Молекулярная информатика – новый уровень познания живой материи

В результате этих преобразований каждый белок клетки получает своё индивидуальное структурное, информационное, энергетическое и программное обеспечение. Поэтому, стереохимический принцип кодирования молекулярной биологической информации применяется живой природой для размещения в одной макромолекуле различных по своему назначению сигналов, сообщений, инструкций, команд управления, а также органов и механизмов их реализации [7].

Такая организация белковых молекул не обладает сильной структурной жесткостью, она всегда достаточно лабильна в тех пределах, которые необходимы для выполнения ими биологических функций. А функциональное поведение макромолекулы, при взаимодействии её с молекулярными партнёрами, определяется свободной энергией и результатом информационного взаимодействия как внутренних, так и внешних составляющих её элементов. Поэтому этот информационный уровень характеризуется уже взаимодействием биологических молекул друг с другом с помощью их локальных, рельефных или поверхностных микроматриц, в результате которых и возбуждаются их биологические функции.

Стереохимический код - это пространственная кодовая организация элементов (букв или символов) и их боковых атомных групп в виде локальных или поверхностных биохимических микроматриц в углублениях или на поверхностных участках биологических молекул. Матричный принцип взаимосоответствия является основой информационного взаимодействия биологических молекул друг с другом. Такое соответствие в молекулярной биологии можно назвать информационной функцией. Только в случае комплементарных взаимодействий биомолекул друг с другом с помощью биохимических матриц, когда обнаруживается их химическая и стерическая взаимодополняемость, эти коды (субмолекулярные матрицы) активируются и ведут к возбуждению биологических молекул и их функций. Именно переключение состояний био-логических элементов в трехмерных конформациях, при информационных взаимодействиях биомолекул друг с другом, обеспечивают те функциональные процессы, которые происходят в структурах самих биологических молекул.

То есть по совпадению кодов осуществляется контроль передачи и приёма молекулярной биологической информации. Здесь речь идёт о характеристиках процессов рецепции информации и способности рецепторной системы влиять на исполнительные органы биомолекул. Следовательно, можно констатировать, что стереохимические коды - это те молекулярные коды, которые непосредственно участвуют в формировании биологических функций и реализации химических превращений. Собственно, - это и есть те разыскиваемые коды соответствий биологических молекул, которые являются основой их информационного взаимодействия, а затем и функционального поведения. Стереохимическими кодами - пространственной организацией элементов в трёхмерной структуре, программируются функции, поведение и биологическая судьба не только белковой, но и любой другой биологической молекулы клетки.

Таким путём кодируются и программируются все их биологические механизмы и функции. Так как все функции в молекулярной биологии возникают и формируются информационным путём, то это может означать лишь одно, - вся технология биологических процессов основана на генетической информации и применении различных молекулярных алфавитов живой формы материи. А само информационное сообщение в молекулярной биологии приобретает смысл через функцию, которую оно кодирует.

Поэтому в живой молекулярной системе, под выполнением функций, с кибернетической точки зрения, должно пониматься исполнение белковыми молекулами (или другими функциональными молекулами клетки) различных информационных команд, директив, инструкций и сообщений, записанных в их молекулярной пространственной структуре. Все эти сообщения имеют дискретный характер и записываются стереохимическими кодами. Исследованием характеристик стереохимических кодов и микроматриц, в каждом конкретном случае, должна, по-видимому, заниматься специализированная дисциплина, такая как молекулярная биологическая информатика.

Стереохимические коды и микроматрицы, представляющие собой управляющие или коммуникативные сигналы белковых (как, впрочем, и других) макромолекул, возникли в процессе эволюции живой материи и в настоящее время являются основой молекулярных информационных процессов в каждой живой клетке (организме). Все они образованы соответствующей пространственной организацией боковых атомных группировок биологических элементов (химических букв или символов), входящих в состав кодовых сигналов. Такое динамическое информационное взаимодействие элементов в составе биологических молекул, которое особенно характерно для белковых молекул, является основой динамического механизма их биологических функций. Стереохимические коды активных центров построены на основе аминокислотного кода, поэтому ферменты могут адресно взаимодействовать с молекулой субстрата и быстро находить нужную им химическую связь и связывающую группу. Кодовые компоненты активных центров ферментов могут комплементарно взаимодействовать с доступными для них функциональными или боковыми атомными группами и атомами молекулы субстрата. Как полагают биологи, субстрат присоединяется к активному центру фермента, который геометрически и химически представляет собой как бы негативный отпечаток молекулы субстрата, то есть - комплементарен ей.

А с информационной точки зрения - это процесс рецепции кодовых компонентов и проверка их на функциональное соответствие друг другу. Поэтому рецепция и приём осведомляющей кодовой информации субстрата заканчивается подключением его молекулы, через контакт «устройства комплементарного сопряжения» активного центра, к управляющим органам и механизмам фермента.

Поэтому все субстраты для своих ферментов являются сигнальными молекулами, несущими осведомляющую стереохимическую информацию. На этих принципах основана биохимическая логика информационных взаимодействий между ферментами и их субстратами. Субстраты - это тот химический и информационный материал, который обрабатывается управляющей системой клетки. Таким образом, молекулярные биологические системы наиболее широко используют стереохимические кодовые сигналы с переносчиком информации в виде трёхмерных биомолекул. А это уже качественно новый скачок в использовании молекулярной информации, которая в такой форме явно становится основной характеристикой живой материи. Стереохимическое кодирование в живых молекулярных системах служит для программирования функций различных биомолекул. Биохимическая логика информационных взаимодействий, в частности, предопределяет и протекание химических реакций, так как она основана на явлениях стереохимического узнавания соответствующими ферментами различных биологических элементов или их функциональных и боковых атомных групп и их химических связей, то есть различных химических букв, символов и знаков биологических молекул субстрата.

Если для компактной трёхмерной упаковки молекулярных цепей, а, следовательно, и информации, в живых системах применяется линейный принцип кодирования, то стереохимический принцип кодирования служит для программирования самих функций биологических молекул. В силу этих обстоятельств информация в молекулярной биологии приобретает смысл только через функцию, которую она кодирует. Биологические функции возникают в процессе информационного взаимодействия биологических молекул друг с другом. Поэтому все информационные взаимодействия биомолекул являются прелюдией к выполнению функций биологических. Заметим, что стереохимическими сигналами активного центра кодируются не только адресный код молекулы субстрата, но и те функции, которые должен осуществить фермент. К примеру, код операции указывает характер химического превращения, которую должен осуществить фермент с молекулой (или молекулами) субстрата. Поэтому стереохимическими кодами (адресными кодами и кодами операций) соответствующих ферментов программируются разные биологические функции, в том числе и функции управления различными ступенчатыми химическими реакциями - окисления, восстановления, расщепления, межмолекулярного переноса атомных групп и т. д.

Таким образом, оказывается, что все химические реакции в живых системах управляются только информационным путём. Биологические функции возникают лишь в процессе адресной встречи и обмена информацией между биомолекулами с помощью их кодовых стереохимических матриц, которые должны комплементарно соответствовать друг другу. А соответствие молекулярных кодов в живых системах строится по принципу их структурной (стерической) и химической комплементарности, то есть на основе взаимодополняемости их связей, структур и функций. А различное информационное содержание полипептидных цепей является основой построения множества различных по функциональному назначению белковых молекул. Целью стереохимического кодирования биомолекул является передача адресных информационных сообщений с кодовым разделением различных по своему назначению сигналов. Более чем наглядно это видно, когда такая программа реализуется в форме белков и ферментов, то есть в виде молекулярных биологических автоматов или манипуляторов.

Поэтому можно сказать, что это - универсальный путь передачи управляющей информации для непосредственного использования её в различных биологических процессах. Очевидно, что по кодовым компонентам полипептидных цепей вполне можно делать предсказания и о трёхмерных пространственных структурах белковых молекул, и об их функциональном и информационном назначении. Изучение кодовых посылок, линейных и стереохимических кодов и кодовых комбинаций (программных модулей) в структуре биологических молекул, должно стать приоритетным направлением в молекулярной биологической информатике. Аналогичным образом идет трёхмерное преобразование макромолекул полисахаридов или липидов, осуществляемое кодовыми элементами простых сахаров или жирных кислот. При этом, естественно, эти макромолекулы будут иметь свои биологические характеристики.

Бесконечная череда длинных дискретных сообщений (в виде иРНК, полипептидных цепей и белковых молекул), по своей сути, представляет собой, ничто иное, как те управляющие информационные потоки и сети, которые осуществляют циклическую передачу информации с целью управления и регулирования химических превращений и реализации различных молекулярных и био-логических функций. Комплементарные обратные связи, при взаимодействии биологических молекул друг с другом, применяются для повышения достоверности информационных передач. Всё это означает, что в любой живой системе применяются помехозащищенные коды. Таким образом, коды и кодовые комбинации аминокислотных остатков в «линейной» полипептидной цепи (модули) наглядно разделяются по их характеристикам и функциональному назначению.

Живые системы состоят из материальных и виртуальных компонентов. Отсюда, как следствие, вытекает и тот факт, что все клеточные процессы управляются, регулируются и взаимно координируются той программной информацией, которая (с помощью генетической информации и элементной базы) «загружена» в аппаратную систему клетки, то есть, перенесена и находится в функциональных биомолекулах и структурах клетки.

Таким образом, получается, что управление биохимическими процессами в живых системах осуществляется при помощи «программируемых» молекулярно-аппаратных средств: ферментов, белков и других функциональных биологических молекул. Важно здесь подчеркнуть, что мономеры (химические буквы и символы молекулярного алфавита), составляющие вещество, - это и есть та материальная часть, которая по своему статусу является еще и носителем нематериальной части - кодируемой информации. Поэтому отношения между ними в макромолекуле складываются такими же, как между информацией и её материальным носителем. А именно: каждый из них «живёт» по своим собственным законам. Очевидно, что молекулярная информация существенно отличается от общепринятого нами понятия информации, во-первых, необыкновенным «сращиванием (слиянием)» её со своим молекулярным носителем и, во-вторых, она отличается своим чисто биологическим назначением и применением. Ясно, что используется она только в мире живых систем. Кроме того, в живых молекулярных системах была достигнута невероятная плотность записи информации, так как её кодирование в структурах макромолекул осуществляется на субмолекулярном уровне, с помощью боковых атомных групп молекулярных биологических элементов - нуклеотидов, аминокислот, простых сахаров, жирных кислот и других мономеров.

Трудно себе представить, какое колоссальное количество информации хранится в генетической памяти и циркулирует в биологических молекулах и структурах одной клетки, размеры которой в длину подчас составляют сотые доли миллиметра! Поэтому можно сказать, что химический способ представления информации стал именно тем гениальным изобретением природы, с помощью которого была подведена черта под химической эволюцией материи, и были открыты необъятные дали и непредсказуемые пути великой эволюции - биологической. При этом живая природа оказалась настолько искусным шифровальщиком и применила на молекулярном уровне такие системы кодирования и программирования, которые гарантировали сохранность тайн живой формы материи буквально до наших дней! К сожалению, среди биологов не оказалось квалифицированных криптографов, которые могли бы расшифровать многочисленные молекулярные коды и различные линейные и пространственные кодовые комбинации молекулярных биологических элементов (мономеров), которые составляют программные модули, используемые в структурах биологических макромолекул. Понятно, что для представления молекулярной информации в живых системах не применяются функции алгебры логики и операции двоичной арифметики. Здесь действуют строго свои, специфические закономерности молекулярной биохимической логики и информатики. Очевидно, что биоорганическое вещество подчиняется своим физико-химическим законам, а информация подчиняется только своим специфическим закономерностям. Однако при этом следует отметить важное отличие, которое существует в любой живой системе: информация не зависит от свойств своего носителя (вещества), а вот судьба вещества полностью зависит от той информации, которая записана в его структуре. Более того, все свойства и состав макромолекул полностью зависят от той информации, которая загружается в их структуру во время биосинтеза. Следовательно, информация не только руководит структурной организацией вещества, но и использует его физико-химические свойства для своего молекулярно-биологического воплощения!

Удивительно, но приходится констатировать, что наши материальные тела, по своей сути, созданы из тех же вещественных носителей информации, которые были использованы для переноса наследственной информации. Информация в любой биомолекуле указывает ей путь, её функциональное поведение в клеточной среде, а значит, и всю её биологическую судьбу. Все эти процессы обеспечиваются энергией и информацией, а само вещество (т. е. сам носитель информации) преобразуется в молекулярные механизмы для выполнения тех или иных биологических функций. После выполнения своих информационных функций любая биомолекула заменяется на другую, способную выполнить те функции, которые необходимы живой клетке в данное время и в данном месте. По такому поразительному сценарию живая клетка не только передает информацию, но и одновременно снабжает себя материально-энергетическими компонентами и механизмами. Как ни странно, биологи наблюдают только материальную часть этого процесса, не замечая главного - передачи программной наследственной информации. Очевидно, что естественные науки сегодняшнего дня уже не имеют права игнорировать те информационные явления на молекулярном и биологическом уровнях, которые не только существуют в живых системах, но и являются ключевыми движителями всех жизненных процессов. Только на основе изучения и исследования информационных основ биохимических и молекулярных процессов, и никак иначе, мы можем познать общую картину информационных отношений живой материи.

А виртуальная сущность информации дает нам возможность проникнуть в неведомый и таинственный нематериальный мир живого и определить его организующее и созидающее начало. Очевидно, что здесь на первый план выступает наследственная информация, которая обеспечивает не только структурную (вещественно-энергетическую) организацию живых систем, но и выполнение всех их биологических функций. Значит, организация живых систем осуществляется не только на базе вещественно-энергетических взаимодействий материального мира, но и, что особенно поражает наше воображение, так это то, что первопричиной организации живой системы является не материальная, а прежде всего, её информационная - виртуальная часть. Как мы видим, живая природа пошла по пути использования, как самой информации, так и средств её молекулярных носителей.

Посредством оперативной памяти иРНК, молекулярного алфавита и соответствующих аппаратно-программных средств (трансляции) информация загружается в структуру белковых молекул, где она диктует биомолекулам не только структурное содержание, но и правила их поведения. Таким образом, циркуляция информации в клетке определяет не только структурную, но и программную часть всех компонентов клетки. Кроме того, заметим, что движение информационных сообщений в живой клетке никогда не может осуществляться без движения их молекулярных носителей. Этот факт, по-видимому, и является первопричиной, побуждающей клетку строить свои вещественные отношения таким образом, чтобы движения информации всегда были бы обеспечены вещественными носителями! Этим задачам, по всей видимости, подчинены все управляемые обменные процессы живой клетки, то есть, таким образом, наследственная информация в живой системе занимается материальным и энергетическим самообеспечением. Вот и получается, что при изучении явлений жизни должно превалировать не материальное, физико-химическое представление, которое традиционно доминирует в естествознании, а, прежде всего, нематериальное мировоззрение, основанное на информационном подходе к молекулярно-биологическим проблемам.

Очевидно, что здесь к нематериальной части живого мы можем отнести не ту мифическую «животворящую силу творца», которая декларативно заявляется приверженцами религии, а ту реально существующую информационную часть живого, которая заключена в программном обеспечении генома, в генетических информационных сообщениях, во всевозможных командах, данных, молекулярных кодовых сигналах различного назначения, инструкциях и т. д. Ясно, что в основе организации всех живых систем лежат не только вещественные, но и виртуальные - информационные отношения.

Отсюда очевидно, что жизнь - это бесценный дар не только материального мира нашей Вселенной, но и виртуального - нематериального мира, а сами мы: люди, животные, растения и даже микробы, являемся детьми этих двух миров. Однако, как это неудивительно, но таинственный и необъятный мир молекулярно-биологической информатики до сих пор не поддается исследованию и изучению. Очевидно, что природа биоорганического вещества живой системы характеризуется двумя сторонами - материальной, которая достаточно хорошо изучена естественными науками и информационной, которая по своей сути представляет собой виртуальную часть живого. К сожалению, эта вторая и «таинственная» сторона живого вещества, по значению не уступающая первой - материальной, естественными науками оказалась незамеченной и поэтому практически неизученной. Удивительно, но информация, - это именно тот виртуальный посредник, который с самого начала зарождения жизни, связывает материальную часть нашего мира с нематериальной его частью. Особенно заметно это проявляется при рассмотрении живой материи. И, действительно, обратим внимание на то, что живая природа здесь пошла по пути использования, как самой информации, так и средств её молекулярных носителей. То есть она пошла по пути связывания друг с другом материальных, энергетических и виртуальных компонентов (сообщений, программ, данных, команд). Причем, долевое участие каждого из этих составляющих в системную организацию живого велико и практически немыслимо без каждого из них. Следовательно, назначение клеточного вещества не исчерпывается уже изученными физико-химическими процессами, потому что, оно подчинено еще и законам молекулярной биохимической логики и информатики.

Обратим внимание на то, что сегодня понятие «Информация» рассматривается в контексте с возможностью её хранения, передачи и вероятностью её автоматизированной обработки. Под обработкой информации в информатике понимают любое преобразование информации из одного вида в другой, производимое по определенным правилам. Естественно, что все преобразования информации в живой системе обычно производятся для достижения определенного биологического эффекта. В этом, видимо, и скрыт основной смысл молекулярной информации.Живая клетка как сложная информационная система, состоит из совокупности биологических молекулярно-аппаратных средств управления и различного рода локально рассредоточенных объектов управления (субстратов). В связи с этим, все они, с одной стороны, относятся к материальной части системы. Однако в то же время, с другой стороны, - они же являются носителями управляющей и сигнальной информации. Потому, что все они, как мы уже отметили, строятся и программируются на основе типовых молекулярных биологических элементов. А в качестве элементарных информационных сигналов в живых клетках используются «химические сигналы» боковых атомных групп этих элементов.

Таким образом, живые молекулярные системы используют химический принцип записи информации. А элементарные химические информационные сигналы определяются соответствующими элементами, выступающими в качестве кодовых единиц молекулярной информации. Очевидно, что информационная концепция построения и функционального поведения биомолекул может базироваться только на универсальных свойствах и правилах применения таких биологических единиц. Поэтому, мы убеждаемся в том, что элементарный состав биологических молекул определяет не только структуру, то есть материальную часть живого вещества; но он же, тождественно, является и эквивалентом генетического сообщения. Информация в живой системе кодируется в цепях биологических макромолекул, следовательно, тот же элементарный состав одновременно определяет и информационную часть живого вещества. В связи с этим, живое вещество всегда является носителем определенной молекулярной информации. Так как молекулярная биологическая информация, точно так же, как и любая другая информация обладает свойством виртуальности, то получается, что живая материя состоит из материальных и виртуальных компонентов. Закодированная информация в цепочках химических букв и символов - это та умозрительная реальность, существование которой мы можем мысленно себе представить, то есть для нас это виртуальная реальность. Однако здесь информация кодируется при помощи элементарной формы органического вещества, она записывается в линейные и трёхмерные структуры биологических молекул и реально существует только молекулярно-биологическом воплощении. Поэтому для самих молекул, - это структурная и программная реальность, данная биомолекулам для построения (самоорганизации) и функционирования. Виртуальная реальность информации здесь - это реальность и значимость отдельного дискретного молекулярного объекта, которая обусловлена эффектом сложения (слияния) трёх активных составляющих живого: вещества, энергии и информации.

А живая материя (биомолекулы) - это уже объективная реальность, данная нам в ощущениях. Виртуальная реальность сейчас определяется как актуальная, событийная реальность, которая реально значима в настоящий момент времени. Сосуществование и взаимодействие материальных и виртуальных компонентов, с самого начала зарождения живой материи стало не только главной реальностью и смысловым содержанием жизни, но и причиной её бурного развития и широкого распространения. Информация стала определяющей мерой многих вещей и явлений, потому, что она выступила в роли универсального критерия направленности многих природных процессов и, в первую очередь, функциональных биохимических процессов живых систем, а затем, и процессов их эволюционного развития. Мы убеждаемся в том, что живая природа пошла по пути использования, как самой информации, так и средств её молекулярных носителей. Посредством оперативной памяти иРНК, молекулярного алфавита и соответствующих аппаратно-программных средств (трансляции) информация загружается в структуру белковых молекул, где она диктует биомолекулам не только структурное содержание, но и правила их поведения. Таким образом, циркуляция информации в клетке определяет не только структурную, но и программную часть всех компонентов клетки. Кроме того, заметим, что движение информационных сообщений в живой клетке никогда не может осуществляться без движения их молекулярных носителей. Этот факт, по-видимому, и является первопричиной, побуждающей клетку строить свои вещественные отношения таким образом, чтобы движения информации всегда были бы обеспечены вещественными носителями! Это ведет к новому представлению и означает, что атомы, молекулы и целые соединения молекул находятся в живой системе в процессе постоянного информационного движения - процесса, который и называется жизнью. Потому что все управляющие и сигнальные (информационные) компоненты живого представлены только в виде вещественно-энергетических носителей (переносчиков информации).

Получается, что все биологические системы возникают в результате процессов обмена информации, биоорганического вещества и химической энергии, и без этих процессов они не могут существовать. А все процессы обмена веществ и энергии в живых существах всегда привязаны к специфическим условиям преобразования наследственной информации и даже «закрепощены» ими. Очевидно, что видом и только видом информационной организации материи отличаются различные формы жизни друг от друга. Очевидно, что в живой природе только молекулярный носитель информации мог положить начало молекулярно-биологической технологии переработки информации, а, стало быть, и соответствующим преобразованиям тех молекулярных компонентов биоорганического вещества, в структурах которых осуществлена запись информации. При этом заметим, если вещество и энергия живой материи являются её материальными наполнителями, то информация в структуре живого вещества, по своей сути, является руководством к действию, а значит, и критерием управления всех химических, молекулярных, энергетических и других биологических процессов.

Вещество, энергия и информация стали важнейшими сущностями нашего мира, главнейшими его составляющими. Однако пальму первенства из этой триады, в любых созидательных процессах, мы должны отдать только информации. В связи с этим, можно надеяться, что естественные науки сегодняшнего дня стоят на пороге открытия одной из важнейших основ нашего существования и бытия - необъятного мира пока неизвестных нам информационных молекулярно-биологических субстанций и технологий. Следует также закономерный вывод о том, что все универсальные свойства, приписываемые сегодня биологической форме движения материи, на самом деле относятся к информации, заключенной в её структурах. К этим свойствам относится способность живых систем к самосборке, саморегуляции и самовоспроизведению. Но что удивительнее всего, так это то, что все эволюционные процессы живой материи, в первую очередь, обеспечиваются молекулярной информацией. Ясно, что все эти уникальные способности живого обеспечиваются только системной организацией и наследственной информацией, существующей на основе биоорганического вещества, но никак не самим веществом, какими бы уникальными физическими или химическими свойствами оно не обладало. Физико-химические свойства биоорганического вещества просто оказались незаменимыми при построении функциональных биологических средств, устройств и механизмов, используемых управляющей системой клетки для реализации биохимических процессов. При этом, вся организационная часть по созданию и применению этих средств, как известно, возложена на генетическую информацию.

А генетические сообщения обеспечивают и закладывают в макромолекулы не только структурные, но и программные компоненты биоорганического вещества. Все эти процессы практически обеспечивают феномен единства вещества, энергии и информации. Очевидно, что рассматриваемая триада компонентов выступает в роли универсального фактора, обеспечивающего все жизненные процессы и биологические свойства вещества. Нет сомнений в том, что информация, это тот виртуальный посредник, который с самого начала жизни, связывает материальную часть нашего мира с виртуальной, нематериальной его частью. Информация многим кажется нереальной и неопределимой. Необъятный мир её разнообразен и мало изучен. Но информация не только существует, но даже живёт полнокровной жизнью, причем, в каждом из нас, поскольку мы её и душа, и тело, и средство её материального наполнения, и орудие её взаимодействия с окружающим миром. Сама Жизнь, благодаря внедрению и использованию наследственной информации, оказалась явлением эволюционного и функционального перехода вещества, энергии и информации на качественно новый уровень их системной организации. Диктат информационной субстанции подчинил движение потоков вещества и энергии своей воле, а направленность эволюционных процессов оказалась изначально подчинена информации.

Учитывая фундаментальную роль информации в живых системах и во всех областях человеческой деятельности, можно убедиться в том, что информация - это и есть та таинственная сила, которая правит всем нашим миром. 7. Физико-химические основы информационных взаимодействий Все химические буквы и символы алфавита живой материи были отобраны в процессе эволюции. Поэтому, кроме семантики сообщений они обладают еще и уникальной природной способностью к выполнению различных - химических, энергетических, программных и других биологических функций. Эти мономеры, как правило, имеют диаметр от 0,5 до 0,7 нм. Поскольку диаметр молекулы типичного глобулярного белка, состоящего из 150 аминокислот, составляет всего 4 нм, совершенно очевидно, что аминокислотные остатки должны быть упакованы очень компактно, то есть полимерная молекула должна быть свернута. Поэтому ясно, что только информационные технологии живых молекулярных систем способны целенаправленно работать на недосягаемом для других технологий уровне - на уровне отдельных атомов, атомных групп и молекул. Вряд ли в ближайшее время этот уровень будет достигнут человеком, несмотря на его техническую оснащенность.

Поэтому вполне понятен наш интерес к тем физико-химическим явлениям, силам и взаимодействиям, которые лежат в основе информационных процессов живых систем. Дело в том, что те микроскопические явления, которые слабо проявляются при привычных технологиях, в информационных живых нанотехнологиях приобретают новые свойства и становятся намного значительнее. Заметим, что все совокупные признаки и особенности биологических молекул и структур зависят от состава и интегративных природных свойств их биологических элементов. Именно совокупность таких физико-химических свойств биологических элементов применяется живой клеткой в качестве информационных сигналов. Заметим, что в технических информационных системах наиболее широко используются электрические сигналы с переносчиком в виде синусоидального или импульсного тока и напряжения. А разделение сигналов может быть осуществлено во времени, по частоте, фазе, форме импульсов и другим признакам. Отметим, что живая природа намного опередила технические системы по широте и спектру физико-химических признаков, которые используются для разделения информационных сигналов. Живая материя пошла по пути использования естественных природных свойств своей элементной базы (биологических элементов). Она намного опередила и предвосхитила появление адресных информационных передач. В живой системе широкое применение находят именно адресные передачи, где разделение передающих сигналов (в структуре биомолекул) в одном случае можно назвать «линейным кодовым», в другом - стереохимическим кодовым разделением сигналов».

Известно, что при работе с чрезвычайно малыми размерами молекул проявляются квантовые эффекты и эффекты межмолекулярных взаимодействий, такие как водородные связи, Ван-Дер-Ваальсовы силы, ионные связи и т. д. В настоящее время считается, что искусственные нанотехнологии еще не обладают комплексом той робототехники, которая могла бы быть способной манипулировать на уровне атомов, атомных групп и отдельных молекул. Говорят, что нанотехнологии - это ворота, открывающиеся в новый мир. Однако автор данной статьи должен заметить, что в действительности этот мир для живой природы далеко не нов, так как он успешно существует и развивается вот уже более 3,5 миллиардов лет! Это молекулярный мир естественных нанотехнологий живой материи. Нанотехнологии и, в особенности, информационная молекулярная технология живых систем - это те родственные области, которые, к сожалению, до сих пор еще недостаточно исследованы и изучены. Одним из важнейших вопросов, стоящих перед нанотехнологиями -- как заставить молекулы группироваться определенным способом, самоорганизовываться, чтобы в итоге получить новые материалы, объекты или устройства с нужными параметрами и свойствами.

Поразительно то, что в процессе эволюции живая природа с подобными задачами уже давно и успешно справилась. К сожалению, в этом вопросе в естествознании исследователи до сих пор не могут достичь единомыслия. К примеру, некоторыми биологами признается «не только бесперспективность молекулярного анализа общих клеточных процессов, но и неадекватность наших биохимических представлений. Причина - в особенностях биологических законов. Хотя эти законы не противоречат физическим, но они из них и не следуют. Первое, что, по мысли известного биолога из Чикаго (США) Альбрехта-Бюлера, следует понять клеточным биологам - это отличие мира клетки от окружающего нас макроскопического мира. В какой-то степени его так же невозможно вообразить, как мир элементарных частиц. Начнем с того, что внутриклеточная среда не похожа на водные растворы реакционноспособных соединений, про которые и написаны все учебники биохимии. Иерархия сил в клетках совсем иная, чем в нашем мире. Для клетки большое значение имеет вязкое трение, броуновское движение, электростатические силы. При столь значительных различиях между массой и поверхностном натяжением капля воды приобрела бы форму идеального шара. У большинства же клеток, напротив, поверхность сильно деформирована, имеются выросты, ворсинки и т.п. Дело в том, что цитоплазма клетки не просто гелеобразна, но высоко структурирована. Она вся пронизана нитями цитоскелета, разделена мембранами. Взаимодействующие молекулы в клетке не плавают свободно, как в пробирке с водным раствором, а в основном иммобилизованы на полимерных структурах цитоскелета или мембранах. Из-за этого химия клетки весьма далека от излагаемой в университетских курсах. Почему же тогда элементарными единицами для объяснения биохимических процессов выбраны именно молекулы? Видимо потому, что описание биологических процессов, например, через элементарные частицы было бы слишком громоздким. При переходе к элементарным частицам мы упустим разницу между биологической (живой) и небиологической (неживой) системами. В своей работе Албрехт-Бюлер много внимания уделяет структурированности цитоплазмы. Упор в основном делается на линейные структуры: хромосомы, микротрубочки, микрофиламенты. Автор полагает, что вдоль таких структур могут передаваться сигналы за счет локальной ассоциации и диссоциации молекул вдоль структуры» [8].

Биохимия и молекулярная биология не могут объяснить, как «10 в тринадцатой степени» молекул объединяются в живую клетку и что их удерживает вместе. Альбрехт-Бюлер вслед за другими авторами считает, что это «что-то» - информация в клетке и вокруг неё. Такая информация может быть записана в виде структуры мембран, расположения элементов цитоскелета, распределения ионов. Клеточная биология должна анализировать всю записанную в виде текстов информацию.

Очевидно, что большое разнообразие информационных сил и связей в живой системе определяется различными природными свойствами биохимических элементов. Здесь, конечно, отсутствуют четко тестируемые сигналы, такие как, 1 и 0 в цифровых системах. Химические информационные сигналы определяются соответствующими элементами, выступающими в качестве единиц биологической информации. Например, каждая из 20 типовых аминокислот - кодирующих единиц белковых молекул, характеризуется своим индивидуальным набором структурных и природных свойств. Известно, что аминокислоты отличаются друг от друга только вариабельными боковыми цепями (R-группами), поэтому они и подразделяются в зависимости от структурной конфигурации боковых атомных групп, их химических свойств и особенностей.

По характеру заряженности боковых групп и их полярности, аминокислоты классифицируются: «на полярные или гидрофобные; полярные, но незаряженные; полярные с отрицательным зарядом; полярные с положительным зарядом. Внутри каждого класса имеется определённая градация по полярности, размерам и форме R-групп» [2]. Необходимо подчеркнуть, что широкий диапазон природных свойств и особенностей различных элементов является базовой основой для сигнальной формы представления молекулярной информации. Поэтому типовые аминокислоты белка (впрочем, как и любые другие элементы живой материи), как кодирующие единицы, обладают своими специфическими свойствами, служащими для физико-химического воплощения биологической информации. Каждая аминокислота несёт свой элементарный химический и структурно-рельефный (стерический) сигнал, переносчиком которого является боковая R-группа. Кроме того, каждый элемент может иметь также различное смысловое значение, которое зависит от его позиционной фиксации в молекулярной цепи. То есть для кодирования биологической информации в клетке используется позиционная система представления с фиксированными дискретными данными. Нам остается лишь определить и понять, какие физико-химические силы и связи лежат в основе информационных взаимодействий между биологическими молекулами. Такие естественные природные силы и связи уже давно исследованы и изучены. «Ковалентная связь - это химическая связь между атомами в биомолекуле.

Связывание осуществляется путем обобществления электронов, принадлежавших одному или нескольким атомам. Ковалентные связи относятся к очень сильным связям. Чтобы столь большая энергия не растрачивалась впустую, любой биохимический процесс организован так, что разрыв какой-либо ковалентной связи неизменно энергетически сопряжен с образованием другой ковалентной связи» [9]. Информация в живых клетках может существовать в двух молекулярных формах - одномерной химической (линейной) и пространственной, стереохимической. Значит, живая клетка пользуется двумя информационными уровнями организации биологических молекул - линейным и пространственным. На первом уровне, с помощью управляющих средств обеспечивается последовательное ковалентное соединение различных химических букв или символов в длинные молекулярные цепи. Таким путём производится запись информационных сообщений в первичную, одномерную («линейную») биологическую структуру. Однако, пространственная организация макромолекул и клеточных структур, так же как и реализация их функций, обычно осуществляются при помощи химических связей, значительно более слабых, чем ковалентные.

Это происходит потому, что боковые группы тех биологических элементов, которые в цепи связаны ковалентно, способны к слабым информационным взаимодействиям с другими боковыми группами, как в пределах одной макромолекулы, так и с боковыми группами близлежащих молекул. К таким взаимодействиям (их называют слабыми связями) относятся: водородные и ионные связи, ван-дер-ваальсовы силы, гидрофобные взаимодействия, которые в совокупности, благодаря их многочисленности и разнообразию, оказываются весьма сильными. Поэтому они определяют не только степень прочности сложных макромолекул, - белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и т. д., но и обуславливают их функциональные возможности. «Нековалентный тип связывания относится к взаимодействию между атомами, не связанными ковалентно друг с другом. Поскольку нековалентные взаимодействия происходят не в вакууме, а в растворе, при их оценке необходимо учитывать влияние растворителя. К нековалентному типу связывания относятся электростатические эффекты, ионные и водородные связи, вандерваальсовы силы и гидрофобный эффект. Электростатические эффекты составляют значительную часть вклада нековалентных взаимодействий.

Разноименные заряды притягиваются друг к другу; для них, таким образом, энергетически выгодно сближение. Ионная связь (солевой мостик) образуется при сильном сближении (0,3 нм.) двух атомов с разноименными зарядами. Водородные связи, когда атом водорода связывается с электроотрицательным атомом типа кислорода или азота, происходит смещение электронов, приводящее к появлению дробного положительного на атоме водорода и дробного отрицательного заряда на его партнере. При этом образуется электрический диполь, который может взаимодействовать с другими диполями.

Связь такого рода называется водородной. Вандерваальсовы силы заставляют атомы притягиваться друг к другу. Такие силы притяжения между атомами возникают, в частности, из-за наличия взаимодействий между флуктуирующими электрическими диполями, образуемыми электронным облаком и положительным ядром каждого атома. Гидрофобный эффект - это тенденция неполярных групп ассоциировать друг с другом, чтобы избежать контакта с водой. В результате такой ассоциации происходит нарушение структуры воды, вследствие чего энтропия системы возрастает»[9]. К примеру, в белковых (точно так же, как и в любых других молекулярных) цепях эти взаимодействия неслучайны. Они весьма специфичны и задаются последовательностью элементов (аминокислот) в молекулярной цепи, то есть генетической информацией. После того как аминокислоты соединяются в надлежащей последовательности, цепь автоматически закручивается, образуя петли и свертывается в присущую ей правильную структуру, которая, естественно, определяется генетической информацией. Иными словами, если бы можно было бы взять полипептидную цеп за концы, растянуть её и затем отпустить, то сколько раз мы это не повторяли, она всякий раз свертывалась бы в одну и ту же структуру, характерную для каждого вида полипептидной цепи [10].

Поэтому второй (трехмерный) информационный уровень организации макромолекул осуществляется в основном при помощи слабых нековалентных сил, связей и взаимодействий между боковыми атомными группами и атомами химических букв или символов. Через посредство этих сил и связей идёт воплощение линейной молекулярной информации в стереохимическую структуру и форму. В результате таких преобразований «одномерная» молекулярная информация цепей «сворачивается, пакуется и сжимается» в трёхмерную информацию биомолекул, которая в таком виде становится пригодной для транспортировки, передачи по различным каналам, а затем, и непосредственного использования в различных биологических процессах. Трансформация линейных генетических сообщений в трёхмерную форму различных биомолекул - это важный этап перехода биологической информации из одной её молекулярной формы в другую. Линейный и пространственный элементарный состав макромолекул определяется генами, а каждый биологический элемент в составе биологической молекулы тождественно может выполнять различные роли - как структурной, так и информационной единицы, как функционального, так и программного элемента. Поэтому все аппаратные средства живой клетки - белки, ферменты и другие клеточные компоненты обладают строго своей специфической структурной организацией, имеют своё информационное и функциональное назначение, а также своё индивидуальное энергетическое и программное обеспечение. Только благодаря удивительным многофункциональным свойствам биологических элементов, макромолекулы клетки становятся обладателями настолько многоликих и разносторонних качеств и свойств, что их можно изучать и рассматривать буквально с разных сторон и различных точек зрения, - с физико-химической, со структурной, с энергетической, с функциональной, с информационной, или с чисто биологической.

Матричный принцип информационных взаимодействий. Отметим, что в живой системе для организации информационных процессов наиболее широко используется комплементарный принцип взаимодействия биологических молекул друг с другом с помощью их линейных, локальных, рельефных или поверхностных биохимических кодовых матриц. Естественно возникает вопрос, почему живые молекулярные системы так широко применяют матричный способ рецепции и передачи информации? Во-первых, при взаимодействии биомолекул большая роль отводится ионным взаимодействиям как наиболее дальнодействующим (до 0,7нм) и включающимся в первую очередь. Затем между молекулами возникают более короткодействующие (на расстоянии до 0,2 нм) связи: водородные, гидрофобные, ван-дер-ваальсовы. Однако для того, чтобы эти силы могли возникнуть и действовать, необходимо, прежде всего стерическое, пространственное соответствие (комплементарность) взаимодействующих поверхностей. Иначе говоря, должна существовать возможность сближения этих поверхностей на короткое расстояние, при котором возможно образование перечисленных связей. Необходима также комплементарность по распределению зарядов противоположного знака (для возникновения электростатических сил), гидрофобных областей и групп, способных к образованию водородных связей.

Таким образом, в процессе информационных взаимодействий важнейшую роль играет явление «узнавания», наличие стерической и химической комплементарности [11].

Информационные взаимодействия, обусловленные кодовыми микроматрицами, состоящими порой из многочисленных боковых атомных групп элементов, достаточно сложны и более грандиозны чем, к примеру, процессы в цифровых системах. Они связаны с меняющейся динамикой взаимодействий и многовариантностью физико-химических сил и связей, определяющих характер молекулярной биологической информации. Здесь отсутствуют четко тестируемые сигналы определённого типа, как, например, 1 и 0 в цифровых устройствах. Каждый элементарный био-логический сигнал боковой группы имеет своё смысловое значение и характеризуется своим набором физико-химических свойств и своим позиционным расположением в биохимической матрице. От этих параметров, по всей видимости, и зависит функциональная направленность и кооперативность действия каждого индивидуального сигнала, то есть неоднозначность действия отдельного биологического элемента, входящего в состав макромолекулы.

Можно сказать, что к наиболее изученным информационным взаимодействиям в живой клетке относятся, именно, матричные процессы. Здесь хорошо просматриваются идеи программного биологического управления, когда случайные беспорядочные столкновения молекул сменяются четко организованными, генетически детерминированными процессами. Например, последовательность нуклеотидов в одной цепи ДНК автоматически определяет последовательность в другой, комплементарной цепи. В поддержании и закреплении третичной структуры глобулярных белков принимают участие различные типы комплементарных (информационных) сил, связей и взаимодействий между элементами или фрагментами полипептидной цепи: электростатические эффекты, ионные и водородные связи, вандерваальсовы силы и гидрофобные взаимодействия. Во время конформационных преобразований каждый сигнал R-группы полипептидной цепи кооперативно взаимодействует с другими сигнальными элементами, а также с молекулами воды, которая всегда принимает участие в формировании трёхмерной структуры белка. При этом стабилизация трёхмерной конформации белковой молекулы и правильное расположение структур определяется сочетанием различных типов комплементарных взаимодействий: «1) ионными связями между положительно и отрицательно заряженными боковыми группами аминокислот; 2) водородными связями между атомами, несущими частичные положительные и частично отрицательные заряды; 3) гидрофобными взаимодействиями, обусловленными стремлением неполярных боковых R-групп аминокислот объединиться друг с другом, а не смешиваться с окружающей их водной средой; 4) ковалентными связями между атомами серы двух молекул аминокислоты цистеина» [10].

Таким образом, трёхмерная конформация белка однозначно определяется информацией, которая записана в «линейной» аминокислотной последовательности его полипептидной цепи. Отсюда следует, что любые информационные взаимодействия между фрагментами молекулярной цепи в структуре биомолекулы или же между биомолекулами клетки могут базироваться только на химической и стерической комплементарности их биохимических матриц, то есть на дополнительности химических свойств, электрических зарядов и структурных рельефов друг другу. Если же теперь обобщить различные наблюдения и факты, то оказывается, что комплементарный матричный (информационный) принцип «подгонки» действует в совершенно различных, казалось бы, по своей биологической роли процессах: 1) при репликации, транскрипции и трансляции генетической информации; 2) при биосинтезе или расщеплении «неинформационных» биомолекул клетки, когда локальные стереохимические кодовые группы активного центра фермента взаимодействуют с молекулой (или молекулами) субстрата по матричному принципу; 3) при свертывании белковой (как, впрочем, и любой другой) молекулы, когда отдельные фрагменты полипептидной цепи «отыскивают» друг друга, комплементарно взаимодействуют и «застёгиваются» между собой с помощью линейных матричных взаимодействий боковых атомных R-групп по принципу застёжки-молнии; 4) при объединении между собой отдельных субъединиц олигомерного белка с помощью рельефных матричных взаимодействий в четвертичной структуре белка, когда комплементарная «подгонка» осуществляется при взаимодействии биохимических матриц, образованных многочисленными R-группами, координатно расположенными на поверхности субъединиц олигомерного белка; 5) рельефные поверхностные биохимические матрицы играют ведущую роль в процессах самосборки или разборки надмолекулярных комплексов и ансамблей, состоящих из различных белковых и других молекул.