Истории будущего - Дэвид Кристиан

внутри клетки. Каждая клетка E. coli может содержать до десяти тысяч сенсорных молекул, пронзающих ее мембрану, в основном впереди – там, где эта клетка впервые воспринимает новые условия. Благодаря этим сенсорам клетка может улавливать до пятидесяти различных химических веществ. Комбинируя сведения от разных сенсоров, она почти безупречно точно оценивает закономерности в изменениях концентрации химических веществ. Как мы уже видели, эффективность этой охоты возрастает по мере появления новой информации о развивающихся тенденциях.

Что ж, давайте вообразим, что проводник далее ведет нас через слой цитоплазмы к клеточной мембране, где доступна наблюдению деятельность некоторых сенсорных молекул. Чтобы добраться до внешней части сенсорной молекулы, воспользуемся молекулярными туннелями в мембране, выводящими в менее замкнутый, менее клаустрофобный мир сразу за пределами клетки. Мы оказываемся среди разведчиков, шпионов, ищеек и пограничников. Сенсорные молекулы – это белки, как и большинство рабочих молекул клетки, а потому наблюдение за ними даст представление о том, как работают белки в целом.

Белки могут составлять почти половину объема клетки (если не считать молекулы воды, на которые приходится до 70 процентов клеточных молекул)86. В любой момент времени отдельная клетка E. coli может содержать миллионы белковых молекул, каждая из которых состоит из нескольких тысяч атомов. Некоторые еще в процессе построения, другие усердно трудятся, а третьи, выполнив все положенное, разрушаются и будут переработаны для создания новых рабочих молекул.

Что и как делают белки? Каждый белок состоит из сотен аминокислот, которые в строгой последовательности соединяются рибосомой. Каждая из сотен аминокислот в белке обладает специфическими химическими и электрическими свойствами, поэтому после возникновения новой цепочки внутри клетки эта цепочка быстро принимает форму, похожую на растрепанный клубок стальной стружки; на самом же деле это четкая и правильная структура, располагающая своего рода биохимическими «карманами», вроде бейсбольных перчаток, посредством которых она улавливает нужные молекулы. Так, молекулы человеческого гемоглобина (один из первых расшифрованных белков) имеют «карманы» для захвата и транспортировки молекул кислорода. Еще белки способны перестраивать пойманные молекулы, расщеплять их, подгонять друг под друга, видоизменять и объединять. Вот почему белки работают как ферменты, делают возможными химические реакции, которые без них никогда бы не состоялись. Также они, захватывая молекулы, меняют форму – как носок, который натягивают на ногу. Это изменение формы (известное как аллостерия) создает своего рода кратковременную память о событиях и тенденциях, и такая память может передаваться: другие молекулы замечают изменения в положении сенсорной молекулы.

Но вернемся к одной из сенсорных молекул на поверхности нашей клетки E. coli. Вообразим, что у нее имеется «карман», предназначенный для захвата молекул аспарагиновой аминокислоты, которую клетки E. coli считают, если угодно, вкусным угощением. Если наш сенсорный белок обнаружит молекулу этой кислоты, то поймает ее, и следом изменится форма белка. Новое положение разошлет сообщение, подобно облику человека, несущего радостную весть, и это сообщение будет воспринято внутри клетки, на другом конце белка. Изменение формы белка создает своего рода память, ведь сообщение о захваченной молекуле аспарагиновой кислоты будет помниться до тех пор, пока сенсорный белок удерживает захваченную молекулу и сохраняет новое положение. Внутри клетки другие молекулы отреагируют изменением собственной формы и растекутся по цитоплазме, распространяя хорошие новости о захваченной молекуле. Они тоже будут помнить. Как и большинство молекул в прокариотических клетках, эти белки-посланцы будут перемещаться случайным образом через цитоплазматический слой под воздействием тепловой энергии (сразу приходят на ум пассажиры, которых несет к дверям людской поток в переполненном автобусе). Именно так миллионы белковых посланцев распространяют информацию о закономерностях и событиях во внешнем мире. «Уровень аспартата высок, возможен пир!» – кричат они другим или извещают, что уровень аспартата падает и возможен голод. Как пишет биолог Деннис Брей, «каждый организм как бы строит образ мира – описание, выраженное не словами или пикселями, а на языке химии»87.

Третий шаг в любом управлении будущим есть действие, вмешательство в мир для достижения цели. Как информация, полученная сенсорными клетками, оценивается и превращается в действие?

Способ, которым клетки используют информацию для регуляции своего поведения, впервые описали в 1960-х годах французские исследователи Франсуа Жакоб и Жак Моно и их аспирант Жан-Пьер Шанже. Они доказали, что изменение формы позволяет белкам трудиться в качестве ферментов (ускоряя или обеспечивая реакции, которые в противном случае были бы невозможны внутри клетки) и в качестве переносчиков информации. Еще они показали, что сила белков многократно возрастает при командной, или сетевой, работе; такие скопления белков Жакоб и Моно назвали «оперонами».

Один из первых изученных ими оперонов регулирует процесс переваривания клеткой лактозы88. Ключевыми здесь выступают белковые транскрипционные факторы, которые специализируются на блокировании генов. У них есть два «кармана», или места связывания. Один парит в цитоплазме в поисках молекул лактозы. Если он не находит таковых, то другой «карман» связывается с частями ДНК, кодирующими белки, которые расщепляют лактозу, и блокирует их экспрессию. Количество белков-репрессоров, выявляющих лактозу, сообщает клетке, сколько лактозы находится вокруг. Если множеству белков-репрессоров не удается найти лактозу, они фактически останавливают производство белков, переваривающих лактозу. Но если белки-репрессоры захватывают все больше молекул лактозы, то они меняют форму, ослабляют, так сказать, хватку над клеточной ДНК и позволяют генам, переваривающие лактозу, получать выражение. Если уровень лактозы снова упадет, весь процесс пойдет в обратном направлении. Этот изящный механизм отрицательной обратной связи обеспечивает переваривание лактозы при ее изобилии, но запрещает тратить энергию и ресурсы при ее отсутствии. Вот образчик утонченного мышления о будущем, которое опирается на вероятностные решения о грядущих потребностях клетки.

В каждой клетке в любой момент времени возможна слаженная работа миллионов оперонов, которые сочетаются между собой невероятно сложным образом. Некоторые комбинации куда хитроумнее, чем та, которую мы только что рассмотрели. Например, у оперонов может быть несколько белковых «реле», подлежащих включению прежде, чем клетка начнет производить новый белок, так что новый белок будет производиться только в том случае, если выполнены условия A, B и C. Перед нами условие вида «Если А, и В, и С, то D», а в других случаях возможно условие «Если A, или В, или C, то D». Значит, цепочки и сети белков могут действовать как логические схемы. Если достаточное количество этих «реле» собирается вместе, как в компьютере, появляется возможность выполнять множество вычислений. Как отмечает теоретик сложности вычислений Мелани Митчелл, машина, способная связать воедино и правильным образом обилие «и», «или» и «не», может вычислить более или менее все, что поддается вычислению89. Вот так простые биомолекулярные «реле» клетки E. coli выполняют предельно тонкие вычисления, в том числе вероятностные расчеты возможного будущего. Поскольку многие опероны работают одновременно, вычисления в клетках