Дешифрираният за науката код на живота
Изследването на всички гени на различни организми ще даде информация за произхода на живота.
Човешкият геном съдържа всички биохимични инструкции, необходими за изграждането и функционирането на човешкото същество. Тези инструкции са кодирани от химични групи, наречени основи, които са от четири типа: аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (T).
Еверард Уилямс, младши.
Когато историците анализират края на ХХ век, те ще открият, че един от основните научни постижения на времето е определянето на генетичната информация, отговорна за човешкия живот. Проектът за човешкия геном, който има за цел да идентифицира всички гени и да анализира, буква по буква, посланието на живота, ще има последици във всички клонове на биологията. Пълното секвениране на ДНК на различни организми, включително тази на хората, ще даде отговори на основни въпроси: Как са се развивали организмите? Ще успеем ли един ден да създадем жив организъм? Как да лекуваме заболявания?
Проектът за човешкия геном вече донесе безпрецедентна реколта от резултати в биологията. Всички съставни части на човешката ДНК, основите, едва се побират в 200 телефонни указателя, без да се броят анотациите, които биха описали за какво се използват тези ДНК последователности. До пролетта на 2000 г. трябваше да декодираме 90 процента от човешката ДНК и пълната последователност е планирана за 2003 г. Тук обаче ще имаме само основа, защото ще остане да намерим безбройните анотации, които дават смисъла си на генетична информация. Основната работа ще даде плод само когато разберем ролята на протеините, кодирани от всички тези гени.
Много протеини са основни съставки на човешкия организъм; други са ензими, които контролират биохимичните реакции на живота. Това са вериги, чиито връзки са аминокиселини; всяка верига се сгъва, приемайки структура, която определя нейната функция. Последователността на основите, в ДНК на ген, кодира реда на аминокиселините на протеина, образуван от този ген. За производството на протеини са необходими посреднически молекули, рНК и за гените, които произвеждат рНК, се казва, че „се изразяват“.
Проектът за човешкия геном има няколко цели: той иска да открие всички протеини, произведени в човешко същество и да разбере механизмите на регулиране на генната експресия, варирането на тези гени според видовете и в рамките на един и същи вид, както и връзките между геном (генотипът) и наблюдаваните знаци (фенотипът). Цялата информация, натрупана от ДНК последователности, ще бъде хранителната среда за откритията през следващия век: колкото повече научаваме за тази ДНК, толкова повече можем да правим хипотези и толкова по-добре ще разбираме живота.
Около 2050 г. геномиката вероятно ще отговори на различни съществени въпроси: можем ли да предскажем триизмерната структура на протеините от техните аминокиселинни последователности? Ще можем ли да създадем изкуствени форми на живот? Каква е точната роля на гените за развитие? Ще подобрят ли знанията за целия геном профилактиката, диагностиката и лечението на заболяванията?
Нека разгледаме тези въпроси на свой ред.
Шестте милиарда основи на човешкия геном кодират около 100 000 протеини. Въпреки че аминокиселинната последователност на протеин се превежда в една стъпка, от последователността на гена, все още не знаем как да предскажем формата на протеините и експерименталното проучване на тяхната структура остава трудно. Въпреки това, протеиновите структури са били много по-добре „консервирани“ (те са останали почти постоянни по време на еволюцията) от самите аминокиселинни последователности. Тъй като различни аминокиселинни последователности образуват молекули със сходни структури, се надява да се намери структурата на много протеини, като се изследват подробно няколко представителни протеини.
Структурата на протеините
Наскоро няколко специалисти по структурата на протеините стартираха „Инициатива за изследване на структурата на протеини“, за да ускорят разрешаването на този проблем. Те анализират конформацията на протеините, или чрез кристализиране на пречистени протеини и изучаване на дифракцията на тези кристали чрез рентгенови лъчи, или чрез анализ на тях чрез ядрено-магнитен резонанс. Тези анализи са дълги и скъпи. Групата иска да оптимизира изучаването на нови структури въз основа на знанията, придобити вече в тясно свързани структури, и планира да групира протеини в семейства, които биха имали същите архитектурни характеристики. След това ще изберем да анализираме представителни протеини от всяко семейство чрез най-сложните физически методи.
Когато каталогът на известните структури се разшири, ще можем да групираме различните протеини по общи структури, за да моделираме структурата на протеините, които след това ще бъдат открити или изобретени. Биолозите изчисляват броя на основните модели на сгъване на протеини на около 1000; разрешаването на 3000 до 5000 структури (в допълнение към вече известните) вероятно би било достатъчно, за да се направи извод за структурата на всеки нов протеин. Тъй като 1000 протеинови структури се изясняват всяка година, със скорост, която несъмнено ще се ускори, описът на протеиновите конформации трябва да бъде завършен малко след края на секвенирането на човешкия геном.
Изкуствен живот
Може да се надяваме да класифицираме протеините според тяхната структура поради биологичните механизми на еволюция и дори появата на живот на Земята. Ще потърсим дали има клас протеини, общи за всички организми и какви са биохимичните реакции, които са от съществено значение за живота.
Няколко генома вече са напълно секвенирани (предимно бактериални геноми) и биолозите, заинтересовани от произхода на живота, започнаха да описват гените, запазени сред бактериите.
След няколко години вероятно ще имаме репертоар от продукта на всички гени (под формата на РНК или протеини), необходими за живота; след това можем да направим организми от ДНК базови последователности, които можем да си представим веригата и които ще кодират нови протеини, също изобретени. Ако този изкуствен геном попадне в клетка, която се възпроизвежда правилно, опитът ще докаже, че биологията е дешифрирала основните механизми на живота. Компанията очевидно повдига въпроси за безопасността и етиката.
Ще можем ли да изградим електронен модел на жива клетка, „компютъризирана клетка“? Клетка, която ще вземе под внимание всички съставки на клетката? От всички биохимични взаимодействия? И кой точно ще изчисли последиците от прилагания към него стимул?
През последните 50 години биолозите фокусираха своите изследвания върху един ген или отделен протеин. През следващите 50 години те вместо това ще изучават функциите на гените, техните взаимодействия и ролята на околната среда върху тяхното изразяване.
Разбира се, биолозите отдавна се опитват да опишат взаимодействията на различни клетъчни съставки. Как транскрипционните фактори, молекулите, които се свързват със специфични сегменти на ДНК, контролират генната експресия? Как инсулинът, който се свързва с рецепторите на повърхността на мускулните клетки, предизвиква поредица от реакции в тези клетки, които увеличават броя на транспортерите на глюкоза в клетъчната мембрана? Когато секвенирането на генома приключи, този тип въпроси ще бъдат поставени пред хиляди гени и клетъчни съставки. Когато всички гени бъдат идентифицирани, когато бъдат изяснени всички взаимодействия и клетъчни реакции, фармакологи, които изследват лекарства и токсиколози, които определят токсичността на новите молекули, несъмнено ще използват програми или "клетъчни модели", за да разберат дали молекула има терапевтични свойства или ако е токсичен.