Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →
Gdyby przypadkowy przechodzień zajrzał na konferencję poświęconą biologii systemowej, zobaczyłby mapy wielkich obwodów, do złudzenia przypominające schematy elektroniczne. Widziałby, jak naukowcy wybierają ze schematu po cegiełce i dyskutują nad detalami jej działania, jak gdyby rozważali charakterystyki tranzystora. Mógłby pomyśleć, że nastała epoka jeszcze niedawno opisywana przez pisarzy science fiction.
Wszystko wskazuje na to, że XXI wiek nie będzie erą lotów kosmicznych, lecz podróży w głąb, do mikroświata i źródeł życia. W ostatnich latach powstały techniki pozwalające - z jednej strony - na śledzenie ruchu pojedynczych molekuł w komórce. Z drugiej strony - możliwe stały się skomputeryzowane eksperymenty, w których odnajduje się statystyczne zależności pomiędzy działaniem tysięcy genów równocześnie. Dzięki nim uczeni mogą kreślić coraz dokładniejsze mapy sterowania żywymi komórkami, gdzie cegiełki to geny, a łączące je linie oznaczają przepływ sygnałów. Geny to sekwencje kodu zapisanego na DNA, które zawierają informacje o organizmie.
Lecz co to znaczy, że geny przesyłają sobie sygnały?
Komórka jak komputer
Choć w każdej komórce mamy identyczne DNA, to nie składamy się z jednakowych komórek. Komórka nerwowa wygląda zupełnie inaczej niż komórka skóry. Bliźnięta jednojajowe lub sklonowane zwierzęta mają takie samo DNA, lecz mimo to nie są całkiem identyczne. Sam kod genetyczny nie wystarcza. Trzeba jeszcze wiedzieć, kiedy i które części programu uruchomić.
W serialowej kreskówce "Było sobie życie" każda komórka miała centrum dowodzenia. Siedział w nim starszy pan z długą brodą i wydawał rozkazy. Lecz prawda jest okrutna - w rzeczywistości nie ma żadnego centrum! Gorzej: żywa komórka to worek pełen - w większości - luźno pływających elementów. Pomiędzy sztywnymi rusztowaniami, utrzymującymi kształt komórki i jej wewnętrznych narządów, pływa masa cząsteczek, targanych kompletnie przypadkowymi ruchami cieplnymi.
A jednak ten chaos jest zdolny do podejmowania decyzji i wykonywania uporządkowanych działań. Na poziomie mikroskopowym cząsteczki w komórce po prostu pływają, ślizgają się i zderzają ze sobą, dopóki nie spotkają właściwego partnera. W ten sposób polimerazy RNA - komórkowe czytniki - znajdują odpowiednie miejsca na DNA, z których mają przepisać informację. Rybosomy - komórkowe fabryki - potrafią same poskładać się z kawałków, by stawić się w tym miejscu, gdzie są potrzebne. Tam łapią taśmy mRNA z przepisanymi fragmentami kodu i na jego podstawie budują cząsteczki potrzebnych komórce białek.
Geny przekazują sobie nawzajem sygnały - gdy jeden jest czynny i na jego podstawie produkowane jest jakieś białko, to inne geny, wiedząc o tym, mogą się włączyć bądź wyłączyć. Ta regulacja nie opiera się jednak na centralnym sterowaniu, lecz na samoorganizacji. Cząsteczka białka - produkt jednego genu - może stanowić klucz, pozwalający na odczytanie lub zablokowanie czytania informacji z innego genu. Te wzajemne zależności tworzą owe obwody sterowania komórką, przypominające schemat elektroniczny. Podobieństwo sięga nawet tak daleko, że geny mogą się zachowywać jak bramki logiczne w komputerach. Zera i jedynki - to obecność cząsteczek danego białka lub ich brak. W elektronice rolę tę spełnia prąd lub brak prądu.
W układach elektronicznych szumy są niepożądane, gdyż zakłócają sygnały. Lecz w żywych komórkach mamy mikroskopijne układy, złożone z pojedynczych, losowo się poruszających molekuł. Przypadkowe zakłócenia są tu nieuniknione. Od urządzeń zbudowanych przez człowieka komórki różnią się tym, że nie tylko radzą sobie pomimo owej przypadkowości, lecz na niej wręcz opierają swe działanie.
Mnożenie i dzielenie
Wraz z dr. Marcinem Tabaką z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie opisaliśmy mechanizm, dzięki któremu żywe komórki mogą przekuć przypadkowość w porządek: dzięki losowemu dziedziczeniu cząsteczek potrafią spontanicznie rozdzielić się na dwie grupy, wykonujące różne funkcje. Dzieje się to, pomimo że mają takie samo DNA i nie zachodzą w nim mutacje, czyli zmiany w zapisie genetycznym.
Opisaliśmy matematycznie działanie najprostszej cegiełki regulacji genów: gen sterujący produkuje białko-klucz. Otwiera ono bądź zamyka na pewien czas dostęp do drugiego genu, który kryje program produkcji potrzebnego komórce białka. Brzmi to ogólnikowo, a przecież w przyrodzie istnieją miliony rodzajów białek: cząsteczki służące do budowy struktury komórki, enzymy do trawienia substancji odżywczych, białka sygnalizacyjne do sterowania kolejnymi genami... Lecz choć geny zawierają kody rozmaitych substancji, to mechanizm czytania programu oraz samej produkcji jest w zasadzie taki sam.
Postawiliśmy sobie pytanie: co zobaczylibyśmy, patrząc na zachowanie owej genetycznej cegiełki, lecz nie w jednej komórce, a w wielu komórkach naraz? Skupiliśmy się na komórkach najprostszych, takich jak bakterie lub drożdże. Jednak bez ich zrozumienia nie da się rozpracować organizmów bardziej złożonych. Jacques Monod, ojciec genetyki, powiedział: "Gdy już zrozumiemy biologię bakterii E. coli, to zrozumiemy biologię słonia".
Komórki w losowych odstępach czasu odczytują DNA i produkują nowe cząsteczki białek-kluczy. Jednocześnie się namnażają, dzieląc swoją zawartość w dość przypadkowy sposób. Jedna komórka potomna może łatwo odziedziczyć więcej kluczy niż jej siostra. Biolodzy sprawdzili doświadczalnie, że gdyby posegregować komórki do przegródek w zależności od ilości posiadanych kluczy, to zobaczylibyśmy, że tworzą tylko jedną, choć rozmytą, grupę.
Jeśli klucz służy do zamykania drugiego genu przed odczytem, to te komórki, które mają go więcej, będą produkowały mniej białka. Wydawałoby się, że zatem stworzą również jedną grupę, która produkuje średnio pewną ilość białka. Tymczasem odkryte przez nas prawo statystyczne mówi, że - z pozoru nieoczekiwanie - komórki mogą podzielić się na dwie grupy: jedna produkująca, a druga niemal bezczynna. Dotychczas istniały wśród badaczy jedynie mętne przypuszczenia, że coś takiego może się zdarzyć. Dotyczyły one jednak bardziej skomplikowanych przypadków - kaskad wielu genów, lub genu, do którego dołącza się jednocześnie kilka kluczy. Nawet i te intuicje nie były jednak matematycznie udowodnione. Natomiast w ogóle się nie spodziewano, że podział na dwie grupy może wygenerować nawet najprostsza z możliwych cegiełek sterowania genami.
Jest to możliwe dzięki magicznemu pojęciu: "nieliniowość". Oznacza ono, że skutek nie jest proporcjonalny do przyczyny. Szybkość produkcji białka nie jest proporcjonalna do ilości posiadanych przez komórkę kluczy.
Większość zjawisk na świecie przebiega nieliniowo. Jednak zjawiska liniowe są łatwe do pojęcia zdrowym rozsądkiem, podczas gdy nieliniowe wymykają się intuicji i dlatego tak fascynują naukowców.
Zawrotna perspektywa
Zrobiliśmy krok w kierunku zrozumienia, jak identyczne genetycznie komórki się różnicują. Jest to praca z rodzaju tych, które wyjaśniają bardzo proste, lecz podstawowe zagadnienie. Sprawdziliśmy nasze wyliczenia za pomocą symulacji komputerowych, odtwarzających najważniejsze procesy przebiegające w komórkach. Wyniki te trzeba teraz zweryfikować doświadczalnie. Znamy z literatury kilka wyników doświadczeń, przeprowadzonych przez zagraniczne grupy badawcze, które prawdopodobnie mogłyby być wyjaśnione przez naszą teorię.
Stąd wciąż daleka droga do znacznie bardziej skomplikowanych komórek zwierząt, w tym człowieka. Lecz zrozumienie tego prostego mechanizmu otwiera nowe okno na świat, gdyż pozwala zadać nowe pytania.
Przede wszystkim - po co komórkom dzielić się na dwie grupy, produkującą i bezczynną? Gdy chodzi o produkcję jakiegoś ważnego białka, to istnienie grupy bezczynnej wydaje się nieopłacalne. A jednak - jeśli nastaną niesprzyjające warunki, to komórki zajęte produkcją mają mniej energii, by się bronić. Tymczasem grupa bezczynna ma więcej energii w zapasie i może się okazać, że to właśnie ona przeżyje naturalną selekcję. Znaczenie tego zjawiska dla ewolucji dopiero czeka na zbadanie.
Wielu ludzi zadaje sobie filozoficzne pytanie, czy świat ożywiony jest przypadkowy, czy też "inteligentnie zaprojektowany". Najprostsze przejawy życia, które bada biologia systemowa, każą się zastanowić, czy takie postawienie problemu ma w ogóle sens. Na pewnym mikroskopowym poziomie prawa statystyki powodują, że martwa losowość przekształca się w uporządkowane, żywe działanie.
Zawrotna perspektywa otwiera się, gdy zdać sobie sprawę, że żywe organizmy składają się z milionów cegiełek, działających w skali mikro zupełnie przypadkowo, a jednak produkujących uporządkowane efekty. Nie są one idealne - raczej statystycznie wykazujące pewien porządek. Prawdopodobnie więc cała złożoność życia opiera się na tym, że w każdej żywej komórce każdy z jej podstawowych elementów przekazuje drugiemu sygnały - po części uporządkowane, po części losowe. Te zaś, składając się w nieskończone kaskady, wyłaniają z siebie coraz większy ład i precyzję.
W rezultacie mogą stworzyć nawet coś tak niebywale złożonego jak człowiek.
Dr ANNA OCHAB-MARCINEK jest fizykiem teoretykiem, pracuje w Instytucie Chemii Fizycznej PAN w Warszawie. Opisane badania zostały zrealizowane w ramach programu TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej - EFRR PO IG 2007-2013.
