20011205 Как записать информацию на ДНК? (науч.)
Начнем с исследования возможности чтения информации с ДНК.
Понять, как происходит чтение кода молекулярным механизмом, например,
РНК-полимеразой не легко. Связано это с тем, что современные методы исследований
позволяют увидеть положение крупных атомов в некоторые фазы работы этого
механизма. В результате многолетних исследований с применением рентгеноструктурного
метода удалось получить серию "фотографий", на которых видна РНК-полимераза в форме
некой сороконожки с клювом, которая видна то с приподнятой ножкой, то с опущенной, то
с клювом вставленным между ступениями ДНК, то с приподнятым.
Не поняв, как же эта "сороконожка" "клюет" информацию с ДНК, ислледователи решили
посмотреть аномалию этого процесса, т.е. ингибирование транскрипции. В частности,
ингибитор актиномицин, состоящей из сопряженной системы атомов феноксазонового
кольца, похожего на сдвинутые половины ступени ДНК и обрамленный двумя аминокислотными
последовательностями, виден на модели, полученной с помощью рентгена, вставленным
между соседними ступенями ДНК.
Понятно, что "клюв" РНК-полимеразы туда уже не пролезет. Но понять, как с помощью
своего "клюва" РНК-полимераза различает буквы генетического кода такая грубая
модель не позволяет.
Альфа и омега РНК-полимеразы.
Что же мы видим, если заменим грубые модели атомов на кольцегранную электронную
структуру?
Мы сразу обнаружим, что "клюв" попадает в локальный градиент магнитного поля,
который направлен, скажем, направо, если справа находится А или Г и в противоположную
сторону, если справа находится Т или Ц. Магнитные кольца-электроны, образующие
структуру типа "шахматная доска" позиционируются так, что одноименные полюса,
скажем, "северные полюса - белые клетки" "клюва" сдвигаются к "южным полюсам -
черным клеткам" ступени. Отметим, что "клюв" обхватывает ступень ДНК с двух
сторон. Величину магнитной силы можно себе представить, вообразив, что размер
кольца-электрона мы увеличили до размера обручального кольца. При этом сила,
действующая на каждое такое кольцо составит приблизительно 10 тонн.
Итак, РНК-полимераза вставила свой "клюв", обхватив с обеих сторон ступень
ДНК и клюв сдвинулся "налево" или "направо". Что это значит? Это значит, что
РНК-полимераза уже "знает", что "слева" или "справа", в зависимости от того,
куда сдвинулся "клюв", находится А или Г. Остается понять, как она отличает
А от Г. Совпадая по форме эти азотистые основания отличаются электроотрицательностью
входящих в него ионов. Это значит, что А хочет, скажем захлопнуть "клюв", притягивая
к себе его компоненты, а Г хочет раскрыть "клюв", отталкивая от себя его компоненты.
Процесс считывания по нашей модели выглядит следующим образом.
РНК-полимераза продвигается к очередной ступени ДНК и вставляет "клюв", обхватывая
ступень с обеих сторон.
Если "клюв" ведет налево, то слева расположено А или Г, если направо, то А или Г
расположены справа, а слева соотвтетственно Т или Ц.
Если при этом "клюв" закрывается, то справа именно А (при этом слева Т).
Если при этом "клюв" открывается, то справа именно Г (при этом слева Ц).
Что же происходит дальше?
Дальше все очень просто. Рычаг, который двигается по горизонтали магнитной
силой, а по вертикали - электрической, занимает одну из 4 позиций, пропуская
на сборочный конвейер соответствующий элемент растущей РНК.
Если на этом рычаге закрепить 4 подходящих группы атомов, то в подведенную к
нему иглу туннельного микроскопа, потечет туннельный ток соответствующий одной
из 4 позиций рычага.
Далее, этот сигнал подается на усилитель, АЦП и записывается в память компьютера.
Скорость чтения может достигать скорости транскрипции, т.е. сотен Гц.
РНК-полимераза фага Т7 читает и синтезирует 230 нуклеотидов в секунду, что
является рекордом скорости транскрипции сегодня.
Одно устройство считывания может прочитать весь геном конкретного человека за
10 000 000 000 / 100 = 100 000 000 секунд, т.е. за 3 года. Это, конечно,
лучше, чем 300 лет и миллиард долларов, но все же долго. Поэтому попытаемся
понять, как ускорить оцифровку генома.
Быстрее читать, т.е. проводить транскрипцию РНК-полимераза может под давлением,
но это ускорение не более, чем в несколько десятков раз. Это значит, что
мы сможем прочитать геном не за 3 года, а, например за 1 месяц. Правда, неизвестно,
сохранится ли при этом надежность чтения для нашего эукариотического случая...
Значит нужно делать много устройств для чтения. Для этого они должны быть
дешевле, чем туннельный микроскоп.
Например, можно переделать РНК-полимеразу так, что вместо синтеза РНК она будет
"пищать" на гиперзвуковой частоте, причем частота этого "писка" будет означать,
какую букву генетического кода ей в этот момент пришлось "клюнуть".
Этот гиперзвук можно усилить с помощью устройства, которое значительно дешевле
туннельного микроскопа. Запустив параллельно десятки или сотни тысяч таких
устройств можно будет прочитывать геном за считанные часы, а может быть и минуты.
А как же записать информацию на ДНК?
Что написано транскриптазой - не вырубишь полимеразой...
ДНК-полимераза не может записывать на ДНК, а только читать ДНК и синтезировать РНК.
Одако, существуют так называемые транскриптазы, которые могут встроить вирусные
гены в геном клетки-хозяина. Поэтому наша задача - синтезировать РНК, заменив
ДНК на сигнал с компьютера.
Если действовать "в лоб", то нужно взять силовой туннельный микроскоп и двигать
"челюсти" "клюва" РНК-полимеразы так, чтобы она "думала", что слева или
справа ее магнитно притягивает А или Г и "челюсти" "клюва" сдвигаются к А или
раздвигаются от Г.
Такая "писалка" обойдется "Новым меломанам" не дешевле силового туннельного
микроскопа, однако при записи можно тоже схитрить, заменив управление от
микроскопа на гиперакустический сигнал, который будет отрабатываться "намордником",
надетым на "клюв" РНК-полимеразы. Нужно лишь разработать виртуальный "шлем-
намордник" для РНК-полимеразы, который заменит ей реальность ДНК.
Используя в паре устройство записи и чтения можно достоверно контролировать
процесс записи и чтения информации на ДНК. Это своеобразный "сквозной канал"
"ДНК-магнитофона".
Параметры устройства ДНК записи / чтения приведены в проекте N30.
Генетический код РНК-полимеразы фага Т7
20011205 Предполагаемый участок, соответствующий "клюву" РНК-полимеразы, состоит из
Phe 509
Cys 510
Phe 511
Leu 512
Ala 513
Phe 514
Cys 515
Phe 516
Glu 517
Tyr 518
Этот участок моежет выполнять и функцию "лапы". Такими
"лапами" РНК-полимераза цепляется за ступени ДНК, чтобы
ползти вдоль спирали
20011206 Другой участок, который может соответствовать "клюву"
Вид сбоку
Вид сверху
Два разных ракурса, под которыми видна композиция остатков
Tyr 676 и
His 726, образующих "клюв",
между которыми расположены 50 остатков, образующих "челюсти"
Так же расположены в пространстве
Tyr 639 и
His 784
между которыми расположены 145 остатков, в частности Tyr 676 и His 726
Хорошо бы иметь готовые модели аминокислот, изготовленные, как эта фигура, литьем.
Из них можно было бы быстро собрать модель механизма РНК-полимеразы и ДНК...
Но пока нам придется довольствоваться аминокислотами, изготовленными вручную из отдельных колец.
Методика изготовления кольцегранных моделей
Вид сбоку
Вид сверху (для лучшей видимости раздвинуты)
Вид сверху (тирозин заслоняет гистидин)
Два разных ракурса, под которыми видна композиция остатков
Tyr 676 и
His 726, образующих "клюв",
Гексагональная проекция (точнее перспектива)
Гистидин может перемещаться (к нам) по одной степени свободы
Тирозин хорошо вписывается в структуру ДНК, располагаясь над ступенью.
Модель тирозина белого цвета, в то время как ступень ДНК окрашена
Гистидин гармонично располагается под ступенью ДНК (левая позиция)
Он может перемещаться вдоль ступени ДНК (правая позиция), распознавая Т или Ц
Тирозин и гистидин обхватывают ступень ДНК словно челюсти клюва
В лаборатории Наномир производится сборка модели РНК-полимеразы в полном
объеме. В настоящее время собран участок из нескольких десятков аминокислотных
остатков. Обнаружены свойства сложного сустава, позволяющие преобразовывать
силу взаимодействия "челюстей клюва" с азотистыми основаниями в механические
перемещения фрагментов РНК-полимеразы
Глядя на вторичную структуру можно заметить, что
в ней отсутствуют протяженные участки альфа-спиралей. Нет в ней и бета-слоев.
Это и не удивительно. РНК-полимераза - компактный механизм.
Скрипт 3D-Studio Max
Параллельно с ручной сборкой модели РНК-полимеразы создается виртуальный
конструктор, в котором аминокислоты будут изображаться не на уровне
системы торов-электронов, а как элементы-блоки.
Виртуальная модель
Модель 3D-Studio
С такими аминокислотами компьютер справится в несколько раз быстрее.
Пластмассовые модели аминокислот такой формы можно изготовить литьем.
Конструкция белковой молекулы и ДНК будет легко собираться из таких элементов
Скрипт 3D-Studio Max
Виртуальная модель (плоскогранная)
Виртуальная модель (раскраска Гуро)
Эта модель аминокислоты имеет 91 вершину и 94 грани, т.е. занимает в памяти
компьютера практически столько же места, сколько модель одного электрона-кольца
Скрипт 3D-Studio Max (раскраска "радуга")
Скрипт 3D-Studio Max (белая модель)
Модель белка из таких моделей аминокислот строится
в 20 раз быстрее, чем из кольцегранных
20011226 Собран участок РНК-полимеразы длиной 40 аминокислотных остатков.
О сложности конструкции можно судить по множеству связей между остатками в
на этом участке бекла (см.участок РНК-полимеразы)
А теперь сделаем модели A(Asp537), B(Lys631, Tyr639, Gly640) и C(Asp812)
консервативных сайтов РНК-полимеразы.
Так выглядит фрагмент модели ДНК.
Красным цветом показан аденин, голубым - тимин,
желтым - рибоза, зеленым - фостфатные группы
А так выглядит модель консервативного B-сайта РНК-полимеразы
Lys631
Arg632
Ser633
Val634
Met635
Thr636
Leu637
Ala638
Tyr639
Gly640
Tyr639 деформирован радикалом Ser633 (контакт показан голубой стрелкой), сдавливающим
бензольное кольцо (направление перемещения атомов показаны красными стрелками)
Так выглядит недеформированный Tyr
Деформация делает его похожим на азотистые основания ДНК, в которых
атомы расположены не в гексагональном, а в ортогональном порядке
Попробуем поднести его к тимину, имеющему ту же форму сопряженной стистемы атомов
Расположив Tyr639 параллельно азотистому основанию тимина мы обнаруживаем, что радикал
Ser633 связывается с пятой СН2-группой рибозы аденина (Силы взаимодействия
показаны зелеными стрелками)
Кроме того мы обнаруживаем, что атом азота Ala638 и атом углерода CA Tyr639
связываются с четвертой СН2-группой рибозы тимина (большая зеленая
стрелка), а CB и CG Met635 тоже связываются с четвертой СН2-группой
рибозы тимина (маленькая зеленая стрелка). Атом азота Gly629 связывается с
третьей и с четвертой СН2-группами рибозы комплементарного тимину
аденина (на фото не показан).
А еще обнаруживается, что с пятыми группами рибозы соседней ступени ДНК
связываются CB и CE Lys631 (показано голубыми стрелками)
Если Lys631 заменить на остаток другой аминокислоты, то эти связи не смогут образоваться...
Теперь заглянем с противоположной стороны азотистого основания ДНК.
За плоскостью основания видна плоскость радикала Tyr639. Два атома
сопряженной системы радикала Tyr639 показаны стрелками.
Таким образом, мы видим, что участок РНК-полимеразы
Val629
Thr630
Lys631
Arg632
Ser633
Val634
Met635
Thr636
Leu637
Ala638
Tyr639
Gly640
связывается с двумя ступенями ДНК. При этом на геометрической модели этого
участка РНК-полимеразы обнаружено согласованное расположение в пространстве
14 пар электронов. Радикал Tyr639 - азотистое основание ДНК образуют 6 пар,
атом углерода CA Tyr639 с четвертой СН2-группой рибозы тимина
образуют 1 пару, Met635 - рибоза образуют 2 пары, Ala638 - рибоза - 1 пара,
Lys - рибоза соседней ступени ДНК - 2 пары. Атом азота Gly629 с третьей
и с четвертой СН2-группами рибозы комплементарного тимину аденина
образуют 2 пары.
Во всех 14 парах согласована ориентация смежных электронов (точек касания с другими
электронами молекулярной электронной поверхности) и ориентация магнитых полюсов.
А теперь сравним полученные нами результаты с самыми свежими данными из банка NCBI
AUTHOR G.M.T.CHEETHAM,T.A.STEITZ
REVDAT 1 04-FEB-00 1QLN 0
JRNL AUTH G.M.T.CHEETHAM,T.A.STEITZ
JRNL TITL STRUCTURE OF A TRANSCRIBING T7 RNA POLYMERASE
JRNL TITL 2 INITIATION COMPLEX
JRNL REF SCIENCE V. 286 2305 1999
JRNL REFN ASTM SCIEAS US ISSN 0036-8075
REMARK RESOLUTION. 2.4 ANGSTROMS.
На модели, построенной авторами по результатам рентгена с разрешением 2.4 Ангстрема
мы видим совсем другую картину...
Радикал Ser оказался дальше и от OH группы радикала Tyr639 и от CH2-группы рибозы
в 10 раз (голубые стрелки). Lys631 расположен еще дальше от ДНК (желтая стрелка), в то время
как в нашей модели он контактирует с CH2-группой рибозы соседней ступени ДНК.
Таким образом, можно предположить, что в модели G.M.T.CHEETHAM,T.A.STEITZ только
Tyr639 и азотистое основание расположены правильно (красные стрелки), но к
данным рентгеноструктурного анализа это не имеет отношения...
А Вы не могли бы одолжить мне этот фрагмент РНК-полимеразы для модельного эксперимента?
Я хотела бы попробовать на вкус модель молекулы воды...
Рассмотрим взаимодействие Tyr639 с тимином (цитозином) (окрашен в синий цвет)
Если Tyr639 располагается параллельно тимину (цитозину), то его измененная
форма соответствует форме тимина, в котором электроны сопряженной системы
расположены в два столбца по три ряда (2x3).
Теперь рассмотрим взаимодействие Tyr639 с аденином (гуанином) (окрашен в красный цвет)
Если Tyr639 расположится параллельно аденину (гуанину), то его форма может
измениться, подстраиваясь под расположение электронов в аденине (гуанине).
При этом схема расположения 2x3 может измениться на схему 3x2.
На монтаже фотографий белым цветом показана часть радикала Tyr639, которая
остается неизменной. Розовым цветом показано положение атомов при взаимодействии
с тимином (цитозином). Зеленым цветом показано полложение атомов при взаимодейсвии
с аденином (гуанином).
Таким образом, в зависимости от того, расположен Tyr639 параллельно
тимину (цитозину) или аденину (гуанину) OH-группа его радикала будет
перемещаться вдоль направления, показанного красными стрелками.
Тимин от цитозина и аденин от гуанина будет отличаться направлением
электростатической силы, которая будет либо приближать радикал к азотистому
основанию, либо отталкивать, смещая OH-группу по нормали к плоскости радикала.
Таким образом OH-группа Tyr639 будет смещаться вдоль плоскости радикала,
различая T и A (C и G) и перпендикулярно плоскости радикала, различая T и C
(A и G). Таким образом, механика считывания информации со ступени ДНК определена.
Есть второй вариант стыковки консервативного сайта с ДНК. Итак, возвращаемся
к примерке Tyr639 к ступени ДНК...
Попробуем поднести Tyr639 к тимину, имеющему ту же форму сопряженной системы атомов
Вид сбоку. Плоскость радикала Tyr639 (зеленые стрелки) параллельна
плоскости ступени ДНК (красные стрелки)
Если Tyr639 располагается параллельно тимину (цитозину), то его измененная
форма соответствует форме тимина, в котором электроны сопряженной системы
расположены в два столбца по три ряда (2x3).
Радикал Tyr639 (выделен зеленым цветом) расположен параллельно азотистым
основаниям ступени ДНК
6 электронов сопряженной системы радикала Tyr639 расположились над 6 электронами
сопряженной системы азотистого основания
Заглянув с противоположной стороны мы увидим, что атом CB Tyr639 образовал связь
с верхней CH2-группой рибозы (синяя стрелка), Атом CB Met635 образовал
связь с третьей и четвертой CH2-группами рибозы соседней ступени ДНК
(зеленая стрелка), Атомы CB и CE Lys631 образовали связи с пятыми CH2-группами
рибозы соседней ступени ДНК (желтые стрелки), Атом O Tyr639 образовал связь с
OH-группой фосфата (красная стрелка).
А теперь поднесем Tyr639 не к тимину (цитозину) а к аденину (гуанину)
Если Tyr639 расположится параллельно аденину (гуанину), то его форма может
измениться, подстраиваясь под расположение электронов в аденине (гуанине).
При этом схема расположения 2x3 может измениться на схему 3x2.
На монтаже фотографий белым цветом показана часть радикала Tyr639, которая
остается неизменной. Розовым цветом показано положение атомов при взаимодействии
с тимином (цитозином). Зеленым цветом показано положение атомов при взаимодейсвии
с аденином (гуанином).
Таким образом, в зависимости от того, расположен Tyr639 параллельно
тимину (цитозину) или аденину (гуанину) OH-группа его радикала будет
перемещаться вдоль направления, показанного красными стрелками.
Тимин от цитозина и аденин от гуанина будет отличаться направлением
электростатической силы, которая будет либо приближать радикал к азотистому
основанию, либо отталкивать, смещая OH-группу по нормали к плоскости радикала.
Итак, OH-группа Tyr639 будет смещаться вдоль плоскости радикала,
отличая T от A и C от G и перпендикулярно плоскости радикала, отличая T от C и
A от G. Резюме: механика считывания информации со ступени ДНК определена.
Участок РНК-полимеразы
Val629
Thr630
Lys631
Arg632
Ser633
Val634
Met635
Thr636
Leu637
Ala638
Tyr639
Gly640
связывается с двумя ступенями ДНК. При этом на геометрической модели этого
участка РНК-полимеразы обнаружено согласованное расположение в пространстве
16 пар электронов.
Атом CB Tyr639 образует с верхней CH2-группой рибозы 1 пару.
Атом CB Met635 образует с третьей и четвертой CH2-группами рибозы
соседней ступени ДНК 2 пары. Атом N Val629 образует с третьей и четвертой
CH2-группами рибозы комплементарного основания 2 пары. Атомы CA и
C Gly640 образуют с четвертой CH2-группой рибозы 2 пары. Атомы CB
и CE Lys631 образуют с пятыми CH2-группами рибозы соседней ступени
ДНК 2 пары. Сопряженная система радикала Tyr639 образует с азотистым основанием
6 пар. Атом O Tyr639 образует с OH-группой фосфата 1 пару.
Во всех 16 парах согласована ориентация смежных электронов (точек касания с другими
электронами молекулярной электронной поверхности) и ориентация магнитых полюсов.
Итак, повторим, OH-группа Tyr639 будет смещаться вдоль плоскости радикала,
отличая T от A и C от G и перпендикулярно плоскости радикала, отличая T от C и
A от G. Резюме: механика считывания информации со ступени ДНК определена.
Следующий важный этап в понимании процесса транскрипции заключается в моделировании
механизма трансформации перемещения OH-группы Tyr639 в перемещение элементов
конструкции РНК-полимеразы, осуществляющих выбор очередного азотистого основания
для наращивания РНК-полимера.
Это выяснение может потребовать изготовить модель РНК-полимеразы полностью.
Сложность изготовления полной модели РНК-полимеразы заключается в том, что
жесткость модели в пересчете на макро-масштабы оказывается в десятки тысяч раз
меньше, чем жесткость оригинала (молекулы РНК-полимеразы). Если не принять
специальных мер (множественный подвес или погружение в жидкость равной плотности),
то полная модель РНК-полимеразы, которая будет состоять из 883 аминокислотных
остатков, т.е. приблизительно из 25 000 кольцевых моделей электронов, разрушится
под действием собственного веса. Второй проблемой является большая трудоемкость
изготовления (приблизительно 2 000 часов ручной работы). Третьей проблемой
является закупка пластмассовых колец. Те кольца, что Вы видите на фотографиях
больше не производятся, а новые, более жесткие не подходят для моделирования.
Комплексное решение этих проблем может получиться, если изготовить модели всех
аминокислот литьем.
20011231
В статье "РНК-полимераза бактериофага T7" Е.Е.Русакова и др. сообщается о том,
что "создан мутант Y639F, в котором Tyr639 заменен на Phe639. Особенностью
мутанта является свойство синтезировать РНК-полимер не по ДНК а по РНК.
Двойной мутант Y639F,S641A многократно усиливает это свойство, однако из 4
нуклеотидов РНК двойной мутант распознает лишь 3 (A,T,C)".
В кольцегранной модели консервативного сайта, который включает Tyr639 и Ser641,
можно увидеть, что группа OH, отличающая Tyr от Phe, отсутствует у Phe639,
что делает его движения независимыми от движений Ser633. Вероятно, это
позволяет считывать информацию с РНК, которую отличают от ДНК габаритные размеры.
20020104
Ser641, как показывает модельный эксперимент, соединяется радикалом с третьей
CH-группой рибозы соседней (с противоположной от взаимодействующей с Lys631)
стороны. Группа ОН Ser641, вероятно, препятствует продвижению РНК-полимеразы,
если вместо ступени ДНК встречается ступень РНК с OH-группой, присоединенной
к третьей CH-группе рибозы. Если же Ser641 заменить на Ala641, то помеха
снимается.
Этот модельный эксперимент указывает на то, что Tyr639 располагается под
ступенью ДНК (первый вариант). По второму варианту Ser641 не дотягивается до
третьей CH-группы соседней ступени, в то время как по первому варианту образуется
несколько пар электронов с совпадением точек контакта с соседними электронами,
а также согласованным расположением магнитных полюсов взаимодействующих электронов.
http://ftp.decsy.ru/nanoworld/index.htm