Общая картина. Объедините гены в группы, и они смогут сделать намного больше, чем сделали бы по отдельности

Объедините гены в группы, и они смогут сделать намного больше, чем сделали бы по отдельности. Объедините группы в единую систему — и получите живой организм.

В 1940–е гг. Эдвард Тейтем и другие ученые получили первые сведения о том, для чего предназначены некоторые гены E. coli. К 2007 г. исследователи имели более или менее полное представление о том, чем занимаются примерно 85 % ее генов, что превратило обычную кишечную палочку в золотой стандарт расшифрованности генома. Сегодня по генам E. coli, ее оперонам и метаболическим путям созданы и работают онлайновые базы данных. Загадки, конечно, остаются. Так, у E. coli обнаружен 41 фермент, для которых ученым еще только предстоит найти кодирующие их гены. Тем не менее постепенно вырисовывается примерный портрет E. coli. Пока это максимум того, что удалось сделать биологам в плане полной расшифровки устройства живого организма.

Ученые под руководством Бернарда Палссона, профессора биоинженерии из Калифорнийского университета в Сан — Диего, попытались построить модель метаболизма клетки E. coli. По состоянию на 2007 г. они ввели в компьютер данные о 1260 генах и 2077 реакциях. На базе этой информации компьютер может вычислить, сколько углерода проходит по метаболическим путям E. coli в зависимости от характера поглощаемой ею пищи. Модель Палссона умеет делать то, что делают все хорошие модели, — предсказывать реальность. В частности, она очень неплохо предсказывает, как быстро E. coli будет расти на глюкозе и сколько углекислого газа она при этом выделит. Если Палссон условно отключит бактерии кислород, модель перенаправит углерод на другую, не связанную с кислородом метаболическую траекторию (точно так, как это делает E. coli). Если Палссон исключит из схемы один из белков, модель реорганизует свой метаболизм так же, как это делает реальная мутантная E. coli, у которой отсутствует этот белок. Модель надежно предсказывает поведение E. coli в тысячах самых разных ситуаций; она показывает, что E. coli действительно всегда выбирает наилучший путь и настраивает свой метаболизм так, чтобы размножаться как можно быстрее.

Каким образом обмен веществ E. coli остается таким гибким, если в него входят сотни химических реакций? Почему бактерия, имея перед собой тысячи возможных метаболических путей, всегда выбирает несколько самых лучших? Почему вся эта система попросту не рушится? Оказывается, устойчивости системы способствует сама форма сети, география ее лабиринтов.

Когда ученые изобразили на бумаге метаболический маршрут атома углерода в клетке E. coli, получилась фигура, напоминающая галстук — бабочку. Одно его «крыло» образуют химические реакции поступления в клетку и расщепления пищи. Они следуют одна за другой по простым маршрутам, которые можно изобразить веером стрелок, сходящихся в центре «галстука», на «узле». Здесь траектории становятся гораздо более сложными. Продукт, полученный в результате какой‑то реакции, может быть вовлечен во множество других реакций в зависимости от текущих условий. Именно на «узле» — там, где скрещиваются маршруты — E. coli создает строительные кирпичики для всех своих молекул. Затем эти кирпичики поступают в другое «крыло», образуя веер расходящихся траекторий, на каждой из которых производится свой тип молекул: на одной — молекула мембраны, на другой — кусочек РНК, на третьей — какой‑то белок. Расходящиеся траектории второго «крыла» никогда не пересекаются. Молекула, начавшая движение к тому, чтобы войти в белок, уже не станет частью молекулы ДНК.

Надо сказать, что архитектурное решение в виде «бабочки» с инженерной точки зрения имеет для E. coli глубокий смысл. Рукотворные сети — например, телефонные или электрические — нередко тоже прокладывают по схеме «бабочки». Такая архитектура позволяет сетям работать эффективно и устойчиво. В Интернете, к примеру, входящий веер составляют сигналы всевозможных программ: браузеров, почтовых программ и многих других, причем каждая из них обрабатывает информацию по — своему. Чтобы все эти данные попали в Интернет, их следует преобразовать в коды, соответствующие интернет — протоколам. Потоки данных движутся от персональных компьютеров к серверам, а затем на небольшую группу роутеров, установленных в Лос — Анджелесе, Нью- Йорке и других крупных городах. Роутеры, подобно узлу галстука — бабочки E. coli, прочно связаны между собой. После этого сигналы через веер расходящихся маршрутов направляются к другому персональному компьютеру, где стандартный поток данных будет преобразован в картинку, текстовый документ или другую конкретную форму.

И для работы Интернета, и для E. coli самое главное — центральный узел. Именно он позволяет той и другой сети работать даже при отказе каких‑то частей. Мутация, исключившая из арсенала бактерии одну из метаболических реакций, не убьет E. coli, потому что в «узле» есть и другие траектории, на которые она сможет перевести углерод. Интернет способен продолжать передачу данных даже после того, как откажет один из серверов, так же потому, что сообщения можно направить по другой траектории.

Помимо всего прочего в обеих системах архитектура в виде «бабочки» помогает сберечь энергию. Если бы E. coli функционировала иначе, ей пришлось бы создавать особую цепочку ферментов для производства любой молекулы. Для каждого из этих ферментов потребовался бы собственный ген. Вместо этого у E. coli все входящие траектории сбрасывают свои продукты в одну и ту же сеть в центральном узле. Точно так же Интернету нет необходимости связывать компьютеры напрямую или использовать специальные коды для каждого типа файлов. В обоих случаях такая организация работы возможна только потому, что сеть подчиняется определенным правилам. В Интернете каждое сообщение обязательно переводится на общий язык. И в E. coli энергия всегда передается одним и тем же способом — с помощью АТФ.

Изобретатели Интернета не думали, что создают подобную сеть. Они всего лишь пытались сбалансировать затраты и скорости при объединении серверов. Но, сами того не подозревая, они создали модель E. coli, которая к настоящему моменту охватила всю Землю.