Сибирские ученые исследуют хаос и гиперхаос в синтезе рибосом
Работы на стыке наук стали трендом последних лет: физики успешно сотрудничают с химиками, лингвистикой занимаются с помощью программирования, а математика открывает новые возможности для решения проблем биологии гена. Последнее направление получило развитие еще шестьдесят лет назад, и сейчас в этой области работают, например, в ФИЦ Институт цитологии и генетики СО РАН.
Математическая биология — это теоретический раздел науки о жизни, который занимается исследованием биологических систем во всех их аспектах методом математического моделирования. Ведущие научные сотрудники ИЦиГ доктора биологических наук Виталий Александрович Лихошвай и Тамара Михайловна Хлебодарова изучают свойства молекулярно-генетических систем как динамических объектов: описываютих структурно-функциональную организацию, формализуют её в виде системы дифференциальных уравнений и изучают динамические режимы их функционирования.
«Всю сложнейшую молекулярно-генетическую программу можно сжать, представить в виде нескольких уравнений, — рассказывает Виталий Лихошвай, — Дело в том, что если информацию об объекте нельзя сократить, то его нельзя и познать. Не нужно описывать огромную клетку во всем многообразии, которое придумала природа, и пытаться сделать модель, учитывающую много параметров, ведь в этом случае мы просто никогда не получим результат.»
От структуры системы к её динамическим свойствам ведут определенные причинно-следственные связи, которые ученые изучают, работая с генными сетями — группами координированно функционирующих генов, взаимодействующих друг с другом. Свойства, изучаемые исследователями, лежат в основе огромного количества генетических болезней: если в организме возникает мутация, которая изменяет функцию того или иного белка, тот начинает работать не так, как ему положено. Именно поэтому важно научиться вовремя распознавать и контролировать эти мутации.
Еще одна тема, над которой работают ученые — детерминированный (или динамический) хаос (а также гиперхаос, отличающийся только интенсивностью), который потенциально способен возникать в организмах на разных уровнях, из-за того что они являются динамическими саморазвивающимися системами и потому внутренне неустойчивы. Роль хаоса в функционировании, развитии и эволюции живых систем — интригующий вопрос. По словам Тамары Хлебодаровой, в настоящий момент известно несколько отрицательных примеров влияния хаоса. В частности, хаотичесую динамику связывают с такими патологиями как сердечная аритмия и почечная гипертензия. Хаос также может лежать в основе таких нейродегенеративных заболеваний, как эпилепсия, аутизм, шизофрения и болезнь Паркинсона: все они связаны с теми или иными повреждениями, которые могут возникнуть, если синтез белков в синапсах дезорганизован. Впрочем, можно указать как минимум один пример, когда хаотическую динамику можно рассматривать как позитивное эволюционное приобретение: у некоторых моллюсков стратегия поиска пищи устроена так, что деятельность нейронов заставляет их двигаться по гиперхаотической траектории. Обнаружение других примеров положительных и отрицательных влияний хаотической динамики — скорее всего, дело времени.
В своей последней статье, опубликованной в журнале Scientific Reports группы Nature, исследователи открыли хаос и гиперхаос в синтезе рибосом. Рибосомы — это органоиды живой клетки, на которых фактически основана её жизнедеятельность. Они присутствуют во всех живых системах: как в прокариотах (доядерных организмах, например, кишечной палочке, E. coli, являющейся частью здоровой микрофлоры человека), так и в эукариотах (клетках, несущих ядра). Все рибосомы синтезируются по сходным биохимическим законам, причем это автокаталитический процесс, потому что, по сути, они создают белки, из которых сами и состоят.
Кроме того, в клетке существуют специальные «машины», занимающиеся утилизацией «сломанного» (то есть продуктов жизнедеятельности) — без них клетки быстро забились бы биохимическими отходами. Но эти механизмы деградации тоже состоят из белков, которые синтезируются теми же рибосомами: выходит, живые организмы автокатализируют собственную утилизацию. Это значит, что возникает два процесса: позитивный и негативный. Благодаря этому, биогенез рибосом способен формировать очень сложную, в том числе и хаотическую, динамику поведения.
Ученые показали, что хаотическая динамика, непредсказуемость, внутренне присуща такому фундаментальному процессу как синтез рибосом, и, следовательно, живым организмам. Тем не менее, мы хорошо знаем, что живые существа развиваются вполне предсказуемо, по более или менее устойчивым программам. То есть в процессе развития клетка как-то решила проблему внутренней нестабильности, но пока неизвестно, как именно. «Скорее всего, живые системы в процессе эволюции научились избегать хаоса, подавляя его, поэтому нам интересно, как он изгонялся и какие для этого были использованы механизмы», говорит Виталий Лихошвай.
