В ответ на материал Волюслава Владимировича Митрофанова, посвященный размышлениям
о загадках белков, свои комментарии прислал кандидат биологических наук
Петр Старокадомский. С разрешения автора мы публикуем этот материал.

П.Л. Старокадомский

Глубокоуважаемый Волюслав

Прочитал Вашу статью "Размышления о загадках белков". Статья безусловно очень интересная и полезная. Но, как биолог, не могу не выразить ряд замечаний.

Я позволю себе курсивом делать ремарки после каждого спорного абзаца - так будет наиболее понятно и наглядно. Итак:

Размышления о загадках белков

В.В. Митрофанов

Причиной написания сегодняшних размышлений, послужили две статьи, которые я прочел в журнале "Наука и жизнь" №1 06г. Первая статья Ю.Котова "Будущее принадлежит водородной энергетике", а вторая, А. Финкельштейна "Как построить белок: в поисках решения молекулярной головоломки". Первая мне понравилась, так как к водороду отношусь с большим уважением и думаю, что будущее за ним, а вторая про белки, которые сами себя строят, но никто не знает как это происходит, а это очень интересно.

Здесь и ниже давайте будем использовать словосочетание "сворачивание белка". Именно этот термин наиболее уместен - белки не строят сами себя. Они образуются в результате работы других молекул - как белковой, так и не белковой природы. А вот правильно сворачиваться в биологически активную молекулу многие белки могут сами. Здесь я бы не использовал выражение "…никто не знает как происходит сворачивание белка". Напротив - про силы и законы, вызывающие и управляющие сворачиванием белков, написаны тома, созданы компьютерные программы, которые относительно точно предсказывают, как свернется тот или другой белок. Т.е. основные законы сворачивания белков вообще (еще этот процесс называют фолдингом от англ. to fold - сворачивание) на сегодня известны. Вопрос, который пока действительно не решен - каким образом мы можем сворачивать конкретные рекомбинантные белки (т.е. белки, которые производятся биотехнологическим путем - например инсулин или интерферон)? Дело в том что природные механизмы фолдинга белка рассчитаны на свои белки. А сегодня биотехнологи заставляют бактерии синтезировать чужеродные белки (например белки человека) в количествах, превышающих физиологические в тысячи раз. Поэтому клетки, которые их продуцируют, уже не способны сами обеспечить правильную укладку белка - это надо делать "в пробирке".

Я еще в своей книге привел статью про эту проблему, но судя по второй статье, дело идет не быстро. Мне не очень понравились слова автора второй статьи и поэтому приведу их дословно. "Скорость развития белкововой инженерии, особенно дизайна новых белков и лекарств и бионанотехнологий вообще, прямо зависит от того, сможет ли исследование физики молекулярных взаимодействий обеспечить их надежными теоретическими оценками силовых полей и тем самым - стабильности разнообразных белковых структур и комплексов. Если сможет, то инженерия и дизайн геномов будут развиваться с открытыми глазами и, следовательно, большими шагами. Если не сможет, то они обречены двигаться мелкими шажками, методом проб и ошибок, путем широчайшего экспериментального скрининга и т.д." Вы видите, стоит труднейшая, важнейшая задача, а решать ее будут древнейшим методом, не соответствующим нашему веку.

Про метод проб и ошибок - это в самую точку (см. статью Ю. Лазебника "Может ли биолог починить радио…"). Сейчас уже даже налажен выпуск специальных наборов для подбора оптимальных условий самосворачивания - от 10 до 96 различных растворов, в которые надо просто капать исследуемый белок и потом смотреть, как ему там - хорошо или плохо. Естественно это все автоматизировано. Но что делать если ни один из них не сработал? Может, нужно было добавить еще всего один, 97 раствор?… Или 198?… Решить эту загадку очень не просто. У человека есть около 50000 различных белков. Из них изучена, выделена, и исследована только незначительная часть! При том лишь некоторые из них после денатурации способны самостоятельно собираться и восстанавливать свою активность (рибонуклеаза, интерферон-альфа). Другим после денатурации нужны определенные условия, как правило комплексные - т.е. присутствие до 10 и выше компонентов в строго определенных количествах. А для ряда белков вообще нужна "ручная" сборка - им требуется присутствие специальных белков-шаперонов.

Но это во-первых. А есть еще во-вторых - сегодня мы не еще не можем точно определить все признаки, по которым можно предугадывать, в каком направлении надо двигаться, чтоб определить оптимальные условия для сворачивания. Попробуем условно описать некоторые факторы, критические для самосворачивания белка.

1. Количество заряженных и не заряженных групп на поверхности белковой глобулы. Классика биологии - белки содержат гидрофобное ядро и гидрофильную поверхность. Чем более гидрофильна (водо-растворимая) поверхность белка, тем выгоднее ему собраться в компактную глобулу, которая очень часто (но опять же не всегда) и соответствует его биологически активной конформации. Но при ближайшем рассмотрении эта теория теряет свою четкость. На картинке ниже приведена трехмерная структура одного из белков.

Это типичная структура белка. Линии обозначают цепи белка, состоящии из "кирпичиков" - аминокислот. Синим цветом обозначены незаряженные аминокислоты (гидрофобные, не растворимые в воде), красным и оранжевым - заряженные (гидрофильные - растворимые). Т.е. незаряженное ядро и заряженная поверхность - понятия довольно условные. Как определить, где заканчивается поверхность и начинается ядро? Определить приблизительно, как такой белок себя поведет в растворе, можно либо методом проб и ошибок (что сегодня делают экспериментаторы), либо путем долгих компьютерных расчетов (что делают специалисты по вычислительной биологии (computative biology). Но, к сожалению, очень часто расчеты ничего точного не могут сказать.

2. Условия внешней среды - это по сути и есть на сегодня наиболее сложная задача - подобрать раствор, в котором белок сам бы приобретал нужную конформацию. Главная проблема - неправильно уложившийся белок часто выставляет свои гидрофобные зоны наружу. Пока в растворе высокая концентрация детергентов (специальные реактивы для растворения и денатурации белка - аналоги обычного мыла) - белок в таком развернутом виде плавает в виде неактивных мономеров. Для того, чтоб белок стал активным, необходимо убрать детергент. Но как только мы их убираем, гидрофобные зоны оголяются (раньше они экранировались детергентами) и, стремятся избежать контакта с водой, т.е. "спрятаться". Проще всего "спрятаться" - склеиться с аналогичной областью. Это происходит например при правильном сворачивании белка - его гидрофобные участки склеиваются друг с другом и формуруют внутреннее гидрофобное ядро белка. Но часто вместо того, чтоб правильно свернуться, белки поступают по иному (с точки зрения термодинамики - по более энергетически выгодному пути) - они агрегируют. В итоге гидрофобные зоны "залипают" на аналогичные зоны другой молекулы белка, и образуются нерастворимые агрегаты из десятков и сотен денатурированных молекул белков. Все эти конгломераты выпадают в осадок и ни о какой активности уже говорить не приходится.

Если Вы дорогой читатель думаете, что я решу эту загадку, то это не так. Ее должны решать специалисты: физики, химики, биохимики. Моя же задача по мере моих возможностей показать набор приемов, который может быть использован при отгадке. Теперь, поясню, о чем идет речь.

Общий стереохимический генетический код - путь к биотехнологии и универсальной медицине XXI века уже сегодня.

Л. Б. Меклер, Р. Г. Идлис

Раздел 1

"Все хорошо знают, что для того чтобы связать свитер, многоцветный или одноцветный, фигурный или простой, шерстяной или синтетический, недостаточно иметь соответствующие нитки. Необходим также и план желаемого конечного продукта - скажем, свитера, в воображении художника или в виде соответствующей программы компьютера, управляющего соответствующей вязальной машиной, т. е. нитки и детали этих машин нужны сами по себе, а план изделия, изготавливаемого из этих ниток или деталей, - сам по себе. Принципиальное отличие реализации подобного процесса Природой состоит в том, что информация, необходимая для построения (вязания) Природой биологических микромашин - трехмерных молекул белков из их полипептидных цепей-ниток, записана в самих этих нитках! И реализация этой информации не нуждается ни в каких компьютерах.

Справедливость этого утверждения первым доказал американский физикохимик X. Анфинсен более 30 лет назад в результате поиска ответа на вопрос, в чем состоит, каким образом и где записана информация, согласно которой формируются трехмерные молекулы белков, поставив простой, прямой и однозначный эксперимент. Объект этого эксперимента - рибонуклеаза (фермент, расщепляющий РНК до нуклеотидов - мономеров-звеньев, из которых эти полимеры построены). Именно эту рибонуклеазу - работающую биологическую микромашину - X. Анфинсен и его сотрудники распустили до нитки, из которой эту трехмерную микромашину Природа связала. Точно так же, как распускают свитер, превращая его в моток нитей, из которого затем снова вяжут или такой же свитер, или что-либо иное.

Как же они достигли этой цели? Очень просто: растворили этот фермент в концентрированном растворе гуанидинхлорида - соединения, разрывающего все те водородные связи и ван-дер-ваальсовы контакты между аминокислотными остатками полипептидной цепи, возникновение которых и приводит к превращению нитки полипептида в трехмерную работающую биологическую микромашину. А затем эти спутанные друг с другом клубки нитей -полипептидов (денатурированную рибонуклеазу) опустили в обычный водно-солевой раствор. И этого простого действа оказалось достаточно, чтобы совершилось волшебство: буквально на глазах у зрителей за считанные минуты эти клубки спутанных нитей-полипептидов превратились не во что-либо иное, а именно в ту же мириадную армию (примерно 1017 копий - близнецов в миллилитре!) исходных трехмерных, снова работающих биологических микромашин, так же как и ранее, расщеплявших РНК на мономеры-звенья, из которых эти биополимеры построены.

За прошедшие 30 лет многочисленные исследователи неоднократно реализовали подобные эксперименты, показав, что тем же способом удается разрушить, а затем воссоздать многие самые различные ферменты, гормоны, белки - транспортеры.

Чудо? Ни в коей мере! Почему? Потому, что информация, согласно которой строятся трехмерные молекулы этих биополимеров, записана в самих этих нитях - полипептидных цепях! Каким образом? Записана согласно коду, впоследствии названному западными исследователями "второй половиной генетического кода" или "вторым генетическим кодом". Именно согласно этому коду и шло в опытах, поставленных Анфинсеном и его последователями это завораживающее превращение бессмысленных, на первый взгляд, клубков нитей в работающие биологические микромашины - возрожденные звенья жизни! И в каждом таком эксперименте на глазах его наблюдателей неживая природа как бы оживает, потому что компоненты этих хаотических клубков-полипептидов вдруг начинают двигаться друг относительно друга не хаотически, а упорядоченно! (закон перехода количества в качество. Синергетика. В.М.)

Следовательно, чтобы понять, почему, каким образом, и с какой целью биологические микромашины в частности и живые клетки, и многоклеточные организмы, вообще работают, т. е. движутся упорядоченно и целенаправленно, необходимо, в первую очередь, понять, как они собираются. А чтобы понять как они собираются, необходимо понять, почему, в каких условиях и каким образом энергия беспорядочного, микроброуновского движения молекул растворителя, приводящая в движение эти хаотические клубки-полипептиды, в результате чего они и превращаются в работающие биологические микромашины, преобразуется в энергию упорядоченного движения друг относительно друга деталей, из которых эти микромашины строятся.

Ну как я уже писал это не совсем так. Во-первых, тут не столько броуновское движение (хотя и оно тоже), сколько миллионы слабых электромагнитных притяжений-отталкиваний и гидрофильно-гидрофобных взаимодействий (плюс еще ряд менее многочисленных сил - дисульфидные связи, различные модификации и т.п.). Во-вторых, теперь осталось разобраться в том, как в каждом случае можно обеспечивать сворачивание конкретного белка. Нам пока не удается объединить белки в группы, для которых можно было бы четко прописать сценарий "автосворачивания".

Считается, что ответа на этот ключевой вопрос пока нет. А, не зная этого ответа, нельзя прицельно точно вмешиваться в работу биологических микромашин и их ансамблей, субклеточных структур, целостных клеток и многоклеточных организмов, т. е. менять поврежденные детали их микромашин на целые запасные части, воздействуя на эти объекты соответствующими безвредными, предельно эффективными лекарствами, полностью восстанавливающими утраченные в результате болезни функции.

Именно поэтому современная биотехнология занята не столько проектированием, сколько эмпирическим поиском фармакологически активных препаратов.

Именно поэтому и нет до сих пор универсальных безвредных вакцин против малярии, против гриппа, против гепатита, против СПИДа, против стрептококковых инфекций - тех самых инфекций, которые, как хорошо известно, приводят и к порокам сердца, и к поражениям почек, суставов и даже центральной нервной системы.

Именно поэтому нет и универсальных методов лечения злокачественных опухолей.

Именно поэтому нет и соответствующих средств в ветеринарии.

Именно поэтому нет и универсальных безвредных средств защиты растений.

Ну это уже совсем другая проблематика, хотя не менее важная и загадочная. Но все же давайте не выходить за рамки нашего вопроса - воспроизведение структуры белка в пробирке путем понимания основных сил и законов.

Ибо без точного, строгого, тонкого, исчерпывающего понимания смысла генетических текстов технические возможности современной биотехнологии дают человечеству не многим больше, чем пишущая машинка - печатающей на ней обезьяне, и потому результаты такой биоинженерной деятельности непредсказуемы и к тому же потенциально очень опасны. В этом же недопонимании, например, и причина имевших место в самых разных странах многих случаев гибели во сне от шока и гипогликемии неизвестной природы больных диабетом (детей и взрослых обоего пола, самого разного возраста), которым систематически вводили генно-инженерный инсулин человека вместо ранее вводившегося этим больным инсулина свиньи или крупного рогатого скота. Это недавнее известие прозвучало, как грохот торнадо в безоблачном небе розовых надежд, что, однако, было предсказано одним из нас еще 12 лет назад.

Опять же не совсем то. А случай с инсулином я вообще рекомендую удалить - уж слишком много здесь политики. Сегодня в мире идет борьба между поизводителями двух типов инсулина - человеческого генно-инженерного и традиционного, полученного из животных. Естественно за каждым типом стоят фармгиганты. Борьба за рынок идет очень сильная (см. Старокадомский П., Савранский Д. Инсулиновые войны // Комментарии, - №22-23 (370-371), 23 июня 2003 - с. 17-20).

И каждая из фирм проплачивает сотни исследований и тысячи публикаций против препаратов конкурентов. Поэтому не стоит особо верить прессе. Хотя конечно доля правды в таких заявлениях есть.

Вот почему проблема самоорганизации трехмерных молекул белков - центральная проблема не только молекулярной биологии, но и всей биологии в целом, ибо это финиш того пути "от гена - к его работающему признаку", которым биология следует от ее зарождения как науки, т. е. начиная с Ламарка. И пока эта проблема не решена, книга Жизни - геном человека - останется, по существу, зашифрованной, ибо из этого текста фактически нельзя извлечь информацию, необходимую для построения работающих биологических микромашин организма человека - действительно великую цель всего этого проекта века.

Именно. Это так называемая вторая половина генетического кода. Причем намного более сложная.

Возникает, однако, вопрос: благодаря чему Природа проводит сборку этих микромашин в клетке в тысячи раз быстрее, чем экспериментаторы - в пробирке, но тем не менее со строго определенными и различными интервалами во времени сборки различных ее деталей? Чтобы понять, как работают биологические микромашины, необходимо ответить и на этот вопрос. Почти четверть века ученые ищут ответ на вопрос о том, что же представляет собой "вторая половина генетического кода", в соответствующих условиях диктующая и столь упорядоченное, и столь стремительное выполнение этой филигранной работы.

В тот то и дело, что природа делает это гениально и просто. Каждая молекула собирается индивидуально. Плюс - очень строгая компартментализация процесса (каждый процесс протекает в отведенном для него месте). Плюс - присутствие различных вспомогательных белков-шаперонов. Плюс - количество производимого белка всегда довольно низкое, только для нужд клетки. В биотехнологии же обычно концентрация целевых белков превосходит природные концентрации в сотни и тысячи раз, что часто и вызывает проблемы. Уменьшить же выход белка не всегда возможно и всегда очень затратно. Кроме того - сам белок чужлй для бактерии, для его сборки просто нет вспомогательных систем.

Вот что написано по этому поводу в статье научного обозревателя журнала "Science" Дж. Колаты "Стремясь разгрызть вторую половину генетического кода" с подзаголовком "Воодушевленные практическими проблемами биотехнологии и медицины, ученые-исследователи пытаются нащупать правила, управляющие формированием трехмерных молекул белков", основа которой - интервью, данные ей ведущими в этой области знания учеными США и Западной Европы."

Я решил посмотреть, что пишут об эффекте памяти формы белка другие авторы. "Они выяснили, что когда очень длинные полимеры отверждаются, они фактически никогда не достигают полной кристалличности. Это происходит потому, что они фактически достигают состояния устойчивости прежде, чем все необходимое сворачивание и вся сборка кристаллов будет закончена. "Мы показали, что конечная кристалличность является фактически устойчивым состоянием". Данное открытие может расширить наше понимание в некоторых аспектах, которые биохимики называют "проблемой сворачивания белка". "Белки - это биологические полимеры, … они - длинные струны связанных аминокислот. Чтобы клетка могла функционировать должным образом, ее белки должны сворачивать себя точно и в очень сложные конфигурации. Ученые сейчас изучают, как белки умеют складываться с такой точностью".

В статье журнала предложено другое понимание процесса кристаллизации. Рост кристалла, как полагали, управлялся барьером фронта его роста для дополнения других молекул. Но … рост кристалла фактически непосредственен и не управляется никаким барьером". Дальше вы можете прочесть в Интернете. Но вот на что я хочу обратить Ваше внимание. Мне сначала показалось, что белок после растворителя распадается на несколько нитей. На самом деле, как видно из рисунка, белок превращается в одну нить, и есть опыты, которые показывают, что если белок промыть после растворителя, то он САМ превращается в белок с начальной архитектурой.

Белок - понятие сборное. Есть белки, состоящие из одной цепи (нити), есть белки, состоящие из нескольких (от 2 до десятка) цепей, или субъединиц, каждая из которых должна быть свернута определенным образом сама (т.е. каждая субъединица ведет себя как отдельный белок) и соединена с другими субъединицами определенным образом. Вместе они дают суперкомплекс (типичный пример - гемоглобин, белок крови - он состоит из 4 субъединиц).

Белок не превращается в одну нить - он ею всегда есть и будет (при условии что это белок состоящий из одной субъединицы). Если же белок состоит из нескольких субъединиц, то он при денатурации будет распадаться на эти несколько цепей.

К сожалению если промыть белок от растворителя, он абсолютно не всегда принимает свою активную форму - очень часто такие белки беспорядочно слипаются между собой с образованием неактивных агрегатов (об этом написано выше). Все зависит от того, какой именно это белок.

Белок как можно предположить, имеет память формы, по аналогии с некоторыми сплавами.

Тут аналогия наверное не совсем уместна, хоть я и не силен в сплавах. Как упоминалось выше, белок является цепью, в которой каждое звено имеет заряд либо плюс, либо минус, либо 0. Взаимодействие каждого звена с партнерами по принципу плюс к минусу, заряженные наружу/не заряженные внутрь и т.п. формируют именно эти формы. Как правило, есть всего несколько близких вариантов трехмерной структуры белка, которые энергетически наиболее выгодные (т.е. все или большинство зарядов белка скомпенсированы). Каждый раз при одинаковых условиях белок будет принимать данную форму - но это не эффект памяти. Каждый раз структура будет образовываться de novo, проходя через различные промежуточные состояния, и управлять сборкой будут в первую очередь законы термодинамики …

А мы с вами попробуем подумать, нельзя ли предложить некоторые идеи, зная, что их, конечно, никто рассматривать не будет, а для тренировки решателей научных задач может помочь. Для объяснения неизвестно как работающего феномена мы должны воспользоваться уже известными знаниями из всех наук, ну, а если это не получается, то должны придумывать, такое объяснение, чтобы оно не противоречило эксперименту. Несомненно, вопросы знания всего того, что связано с белками - это труднейший комплекс задач. Давайте пофантазируем. Представьте себе автора, ученого, который сказал, - "В любом случае, быстро или медленно, через 20 лет или через 40 лет, но они будут производить высокоэффективные молекулы для самых разных прикладных целей: среди этих молекул окажутся прекрасные лекарства и - надо отдавать себе отчет - сильнейшие яды". Так вот этот ученый берет в руки еще никем не написанную и даже не планируемую никем к созданию, книгу с названием "Метанаука для желающих" и начинает читать. Конечно, этот желающий должен знать свое дело, книга только подсказывает приемы решения научных задач. Глава сразу без введения начинается по делу.

"Нобелевский лауреат - Х. Анфинсен, провел, прекрасный, как писали авторы статьи, прямой, простой, однозначный эксперимент, который показал, что если белок денатурировать, то есть разложить его на составляющие молекулы (Здесь методологическая ошибка. На самом деле он просто развернул клубок белка - цепь же осталась не разорванной! Это большая разница. Анфинсен просто убрал взаимодействие между звеньями, как описывалось абзацом выше. А вот после диссоциации (т.е. распада на составляющие молекулы) белок уже не возможно собрать), которые никак не назовешь живыми (белок это тоже не живое - это макромолекула, органика), а затем эти молекулы поместить в простой солевой раствор, то можно смотреть представление как в театре, молекулы самоорганизуются, и образуют те же молекулы белка, - трехмерные работающие (живые) биологические микромашины. Этот эксперимент вошел во все учебники. Однако, что не сделал Х.Анфинсен? Как Вы думаете, господин читающий? Правильно, он не сделал противоположный эксперимент! А может, я ошибаюсь, может он и проводил его? И действительно, "Если белковую цепь, не повреждая, "развернуть", то есть разрушить ее компактную укладку каким-либо растворителем, то после удаления растворителя цепь сама собой свернется и обретет прежнюю пространственную структуру.

Он именно это и сделал. Еще раз - при разрыве белка на составляющие - аминокислоты - белок обратно собрать не возможно.

Это означает, что продиктованная геном аминокислотная последовательность белковой цепи самостоятельно определяет свою уникальную пространственную конфигурацию - а тем самым и свою биологическую функцию"

Именно так.

Т.о. П.Э. проведен. Можно говорить, что белок может не только в растворе соли, но без ее присутствия сам образовать из нити белок.

Тут дело не в соли - дело в соотношении зарядов в растворе. Соль можно заменить на другую, но суммарная валентность плюсов и минусов очень важна. Плюс разные другие добавки - их около десятка

Когда стали работать с другими белками, обнаружились сбои, не собираются молекулы в белок.

Точней сказать - не собирается белок в правильных клубок вне клетки.

Представьте себе экспериментаторов - они не могут воспроизвести простой, прямой, однозначный эксперимент.

Эксперимент, проведенный на одном из белков, не обязан повторяться на других. Белки между собой отличаются как автомобили - можно ли одним и тем же способом чинить колесо на "Москвиче" и инжектор в автобусе "Рено"!

Как в этом признаться? Не знаю, как произошло, но было установлено, не все белки самоорганизуются, а некоторым нужны молекулы-дуэньи, посредники, которые получили название - шапероны. (Это из статьи Елены Павшук "Молекулярные дуэньи")

Вернемся к первому опыту. Конечно, надо составить табличку, в которую поместить все параметры первого эксперимента - температуру, давление, скорость образования нити (нить уже образована, в клетках, из которых ее получили), качество воды (вода в биологии всегда одна и та же - бидисстилят и чище…), структура белка, состав раствора (а эти два фактора считаются самыми важными) и т.д. Затем выбрать тот, единственный параметр, который, по вашему мнению, наиболее сильно влияет на весь процесс, например время выдержки белка в растворителе, или концентрация растворителя (я бы выбрал структуру белка и состав раствора). Для проведения ПЭ надо значение выбранного параметра изменить так, чтобы процесс изменился, при этом все остальные параметры должны быть, как в первом эксперименте (это легко - поменять белок или раствор, или хотя бы изменить на пару единиц кислотность раствора - белок тут же может выпасть в осадок).

А затем провести ПЭ. Можно рассмотреть воду буфер и нить как предложено в ТРИЗ. Есть такие понятия как инструмент и изделие, заготовка. Предложено, в первую очередь изменять инструмент, в нашем примере это вода буфер. Поэтому можно попробовать изменить в ПЭ инструмент - воду: (омагниченная вода, дистиллированная вода, деионизованая вода и т.д.) или за счет воздействия полей (магнитное, электрическое, инфразвуковое, УЗВ, тепловое, гравитационное и т.д.) которые могут повлиять на скорость развала и скорость сборки, т.е. найти как и чем можно управлять реакцией! Это внешние воздействия. Но, по-видимому, можно видоизменять и нить белка, (изделие) добавляя к нему молекулы, либо наоборот, удаляя их. Таких ПЭ, может быть много, но надо хотя бы зацепиться за тот, в котором появится хоть малейшее изменение скорости восстановления памяти формы (любое изменение составляющих звеньев однозначно поменяет ). Можно рассмотреть возможность проведения эксперимента в защитной изолированной камере. Возможно, белок может быть биологическим детектором. Очень интересна книга В.В.Петраш (Теоретическая биология сознания) Я о ней писал. На мой взгляд, там приведен самый важный результат экспериментов - изменение химических свойств молекул (скорости окисления) от простой их выдержки около различных кристаллов. Очевидно, если бы был проведен П.Э, начали бы сразу искать шапероны. А возможно сама нить выполняет функции шаперона?!

Да, так часто и бывает, догадка верная.

Такая идея прекрасна, по аналогии с футболом - прекрасный удар, но выше ворот! А что можно сказать, о простом солевом растворе (это изменение инструмента - тут можно менять РH в широком диапазоне), какая у него концентрация соли, и какая соль? Тут можно определить при какой концентрации соли скорость сборки максимальная, а также, какие - ионы соли, несут большую ответственность за всю операцию - образование активного комплекса, образование устойчивой молекулы белка

Вот этим в основном и занимаемся, правда почти в слепую. Только с опытом работы кое-какие обобщения появляются, но они довольно узкие и туманные. Широких выводов сделать не удается из-за сложности и гетерогенности всех белков.

Теперь вернемся к книге. Давайте поищем аналогии. На Рис.1, взятом мною из статьи А.Финкельштейна, показана схема превращения белка в промежуточный комплекс, а затем в нить, и схема сборки. Внизу, слева находится нить. Справа располагается белок, а в вершине переходное нестабильное состояние белковой цепи, готовое перейти в любое из двух ее стабильных состояний - либо, в полностью свернутое, либо в полностью разделенное. Каждая сторона имеет стрелки в обе стороны. Мы можем в эту схему вписать по аналогии: возбужденные молекулы водорода, вверху H*2 , слева внизу H,H,….а внизу справа H2. Что это может дать решателю? По-моему, возбужденные молекулы могут играть какую то роль и в белках, ведь водородных связей в белках достаточно много.

Очень много и они играют решающую роль в процессе самозборки белка.

А вообще-то, есть закон, который называется " Закон основного звена". Он представлен в книге Г.Скворцова "Система законов Природы" К2 стр.38. Он выглядит так: "В цепи эволюционных преобразований основные звенья соответствуют образованию классов. Основному звену отвечает три стадии: активация предшественника, возникновение класса, его стабилизация (самая краткая - вторая, подобная скачку)".

Сформулируйте ИКР. Белок САМ должен показать какие силы возникают при его сборке.

ВНИМАНИЕ!! После того как я написал ВЕСЬ материал, я получил ссылку на сайт http://www.tomsk.ru/Books/Toffler/thirdw.htm на котором представлена "Третья волна" Тоффлера. После прочтения этой книги и беседы с А. Кудрявцевым, я вдруг УВИДЕЛ, что можно ИКР сформулировать и по-другому, а именно: возможно нить белка, САМА является катализатором и ферментом, и за счет этих свойств она собираются в белок.

Да, так оно и есть.

Мне, например, стало еще более понятно, что все понятия - ИКР, ФП, ПЭ и т.д. надо учить и понимать в детстве!!!!! Конечно, этот ИКР не решение задачи, но все же путь, по которому можно двигаться. А можно сформулировать ИКР для инструмента - воды, вода САМА должна выстраивать из нити белок

Тоже да - за счет гидрофильных и гидрофобных взаимодействий.

Как? Помните, авторы говорят о упорядоченном броуновском движении! Хочу еще обратить Ваше внимание на то, что "Объект этого эксперимента - рибонуклеаза (Фермент, расщепляющий РНК до нуклеотидов - мономеров-звеньев, из которых эти полимеры построены). Именно эту рибонуклеазу - работающую биологическую микромашину - X. Анфинсен и его сотрудники распустили до нитки, из которой эту трехмерную микромашину Природа связала". Т.о, то, с чем работал Х.Анфинсен, рибонуклеаза, которая САМА является ферментом. Приведу коротенькую справку о ферментах.

"В биохимии крайне мала вероятность того, что две сложные молекулы, предоставленные сами себе, случайно окажутся друг относительно друга в правильной ориентации, необходимой для взаимодействия. Чтобы такая реакция протекала с ощутимой скоростью, нужна помощь молекул определенного типа - ферментов. Фермент притягивает к себе две другие молекулы и удерживает их в правильном положении, чтобы взаимодействие состоялось. Как только реакция произошла, фермент освобождается и повторяет те же действия с другим набором молекул. Все ферменты в биологических системах представляют собой белки, которые могут принимать разнообразные сложные формы. Как и все белки, они закодированы в ДНК и в качестве ферментов управляют скоростью протекания химических реакций".

Мы все время рассуждаем об одиночной нити белка, и упускаем из вида, что таких нитей, которые превратятся в белки 10 в семнадцатой степени в одном миллилитре! Это же коллектив, в котором каждая нить может помогать другой, а в массе они должны в этом объеме воды изменить ее ионный состав.

Да, это действительно так - белки могут влиять на укладку друг друга. Как, почему? Пока слабо понятно. Но лучшим примером являются так званые белки-прионы - возбудители "scrapy", или коровьего бешенства.

Теперь обратимся к приему "Мыслить о немыслимом" и "Допустить недопустимое". Что же можно сделать, если мы допустим, что нить белка фермент? Думайте! Теперь надо посмотреть противоречие, ресурсы и т.д. Возможно, проверить нить на прочность при растяжении. (Работа А.П.Бельговской "Хромосомы и наследственность".) Впервые было обнаружено, что разрывы хромосом у различных испытателей - возможных космонавтов, изменяются.

Хромосома и белок - две качественно разные вещи, - как домик на детской площадке и небоскреб со всем добром в середине.

Несомненно, следует применить закон границы качества, а также закон аномальности, закон концентрации ресурса (по Скворцову). Следует использовать принцип компенсаций, рассмотреть ресурсы, дисимметрию молекул, их эквивалентность, а также вопрос - Что надо сделать, чтобы это произошло? Или что сделала бы Природа, чтобы это произошло?

Природа собирает каждый белок индивидуально. Нам пока это не под силу - мы можем работать только "крупным оптом". Это главное отличие.

Можно подумать о проведении еще одного идеального эксперимента, ведь один был проведен - нить сама показала, что она сворачивается и без соли, но хотелось бы чтобы эффект сворачивания сопровождался еще каким-нибудь эффектом - звуком, светом, и т.д., а также "выжать" из первого эксперимента всю дополнительную информацию, на которую не обращали внимание.

Он и сопровождается - изменением целого ряда физических параметров - поглощение ультрафиолета, флуоресценция на определенной длине волны и пр…

Нет ли каких-то дополнительных ионов в воде, соли и растворителе? Надо помнить, что малые добавки, могут привести к большим последствиям

Сегодня львиная доля всех работ в этом направлении именно и исследуют эффекты от различных мини-добавок.

Прекрасный пример - это полупроводники. Мне представляется, что принцип компенсации в этой задаче не линейный, как во многих явлениях, и не ветвистый, когда возникающий эффект создает несколько эффектов, а кольцевой - замкнутый, белок претерпел несколько изменении и опять стал белком. А где потеря энергии, и возникновение побочных эффектов? Очень важно представить ПОРТРЕТ ответа. Вот где нужно развитое воображение. Еще раз обращаю внимание на аналогию. Несомненно, следует рассмотреть возможность переноса решений (смотри работу Кенгерли, по переносу технических решений). Например, представляет интерес технология доставки и уборки веществ в ядра клеток: найдено ли решение по работе Т.Чека и С.Олтмэна о том, что РНК сама из себя самой вырезает незначащие куски - интроны.

Найдено. изучено и уже применяется в биотехнологиях. Процесс называется сплайсингом (от англ. to splice - сшивать). Кстати белки могут делать то же самое (см. Старокадомский П.Л. Белковый сплайсинг // Молекулярная биология (Москва), 2007, vol.41, N1, p. 1-17 ). Но об этом не сейчас.

Пожалуй, хватит фантазировать. Прежде чем закрыть книгу можно еще посмотреть такие вопросы как законы развития ТС, перенапряжение… Закрываем книгу. Было бы неплохо, если бы ученые преодолели некий барьер и поняли призывы Лейбница, Фейнмана и многих других - "мудрость науки в ее МЕТОДОЛГИИ" (С.В. Мейн). "На свете есть вещи, поважней, самых прекрасных открытий - это ЗНАНИЕ МЕТОДА, которым они были сделаны" (Готфрид Лейбниц.) Этими словами книга должна начинаться и кончаться.

Современная молекулярная биология - наука молодая, ей нет еще и 100 лет. Методология этой науки еще не отточена, поэтому много делается в слепую или наугад. Конечно развивать методы очень важно и необходимо. Но сейчас, в наше время, предложить методологию, универсальную для различных разделов молекулярной биологии, на мой взгляд, очень тяжело. В первую очередь потому, что самые важные, основополагающие принципы молекулярной организации живого перед нами пока только раскрываются. С каждым годом мы открываем все более тонкие механизмы, обеспечивающие жизнь. И часто мы с удивлением понимаем, что в прошлом году мы представляли себе устройство микромира чуть по другому, чем сейчас. А через год мы поймем, что наши сегодняшние взгляды на какой-либо объект абсолютно не верны. Мы уже умеем применять общие принципы к общим проблемам- сейчас уже любой студент может найти в живых клетках примеры и закона сохранения энергии, и перехода количественного в качественное, и спиральность развития, и борьбы противоположностей как обязательного условия жизни. Т.е. общую картину живого мы видим уже более-менее корректно.

Однако сложности возникают при конкретизации. Например тогда, когда надо найти конкретные условия для ренатурации конкретного белка. Методик для решения таких узких задач (а таких задач большинство) пока нет. Нет из-за того, что на сегодня в молекулярной биологии на 10 вопросов есть только 1 ответ, и тот пока гипотетический.

С уважением

к.б.н.

Старокадомский П.Л.