Многие объекты в мире поддаются систематизации. Наиболее известным примером является периодическая система химических элементов, закономерности для которой установил русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев. Подобные случаи систематизации являются крайне важными. Например, таблица Менделеева может использоваться, чтобы изучить происхождение химических элементов или чтобы прогнозировать свойства ранее неизвестных веществ, которые могут обладать полезными свойствами для человека.
Каноническая таблица генетического кода
© Vladimir A.Karasev/ Biosystems, 2022
Одним из научных направлений, которое нуждается сегодня в систематизации элементов, является генетика. В 1960-е годы была сформулирована общепринятая таблица элементов генетического кода (нуклеотидов и аминокислот). Однако бурное развитие технологий обработки больших данных позволило значительно уточнить наши представления о генах. Стало понятно, что тогдашняя систематизация существенно устарела и не объясняет многие свойства генетического кода. Кроме того, принципы построения общепринятой таблицы сложились исторически и не имеют строгого математического обоснования. Поэтому существует необходимость поиска природных принципов для систематизации генетического кода.
«Мы разработали и теоретически обосновали расположение триплетов (единица генетического кода, состоящая из трех нуклеотидов) и кодируемых ими аминокислот в виде Канонической таблицы генетического кода. Название «каноническая» таблица получила в связи с расположением в ней блогов триплетов в последовательности четырех нуклеотидов гена: цитозин, гуанин, урацил, аденин, которая называется канонической. Мы сопоставили Каноническую таблицу генетического кода с Периодической системой химических элементов и отметили их сходство: наличие начального элемента, последовательное заполнение вакансий связей в пределах блоков триплетов. Но есть и различия, например, число триплетов, в отличие от химических элементов ограничено», – рассказывает ведущий научный сотрудник Инжинирингового центра микротехнологии и диагностики (ИЦ ЦМИД) СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Владимир Александрович Карасев.
В прошлом для составления таблицы Менделеева требовалось обнаружить какую-либо фундаментальную закономерность между элементами. Так был сформулирован периодический закон – свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от веса атомов. Поэтому для построения таблицы генетического кода ученым ЛЭТИ требовалось найти аналогичный природный фундаментальный принцип для систематизации.
В исследовании использовалась обширная база данных биополимеров. В ходе поиска закономерностей специалисты обнаружили, что каждый триплет имеет связи только с определенными фрагментами белка, состоящими из пяти аминокислот (они получили название пентафрагменты). Благодаря построению математической модели выяснилось, что возможных комбинаций триплетов и связанных с ними пентафрагментов – 64, а вариантов различной пространственной структуры 16. На основании этих двух параметров были сформированы четыре строки таблицы по 16 столбцов, где каждому элементу были присвоены соответствия между триплетом и пентафрагментом. Полученная таблица позволила наглядно представить в генетическом коде элементы симметрии и антисимметрии и их преобразования друг в друга, циклическую периодичность триплетов как внутри строк, так и всей таблицы в целом. Результаты работы опубликованы в научном журнале Biosystems.
«Наша Каноническая таблица генетического кода может использоваться для прогнозирования пространственных структур, состоящих из известных белков или конструирования новых белков с заранее заданными полезными биологическими свойствами. Например, это могут быть потенциальные ферменты, лекарственные средства и даже технические электронные устройства молекулярного размера», – рассказывает Владимир Александрович Карасев.
Разработка таблицы проводилась в рамках разработки научного раздела ИЦ ЦМИД «Принципы топологического кодирования цепных полимеров», являющегося частью бионического направления. Исследования проводятся под руководством директора ИЦ ЦМИД Виктора Викторовича Лучинина. Ключевой целью направления является использование биологических закономерностей для создания роботов и других технических устройств.
Статья опубликована в журнале Biosystems
Информация взята с портала «Научная Россия» (https://scientificrussia.ru/)
