 12 часов дня (что примерно соответствует точке начала репликации - ORI) и в 6 часов вечера (что примерно соответствует точке окончания репликации - TER) наблюдается массовый синхронный перескок генов с одной нити ДНК на другую. В результате, если на правой части кольцевой хромосомы буквально яблоку негде упасть между генами на первой нити, а на второй пусто хоть шаром покати, то в левой части наблюдается ровно обратная картина. Между тем, данное явление, возможно, не покажется таким уж странным, если попробовать связать его с другим базовым процессом, в котором участвует ДНК - её репликацией. Действительно, процесс транскрипции гена (то есть, полимеризации на одной из нитей ДНК молекулы информационной РНК - иРНК) в общих чертах весьма похож на процесс репликации соответствующей нити. В обоих случаях полимераза ползёт по заранее расплетённой нити ДНК, в обоих случаях она синтезирует её комплементарную полинуклеотидную копию, с той лишь разницей, что в одном случае синтезируется РНК, а во втором - ДНК. При этом, самый интересный факт состоит в том, что у большинства клостридий области, в которых наблюдается максимальное скопление генов (правая часть внешней круговой полосы на рисунке, и левая часть внутренней круговой полосы на рисунке) в точности совпадают с областями репликации лидирующей цепочки ДНК. Соответственно, можно предположить, что у Лука они совпадали полностью, и как чтение генов, так и репликация ДНК осуществлялись по единственной нити, которая являетя аналогом лидирующей нити современных бактерий. Другими словами, раньше полимераза, синтезирующая нуклеиновые кислоты, могла двигаться по единственной нити ДНК по кругу, причём, всегда в одном и том же направлении. Клостридии, ближе всего отстоящие от Лука, сохранили в структуре своих геномов родимые пятна, связанные с одноцепочечностью его самокомплементарного генома в виде сильной ассиметрии расположения генов на своей кольцевой хромосоме. Можно предположить, что те их редкие гены, которые расположены в "неправильных" зонах ДНК, перескочили туда в результате более поздних геномных перестроек (активности вирусов, мобильных генетических элементов и тому подобной нечисти) уже после трансформации одноцепочечного генома в двухцепочечный.

- Хорошо, Ватсон, предположим, ваша версия действительно заслуживающей внимания... Я сказал предположим, - внушительно произнёс Холмс, заметив, как моё лицо просияло от радости. - Но если вы действительно правы, то, исходя из рисунка, который вы мне показывали до этого, у Лука на большинстве фрагментов его линейного самокомплементарного генома должно было находиться сразу по два гена, как это вообще возможно? Я слышал, что некоторые народы пишут не слева-направо, а справа-налево, но вот чтобы кто-нибудь писал осмысленные тексты, которые можно читать одновременно как слева-направо, так и справо-налево, что-то не припомню... 

- Ну как же, а палиндромы?

- Палиндромы это не более, чем забавный казус, причём, длина текста палиндромов весьма ограничена.

- Это потому, что в них выставлено дополнительное жёсткое условие - и справа-налево и слева-направо должен читаться один и тот же текст. Если этого условия не выдвигать, то длина осмысленных текстов, читающихся в обе стороны может быть гораздо больше. Кроме того, и избыточность генетических текстов существенно выше. Холмс, вы знаете, что такое генетический код?

- Ну, что-то вроде соответствия между комбинациями нуклеотидов и аминокислотами, а что?

- Дело в том, что одну аминокислоту кодирует триплет нуклеотидов. Так как нуклеотидов всего четыре, то, если вы ещё не забыли школьный курс комбинаторики, ими можно потенциально закодировать 63 аминокислоты, и ещё останется одна запасная комбинация нуклеотидов для кодона стоп. А в реальности кидируются всего 20 аминокислот, причём, для многих аминокислот третий нуклеотид в триплете вообще не имеет значения (так называемая вырожденность по третьему основанию). Кроме того, нужно учесть, что раньше спектр синтезируемых рибосомой аминокислот по видимому был уже, чем сейчас. Ну и, наконец, каталитические свойства белка обычно наиболее сильно зависят от правильной позиции в цепочке всего лишь нескольких ключевых аминокислот в его активном центре, а состав большинство остальных аминокислот может варьировать в достаточно широком интервале без существенного влияния на функциональность протеина. Всё это делает возможность кодирования на одном и том же фрагменте спирали ДНК двух разных генов, читающихся в противоположных направлениях, вполне реальной, тем более, что до появления аэробов большинство микроорганизмов должно было сидеть на голодном пайке, так что, подобная экономия была не экстравогантным излишеством, а суровой необходимостью.

- Вы меня почти убедили Ватсон. Кстати, просматривается интересная аналогия. Во времена античности папирус тоже был достаточно дорог, так что, кроме основного текста, написанного на его лицевой стороне, достаточно часто для менее важных записей использовалась и его "черновая" обратная сторона.

- Увы, Холмс, ещё чаще поступали ещё проще, и просто стирали старый текст, а поверх него писали новый. Кто знает, сколько великих произведений античных авторов было из-за этого безвозвратно утрачено? В принципе, нечто похожее, по видимому, происходило и в геномах после превращения однонитиевой ДНК в двухнитиевую. Разделённые, наконец, гены - сиамские близнецы начали быстро эволюционировать, так как теперь они уже могли совершенствоваться независимо, без постоянной оглядки, а не ухудшит ли данная конкретная мутация работу их спарринг-партнёра "из зазеркалья". И всё же, какие-то отдалённые отголоски тех ранних времён эволюции в геномах, по видимому, остались. Например, в геноме одного одноклеточного эукариота (Achylia klebsiana) на одном и том же участке хромосомы распологаются уже знакомый вам ген теплового шока HSP70 и (читаемый, разумеется, в обратную сторону) ген, кодирующий фермент глутамат-дегидрогеназу. А уж для вирусов использование обеих сторон одного и того же фрагмента двухцпочечной ДНК для записи на нём сразу двух генов-перевёртышей и вовсе чуть ли не рутинная процедура.

- Ну ладно Ватсон, я смотрю, вы хорошо подготовились к защите своей версии. Однако же, вы что-то до сих пор ни словом не обмолвились, как в неё вписывается существование этих, как их там..., а вспомнил - архей? Насколько я понимаю, с ними и у неё всё не настолько очевидно, чтобы утверждать, что на руках у вас уже сейчас флэш-рояль, так?

- Вы правы Холмс, как учит нас старик Поппер, гораздо важнее рассматривать не аргументы, подтверждающие конкретную версию (ибо их, при большом желании, почти всегда можно найти очень много), сколько аргументы, её опровергающие. Однако, уже поздно, а завтра с утра у меня приём пациентов, так что, предлагаю продолжить нашу дискуссию завтра вечером.

- Отлично, договорились, Ватсон, - быстро согласился Холмс, и по выражению его лица я понял, что расследование заинтересовало его всерьёз.



Автор Combinator
Список публикаций >>

Обсуждение Сообщений: 2. Последнее - 02.06.2012г. 6:30:30
Оценить работу >> пока еще нет оценок, ваша может стать первой :)

Об авторе: Статьи на сайте Форнит активно защищаются от безусловной веры в их истинность, и авторитетность автора не должна оказывать влияния на понимание сути. Если читатель затрудняется сам с определением корректности приводимых доводов, то у него есть возможность задать вопросы в обсуждении или в теме на форуме. Про авторство статей >>.

Тест: А не зомбируют ли меня?     Тест: Определение веса ненаучности

Поддержка проекта: Книга по психологии
В предметном указателе: Журнал Достижения науки, техни... | Новости науки и техники | Расшифрована последняя хромосома генома человека | Обсуждение статьи Тайна Евангелия от Луки или последнее дело Холмса
Последняя из новостей: О том, как конкретно возможно определять наличие психический явлений у организмов: Скромное очарование этологических теорий разумности.

Нейроны и вера: как работает мозг во время молитвы
19 убежденных мормонов ложились в сканер для функциональной МРТ и начинали молиться или читать священные тексты. В это время ученые наблюдали за активностью их мозга в попытке понять, на что похожи религиозные переживания с точки зрения нейрологии. Оказалось, они похожи на чувство, которое испытывает человек, которого похвалили.
 посетителейзаходов
сегодня:33
вчера:11
Всего:26363039

Авторские права сайта Fornit
Яндекс.Метрика