Чем биохимия в пробирке отличается от биохимии в клетке

Клетку можно сравнить с программируемой машиной, только программы у неё биохимические, и выполняет она их с помощью обширного набора молекул. И после такого сравнения неизбежно возникает следующий вопрос: нельзя ли собрать работающую клетку «по чертежам», из множества биохимический цепей? И если это возможно, то нельзя ли потом такую рукотворную клетку запрограммировать на выполнение каких-то особых задач?

Речь в данном случае идёт не о настоящей живой клетке, а о чём-то вроде «умного» химического реактора, в котором будут идти некие молекулярные процессы с использованием «живых» биохимических цепей. Не исключено, что в этом случае её возможности окажутся гораздо шире, чем у обычной клетки с «отредактированной» ДНК.

Но когда мы исследуем какую-то внутриклеточную реакцию, то обычно помещаем эту реакцию в пробирку, чтобы за ней было удобнее присматривать. Хотя суть реакции от этого не меняется, в пробирке крутится куда больше молекул, чем в клетке. И если мы захотим на основании наших пробирочных данных сконструировать клетку-робота, не возникнут ли перед нами трудности, связанные с разностью масштаба? Ведь в малом объёме клетки молекулы могут вести себя иначе, чем большом объёме пробирки, и это может сильно влиять на динамику реакции…

Чтобы посмотреть, что произойдёт при переходе реакции из большого объёма в малый, Эрик Уинфри (Erik Winfree) из Калифорнийского технологического института (США) и его коллеги воспользовались биохимическим осциллятором, представлявшим собой молекулярную систему из ДНК, РНК и ферментов. Эта система пульсировала флуоресцентным светом на протяжении 15 часов, пока реакция между её компонентами не затухала.

«Большой» осциллятор затем разбили на множество маленьких, просто добавив к реакционной смеси масло и перемешав. Реагирующие молекулы оказались разобраны по липидным пузырькам разного объёма. Каждый пузырёк пульсировал светом, и по ритму этой пульсации можно было определить, насколько эти пузырьки похожи на исходную большую систему.

Как пишут исследователи в Nature Chemistry, липидные микрореакторы работали по-разному. Те, что побольше, пульсировали согласно друг с другом, несмотря на то что были разделены. Те же, что поменьше, выбивались из ритма больших осцилляторов и светили с нерегулярным ритмом.

Этот результат был вполне ожидаем, ведь считается, что в единой системе, в едином растворе реакция идёт по-разному в разных его участках: где-то, может быть, быстрее, где-то чуть медленнее, и зависит это от многих факторов.

То есть большая система не есть что-то одинаковое и монолитное, она представляет собой мозаику из множества фрагментов, в каждом из которых реакция идёт чуть-чуть иначе, по-своему. В системе без границ эти различия для глаза стороннего наблюдателя усредняются, а масляные капли как раз позволяют заметить такую неоднородность — пусть небольшую, но всё же существующую. И эти различия между разными участками только усилятся, если усложнить реакцию: например, если вещество А может превращаться как в вещество Б, так и в вещество С, то в большой пробирке вы получите поровну как Б, так и С, но, например, если у вас образовался пузырёк с четырьмя молекулами исходного вещества, то в итоге вы можете иметь одно только вещество Б и ни молекулы С.

Кроме того, сама реакция может начинаться с неравных условий. Авторы работы заметили, что неравномерность световой пульсации маленьких пузырьков возникает ещё и потому, что в них попадает разное число разных молекул, и разница эта увеличивается по ходу реакции.

То есть, как говорят учёные, в достаточно большой биохимической системе мы можем говорить о детерминистском процессе, о том, что результат процесса обусловлен исходным состоянием. Переходя же на молекулярно-клеточный уровень, детерминизм начинает размываться под действием стохастических, случайных процессов, которые могут сильно «зашумлять» общую картину. И при сравнении биохимической реакции, которую мы проводим в лабораторных условиях, с такой же реакцией внутри клетки необходимо учитывать эти стохастические процессы, проявляющиеся на микроуровне, говорим ли мы о настоящей живой клетке или же о сконструированном роботе.

Подготовлено по материалам Калифорнийского технологического института. Фото на заставке принадлежит Shutterstock.