Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

В живых клетках, как и в стерильных лабораторных растворах, отдельные нити ДНК самопроизвольно закручиваются в двойную спираль, если содержат комплементарные последовательности нуклеотидов. Для этого не нужны ни внешние строительные леса, ни крепеж: ДНК содержит в себе механизм собственной организации, иллюстрируя принцип самосборки, снова и снова всплывающий при изучении жизни.
Каждый из описанных образов ДНК по-своему полезен и заостряет внимание на характеристиках, важных для исполнения этой молекулой разных ролей. Волокнистая слизь, извлекаемая из размолотых в пюре клеток, может, и неказиста на вид, но ни один из более эффектных способов применения ДНК – выделение из раковых клеток для изучения их геномов, сбор на местах преступлений для вычисления подозреваемых и так далее – не работал бы без учета материальной, физической природы ДНК. Образ абстрактной кодограммы сообщает нам, что информация, содержащаяся в ДНК, определяется последовательностью символов. Когда мы говорим об уникальности ДНК каждого человека, то подразумеваем, что ваша последовательность нуклеотидов, или цветных квадратиков, отличается от моей. (Правда, отличается она незначительно: более 99 % наших квадратиков совпадут.) Когда мы говорим, что знаем геном какого-то организма, то подразумеваем знание полной последовательности его символов. Это сообщает нам о многом, но, как мы увидим, все же оставляет массу неопределенности. Нам важно знать строение ДНК на атомном уровне – точную архитектуру ее атомов, а не только последовательность символов, – например, при разработке инструментов для разрезания и соединения нитей ДНК, о чем мы поговорим в контексте редактирования генома (см. часть III). Но чаще хватает и знания последовательности звеньев A, Ц, Г, T. Двойная спираль описывает, как ДНК располагается в пространстве. Размер, форма, жесткость и электрический заряд двухцепочечной ДНК определяют, как она упакована в клетках и как с нее считывается информация. Чтобы понять важность физической природы двухцепочечной ДНК, рассмотрим для начала процесс, который изменил биотехнологии, – полимеразную цепную реакцию.
Плавится ли ДНК?
Допустим, вы хотите создать точную копию интересующей вас ДНК. Для этого пришлось бы сначала разделить две нити двойной спирали, а затем создать нуклеотидные цепочки, комплементарные каждой из них. Фактически именно это и происходит при каждом делении клеток, когда специальные белки «расстегивают» двухцепочечную ДНК. Однако за пределами клеток мы можем применять другой подход, который позволяет нам реплицировать (размножать копированием) любые участки ДНК по нашему желанию: ничтожное количество ДНК мы преобразуем в бесчисленное множество идентичных копий, чтобы генетического материала хватило для проведения анализов или переноса в новые объекты. Крошечные количества нуклеотидных цепей можно, например, добыть на месте преступления, чтобы оценить их сходство с ДНК подозреваемых; или выделить из амниотической жидкости, чтобы проверить, нет ли у развивающегося плода генетических аномалий либо инфекций, которые можно выявить по нуклеиновым кислотам возбудителей; или извлечь из опухоли, чтобы картировать в геноме мутации, указывающие на развитие рака; или, наконец, отобрать из организма нобелевского лауреата, чтобы реплицировать и по частям внедрить в бактерии, которые разрастутся в настоящий арт-объект. Искусственная репликация ДНК, как и естественная, требует разделения двойной спирали, а его, в свою очередь, обеспечивает такое физическое явление, как фазовый переход4.
Представьте, что нас интересует, как разделить не нити двойной спирали ДНК, а прочно связанные молекулы воды, из которых состоит кубик льда. Мы знаем ответ: лед надо нагреть. При температуре выше 0 °C лед расплавляется в жидкую воду, где каждая молекула пребывает в движении, лишь мимолетно связываясь с другими молекулами. Как правило, температура выступает злейшим врагом притяжения и порядка, и эта тема постоянно всплывает в физике. В случае с водой переход из твердого состояния в жидкое происходит резко, как только достигается температура плавления, равная 0 °C при нормальном атмосферном давлении. Даже если температура хотя бы на пару градусов ниже нуля, вода пребывает в твердом состоянии, если же на пару градусов выше – в жидком. Не у всех веществ, однако, этот переход столь же резок. Мед при нагревании не становится текучим только в момент достижения определенной температуры, а теряет вязкость постепенно.
 
Как мы помним, связи между нитями двойной спирали ДНК слабее, чем внутри нити. Это позволяет нам предположить, что можно разделять нуклеотидные цепочки нагреванием, не уничтожая их. И так оно и есть, но насколько постепенно происходит это преобразование? Иными словами, плавится ли ДНК? Ответ на этот вопрос важен, если мы хотим разделять нити для дальнейшей репликации. Если ДНК плавится (денатурирует в узком диапазоне температур, резко), то превышением температуры фазового перехода даже на несколько градусов мы точно добьемся полного разделения цепей (см. верхнюю половину рисунка). Если же ДНК не свойственен такой фазовый переход, то, скорее всего, часть молекулы останется неразделенной и ее невозможно будет скопировать (см. нижнюю половину рисунка).
Во втором случае мы можем продолжать нагрев до тех пор, пока не разделятся все фрагменты ДНК, но, вероятно, на практике это потребует таких высоких температур, что сама ДНК и любые другие биологические молекулы окажутся поврежденными.
Как выясняется, цепи ДНК разделяются резко, то есть молекула действительно плавится. Если взять пробирку с ДНК и нагреть ее, молекулы останутся двухнитевыми до достижения определенной температуры плавления, а сразу после ее превышения распадутся на отдельные нити. Мы не просто можем измерить это в лаборатории, но и понимаем, почему так происходит. Выяснение природы фазовых переходов – переходов между твердым, жидким и газообразным состояниями, или между магнитной и немагнитной формами, или между любыми другими альтернативными структурами материалов – стало одним из величайших триумфов физики XX века. Плавление ДНК – это переход от порядка к беспорядку, в целом типичный для всех переходов, но имеющий свои особенности.
Все фазовые переходы отражают конфликт порядка и беспорядка. В основе порядка, как правило, лежит энергия, связанная с притяжением или выравниванием, а беспорядок определяется геометрией – тем, какими способами компоненты могут располагаться в пространстве. Повышение температуры многократно усиливает позиции беспорядка. При низкой температуре побеждает стремление к порядку, при высокой беспорядок берет верх. Так, в холоде молекулы воды выстраиваются в кристаллическую решетку льда, а когда теплеет, их положение в пространстве характеризуется типичной для жидкости хаотичностью. Утверждение, что плавление представляет собой резкий переход от одного состояния к другому, означает существование специфической температуры, разделяющей их, то есть четкой границы между фазами порядка и беспорядка.
Энергия упорядочения и разновидности беспорядка зависят от того, какие измерения может осваивать вещество. Последствия фазовых переходов драматичны, и в общем случае теория не предсказывает резкого перехода одномерных материалов из одной фазы в другую. Так, цепочка из молекул воды не должна расплавиться вдруг в какой-то точке температурной кривой: беспорядок возникнет уже при самой низкой из возможных температур и будет неуклонно усиливаться с ее повышением.
С приличной долей приближения можно сказать, что протяженная двухцепочечная ДНК одномерна – как идущие одна за другой ступеньки на приставной лестнице. Следовательно, ее резкое плавление, наблюдаемое в лаборатории, вроде бы противоречит ожиданиям. Однако, когда нити расцепляются, высвобожденная одноцепочечная ДНК изгибается и скручивается в трех измерениях (см. рисунок) под действием случайных сил, влияющих на все молекулы, которые мы обсудим в этой книге. Хотя движения нитей случайны, их последствия стабильны и предсказуемы (с подобным мы не раз еще столкнемся): благодаря конечной конфигурационной свободе полное их разделение происходит при фиксированной температуре перехода, как это свойственно трехмерным материалам. Располагая экспериментальными данными и теоретическим обоснованием, мы можем даже спрогнозировать температуру, при которой разделится та или иная молекула ДНК. Обычно температура перехода составляет около 95 °C, что чуть ниже температуры кипения воды, но точное значение сильно зависит от нуклеотидной последовательности.