9941204 Азбука пикотехнологии (н/п)

Пикотехнология позволяет конструировать молекулярные механизмы на электронном уровне с точностью долей пикометра.

Согласно современным научным данным, наномашины - это механизмы из атомов, сконструированные с точностью нанометр. Сложные наномашины, в частности белки, создаются при помощи живой клетки. Искусственные белки, изготовленные без помощи живой клетки, точнее без помощи рибосомы (белковой фабрики клетки), примитивны по сравнению с натуральными. Посмотрим, с чем это связано.

Атомы, объединяясь в молекулы, проявляют "странные" квантовые свойства. Углы между связями атомов в молекулах часто похожи на углы между уложенными вплотную многогранниками.

Оказалось, что и поворачиваться вокруг химических связей атомы могут чаще всего дискретно, как будто грани атомов смагничиваются с гранями соседних атомов. Специалисты по квантовой химии, молекулярной биологии и кристаллографии очень удивились, когда мы показали им модели известных молекул и кристаллов, где многогранные атомы действительно смагничены своими гранями.

В наших моделях гранями атомов являются кольца-электроны, магнитные свойства которых измерены с большой точностью экспериментально. Кольцевая форма нашей модели электрона позволяет в модельном эксперименте продемонстрировать устойчивость 1,2,8,18,32-гранных оболочек атома и, таким образом, понять процесс формирования электронной структуры атома и определяемые им периодические особенности, отраженные в таблице Менделеева.

Это уже другая смежная область пикотехнологии, названная нами атомной геометрией. Пикотехнология ставит целью адекватно представить механизм молекулы на электронном уровне. Что это значит? Если наша кольцевая модель электрона правильно отражает реальный электрон, то сконструированные из колец модели электронных поверхностей должны иметь форму и независимые от масштаба свойства реальных молекул. Мы занялись этой проверкой и обнаружили, что кроме геометрической формы наши модели позволяют увидеть причины многих "странных" свойств молекул. Почему, например, в аминокислотах атомы пептидной группы ведут себя подобно локтевому суставу?(в плоскости сустава молекула более гибкая, чем в перпендикулярной плоскости). Взглянув на "электронный механизм" легко понять, почему он обладает свойствами сустава.

 

Кольца-электроны могут свободно кататься друг по другу, но не могут деформироваться. Однако, достаточно расположить восемь колец симметрично и мы получим жесткую конструкцию восьмигранного атома.

Так, все же, как нам наглядно убедиться, что формы моделей из колец точно совпадают с формами реальных молекул? Это не так просто, как может показаться на первый взгляд. Дело в том, что не только электроны, но и многие атомы на электронных фотографиях молекул неразличимы. Общий контур молекулы хорошо различим лишь для крупных белков, насчитывающих тысячи и более атомов. Мы решились построить кольцевые модели нескольких известных белковых молекул. Одна из них troponin-C, насчитывающая около 8 000 поверхностных электронов. Она построена не по результатам рентгеноструктурного анализа, а по генетическому коду этой молекулы.

   

В современных учебниках по биологии написано, что белковые молекулы рождаются в развернутом виде, а затем сами сворачиваются под действием межатомных сил. Однако, в пробирке этого может и не произойти. Почему? Мы построили модель рибосомы, которая собирает белки по коду и обнаружили, что присоединение аминокислоты может происходить под разными углами (три кольцевых грани одной аминокислоты могут быть примагничены к трем кольцевым граням другой аминокислоты тремя способами).

Угол поворота аминокислоты кодируется третьей буквой триплета ДНК. Расшифровав композиционный генетический код (эта таблица опубликована в газете "Экономика сегодня и завтра №2(4) за 1993 г.) мы смогли вручную, а затем на компьютере строить по коду пространственную структуру любого белка. Компьютерная программа "Пикотехнология", созданная по нашему проекту фирмой "А-ГРАФ", является достойным дополнением международной программы "Геном человека", цель которой - определение генетической последовательности всех хромосом человека. По кодам, определенным программой "Геном человека" наша программа "Пикотехнология" сможет построить 100 000 пространственных структур белков, в том числе 2 000 известных человечеству сегодня. Построение одной структуры длится сотые доли секунды. Интересно, однако, продемонстрировать процесс сборки белковой молекулы по генетическому коду. Хитрость, которой воспользовалась природа для кодирования формы белков, заключена в стандартной форме пептидной группы всех аминокислот. Специалисты с недоумением отмечают, что замена многих аминокислот практически не влияет на форму и функции белковой молекулы. С нашей точки зрения это не удивительно, т.к. стебель белка, состоящий из пептидных групп остается той же формы.

Мы рассмотрим конструирование только стебля белковой молекулы. Вы увидите, что это достаточно для получения пространственной структуры любого белка, воспроизводимого рибосомой за один проход. Аминокислота, сборочная единица белковой молекулы, упрощенно выглядит следующим образом: Представьте себе винтовую лестницу с перилами. Нас будут интересовать только перила, точнее одно из них. Оно похоже на гигантский штопор, не правда ли ? Вырежем из этой формы участок, описывающий в проекции дугу в 90 градусов, и модель готова. Сечение нашего гигантского штопора должно быть треугольным, причем, треугольники (АBC и DEF) должны быть правильными.

Каждый следующий участок белка (аминокислота) присоединяется к предыдущему так, чтобы треугольник ABC следующей аминокислоты совпал с треугольником DEF предыдущей. Сколько вариантов присоединения? Правильно, три. Каждый из трех вариантов имеет свой генетический код (третья буква триплета). Например, аминокислота глицин Giy кодируется кодом GGC, если входит в состав альфа-спирали, кодом GGA, если входит в состав бета-слоя, кодом GGG, если входит в состав уменьшенной альфа-спирали, где водородная связь установлена не с четвертым, а с третьим аминокислотным остатком и, наконец кодом GGT, если является вторым аминокислотным остатком бетаповорота. Итак, третья буква триплета указывает под каким углом нужно примагнитить следующую пептидную группу к предыдущей.

Механизм композиционного кодирования

 

 

1). Вариант альфа. Последовательное присоединение аминокислот под таким углом формирует альфа-спираль белка.

 

 

2). Вариант бета. Последовательное присоединение аминокислот под углом бета формирует бета-слой.

 

 

3). Вариант кси. Образует, так называемые, петли. Последовательность -альфа-кси-альфа- позволяет сделать поворот белковой цепи в бета-слое.

Вот, собственно и вся азбука белковой архитектуры. Комбинация вариантов альфа, бета, кси позволяет воспроизвести невообразимо сложные формы белковых молекул. Нужно, конечно отметить, что реальные белки взаимодействуют еще и посредством радикалов аминокислот, которые могут выполнять функции магнитных защелок, демпферов, шарниров, суставов, штампов, замков и ключей, щупалец и рук, словом всех невообразимо сложных функций привычного нам мира и пока непривычного нам микромира.

Участки белков, воспроизводимых рибосомой за один проход, могут собираться посредством ферментов в сложные конгломераты четвертичной структуры, из которых в дальнейшем могут быть образованы структуры органелл(органов живой клетки). Но наша тема связана лишь с азбукой архитектуры молекул.

С этой точки зрения рассмотрим модель механизма ДНК, образованную как бы из двух "живых" молекул РНК со снятыми ограничителями, выполняющими в РНК функцию позвонков. Какие ограничители, какие позвонки в молекуле? Да, представьте себе, что функционально молекула РНК похожа на позвоночное животное. У нее есть "позвоночник", состоящий из "молекул-позвонков" фосфорной кислоты, которые, согласно нашей модели электрона и атома, функционально похожи на кубики Рубика.

   

Атомы в них могут поворачиваться, но магнитные свойства электронов удерживают их в трех устойчивых положениях, фиксируя разные устойчивые формы РНК и ДНК.

У этого "позвоночного животного" есть "магнитная чешуя", которая может образовать ступеньки спиральной лестницы, состоящей из двух "позвоночных животных". Головная "чешуйка" может держать четырьмя магнитными "присосками" аминокислоту и под нужным углом "вмагнитить" ее в создаваемую молекулу белка. В конце концов, она плавает как живая. Может быть она и на самом деле живая? Ведь что такое жизнь? Не будем касаться разумной ее формы. Жизнь - это прежде всего самовоспроизведение. Магнитные чешуйки нашего "позвоночного животного" позволяют ему размножаться (при наличии условий конечно).

Условия могут воспроизводиться по программе, записанной на магнитных "чешуйках". Для выполнения этой программы могут потребоваться сложные механизмы белковых молекул, клетки, человека, государства, цивилизации... Но вернемся к азбуке. Вопрос первый: как и почему может плыть наше "позвоночное животное?" Его кольцегранная "шкурка" обладает необычным для нашего мира свойством. Кольца-электроны образуют "скользкую" поверхность, "кожу молекулы". В некоторых кольцах снаружи удерживаются ядра атомов водорода, протоны. Их размер в сто тысяч раз меньше кольца-электрона. "Кожа молекулы" обладает как бы шипами, на которые наскакивают в своем тепловом движении мелкие молекулы воды и отдельные атомы и ионы. Если мы посмотрим на модель РНК, то увидим, что "шипы" направлены в одну сторону. Таким образом, мелкие молекулы, ударяя по РНК со стороны "головы" проскальзывают, а со стороны "хвоста" натыкаются на "шипы" и подталкивают РНК вперед. Так в теплой воде "оживают" молекулы РНК. Вопрос второй: "как построить подобную себе молекулу?" А) Доплыть до "супа позвонков с чешуйками" Б) Подождать, пока "чешуйки" примагнитятся, синхронно образуя "позвоночник" информационной копии. В) Подождать "весны", когда температура среды повысится на столько, что "спаренное позвоночное животное" "расплавится" на две "особи". Вопрос третий: "как приготовить "суп" и не ждать "весны"?" А) Развить генетическую программу до уровня самосознания. Б) Прочитать кулинарную книгу.

К сожалению в популярную статью не вместить всех нюансов живой архитектуры, поэтому массу вопросов по пикотехнологии, которые должны появиться у читателей, можно выяснить, посетив наши лаборатории "Наномир" и "Пикотехнология". Постоянная выставка, насчитывающая 1 500 форм кольцегранных атомов, молекул, кристаллов и фракталов, находится в центральном павильоне ВВЦ. Пока статья готовилась к публикации нам удалось получить экспериментальное подтверждение работоспособности нашей таблицы композиционного генетического кода, поэтому мы приводим ее полностью для тех, кто хочет увидеть форму любого белка, имея лишь его генетический код. Для простоты преобразования "код аминокислоты - композиция" триплетный генетический код заменим номерами от 1 до 64 по которым из нашей композиционной таблицы будем определять вариант композиции. Вариант С означает альфа-спиральный участок, А - бета, Т - композиция второго остатка бета-поворота, G - уменьшенная альфа-спираль. Таблица композиционного генетического кода:

TCCTACGTTCCTACCTTACCACGTACGTACGTTCCTACGTACGTACGTCCCTACGTCACCTCCT

Посмотрим, как определить композицию аминокислотного остатка Gly по его генетическому коду GGC.

1. Превратим код GGC в номер, учитывая, что A=0, C=1, G=2, T=3 в четверичной системе счисления. GGC=16·2+4·2+1·1=41.

2. Отсчитываем в таблице композиционного кода 41-й символ (обратите внимание, что таблица начинается не с 1-го, а с нулевого номера). Итак, если Вы не ошиблись, то найденный символ - это символ С, что означает, что наш глицин входит в состав альфа-спирали. Кому интересно узнать структуру белка по коду, а вручную считать утомительно, предлагаем воспользоваться нашей компьютерной программой. Программа написана на стандартном Паскале и позволяет преобразовать генетический код белка в композиционный код его структуры, согласно нашей таблице.

А теперь посмотрим, что получится после преобразования генетического кода альфа-структурного белка керотина и бетаструктуроного белка фиброина. Первые три строчки - результат работы нашей таблицы над кодами альфа-керотина, а следующие три строчки - бета-фиброина.

Каждый, кто отличит букву C от T увидит, что первые строки, в отличие от последующих, содержат сплошные С, означающие альфа-структуру.

См. также научную статью в журнал "Биохимия"

 

http://ftp.decsy.ru/nanoworld/index.htm