Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

До сих пор в этой книге я подсвечивал главным образом проявления физических законов в естественных процессах живого мира. Теперь, в третьей части, мы рассмотрим, как полученные знания применяются для внесения минимальных либо выраженных изменений в жизнедеятельность существ. Физическая природа биологической материи имеет решающее значение не только для внедрения новых технологий, но и для следствий их применения. Например, выводы, которые мы можем сделать из различий между последовательностями ДНК, или спектры вероятных и невероятных исходов изменения этих последовательностей зависят от организации процессов считывания ДНК; от архитектуры белков, синтезируемых в клетках; от сил, направляющих и ограничивающих самосборку; от случайности, присущей микроскопической среде, и от иных биофизических факторов. Помня о физическом контексте жизни, мы научимся различать варианты с высокой и низкой вероятностью, осуществимые и надуманные, а это поможет нам составить реалистичное представление о влиянии биотехнологий настоящего и будущего.

В главе 15 мы доберемся до методов переписывания генома. Но прежде чем писать геном, нужно научиться его читать, распознавая последовательности A, Ц, Г и T, характерные именно для него. Мы овладели этим навыком, создав поразительные технологии, которые используют физические свойства молекулы жизни и созидательную силу самосборки вкупе с микроскопической случайностью.

Почему читать ДНК сложно?

Даже само по себе чтение ДНК дает нам ценные сведения, на основе которых можно делать практические выводы. Например, выявление необычных нуклеотидных последовательностей (мутаций), сопряженных с повышенной вероятностью развития рака или других серьезных заболеваний может подтолкнуть нас к принятию превентивных мер. Или, секвенируя геномы клеток злокачественных опухолей и находя в них специфические генетические «подписи», мы можем подбирать более подходящее лечение. Эти и многие другие применения прочтения ДНК требуют картирования молекулы диаметром два нанометра и длиной метр.

В главе 1 мы узнали, что молекула ДНК напоминает цепочку из звеньев всего четырех типов. Почему же тогда нам нелегко читать последовательность этих звеньев? Если я напишу слово «молекула», вы сразу увидите последовательность букв в нем: М-О-Л-Е-К-У-Л-А. Проблема ДНК в ее малом размере. Длина каждого нуклеотида составляет около трети нанометра, а нанометр – это миллиардная доля, или 10^–9, метра. Такой размер очень мал не только для человеческого глаза, но и для любого светового микроскопа. Свет, как и радиоволны или рентгеновские лучи, представляет собой электромагнитную волну – распространяющееся в пространстве возмущение электрического и магнитного полей. У видимого света длина волны, то есть расстояние между ее гребнями, составляет несколько сотен нанометров, а точная величина зависит от цвета этого света. По законам оптики мельчайшие детали, которые можно различить, по размеру сопоставимы с длиной волны падающего на них света – и неважно, какие линзы, зеркала и микроскопы создает человек. Все, что меньше, сливается воедино. Даже если бы мы пометили A, Ц, Г и T разными цветами или маячками, метки отдельных нуклеотидов потерялись бы в море из тысяч соседних – не было бы никакой надежды прочитать ДНК.

Вы можете предположить, что выйти из затруднения позволит получение изображения с помощью не видимого света, а чего-то другого. Но и это не работает. Более короткие волны, несомненно, существуют. Так, длина волны рентгеновского излучения составляет от 0,01 до 10 нанометров. Электроны ведут себя как волны, и если направить их в электронные микроскопы, то длины их волн составляют десятые доли нанометра и даже меньше. Теоретически нуклеотиды ДНК позволила бы разглядеть любая из этих техник, однако на практике возникает множество проблем: рентгеновское излучение сложно фокусировать; высокие энергии рентгеновских лучей и электронных пучков разрушительны; к тому же разные типы нуклеотидов для рентгена и электронов почти идентичны, поэтому мы не смогли бы прочитать последовательность ДНК, даже если бы получили ее изображение. Тем, кто читал главу 1, может показаться странным, что рентгеновское излучение в этом случае бесполезно, ведь именно с его помощью в 1953 году была открыта двойная спиральная структура ДНК. Но для этого рентгеном просвечивали целый кристалл ДНК – решетку из триллионов идентичных молекул. При взаимодействии волн со всеми этими нитями ДНК обнажается общая для них структура винтовой лестницы, последовательность же отдельной нити различить нельзя.

Составляем слова из букв