Системний аналіз синтезу живих клітин

Виходячи з цих властивостей, матеріальну структуру можна вважати інформаційною системою тоді і лише тоді, якщо значення M л $ л Cл E є істиною.

У роботі [4] описано загальні складові процесу виробництва:

- матеріал (сировина або деталі);

- технологічна інформація у вигляді послідовності інструкцій або команд, які у сукупності є знаннями про те, як створити виріб з матеріалу;

- виконавці, які забезпечені потрібними інструментами та обладнанням для реалізації вказаних інструкцій чи команд.

Модель системи виробництва інформаційної та матеріальної продукції, яку запропоновано у роботі [4], представлено на рис. 1.

Рис. 1. Концептуальна модель системи виробництва інформаційної та матеріальної продукції

синтез жива клітина інформаційний

На рисунку прийнято такі позначення:

Im - інформаційний матеріал для виробництва інформаційної продукції;

Iq - запити матеріалу для виробництва інформаційної продукції;

Ip - інформаційна продукція;

Mm - матеріал для виробництва матеріальної продукції;

Mp - матеріальна продукція;

M_w - відходи виробництва матеріальної продукції;

It - технологічна інформація у вигляді програм;

Iti - технологічна інформація для управління процесом виробництва інформаційної продукції;

Itm - технологічна інформація для управління процесом виробництва матеріальної продукції.

Процеси виробництва інформаційної та матеріальної продукції суттєво відрізняються один від одного. Уся інформаційна продукція виробляється лише у оперативній пам'яті, куди нічого, крім інформації, потрапити не може. Дії, які виконуються у оперативній пам'яті для отримання Ip з Im, являють собою арифметичні та логічні операції або переміщення даних у пам'яті з місця на місце. Слід зауважити, що у живих клітинах спостерігаються такі ж принципи діяльності, як і у комп'ютерних системах. У виробництві матеріальної продукції діє закон збереження матерії, а саме кількість матерії у Mm буде дорівнювати сумі кількості матерії у Mp та у Mw. Технологічна інформація Itm потрібна для керування діями у перетворенні Mm у Mp. До цих дій відносяться: переміщення матеріалу, з'єднання та відокремлення його частин або елементів, фізичні та хімічні перетворення, що відбуваються згідно програмі дій Itm.

Таким чином, синтез живих клітин будемо аналізувати як виробництво інформаційної та матеріальної продукції, у процесі якого модифікується (або створюється) жива інформаційна система.

Аналіз процесу синтезу живих клітин

Фахівцям з генної інженерії вдалося експериментально визначити обсяг технологічної інформації, яка необхідна для існування живої клітини, здатної розмножуватись, про що у роботі [5] сказано: "Геномний підприємець Craig Venter створив синтетичну клітину, яка містить найменший геном з усіх відомих незалежних організмів. Функціонуючи з 473-ма генами, клітина є важливою віхою в 20-річних пошуках його команди, щоб звести життя до його найнеобхідніших і, як наслідок, створити життя з нуля". Цими фахівцями було синтезовано молекулу ДНК і введено її у клітину бактерії. Хоч молекула ДНК є одним із найважливіших елементів будь -якої живої клітини (носієм генетичної інформації), але вона не має органів для виконання дій. Носії лише зберігають інформацію, а перетворенням її у дії займаються інші механізми живих клітин. Задача цих механізмів полягає у виконанні інструкцій з ДНК, включаючи процедуру розмноження. Як визнає Craig Venter, пошук мінімальної молекули ДНК відбувався методом спроб та помилок. У мінімізованій молекулі ДНК залишилось 531 тисяча нуклеотидів із 473-ма генами, з яких 149 невідомої функціональності. Серед цих 149 генів було багато таких, які зустрічались у інших істотах, а також у людей. Синтез молекул ДНК здійснюється на твердому носії, оскільки ці молекули швидко розпадаються у воді. Зовнішній вигляд апаратури для такого синтезу представлено на рис. 2.

Рис. 2. Синтезатор олігонуклеотидів MerMade 12 призначений для синтезу олігонуклеотидів ДНК, РНК і LNA

Згідно з концептуальною моделлю (див. рис. 1) синтез молекул ДНК у цьому експерименті являє собою виробництво інформаційної продукції. При цьому джерелами для отримання Im були бази даних з результатами секвенування генів, а технологічна інформація It забезпечувала потрібну послідовність генів у молекулі ДНК. Відповідно до інформації Iti формувались запити Iq щодо того чи іншого гену. Інформаційну продукцію Ip за допомогою синтезатора заносили на носій у вигляді молекули ДНК, яку далі переносили у живу клітину бактерії. Усі спроби скоротити молекулу ДНК призводили до втрати функції розмноження. Дослідження функціональності ряду генів виявили, що вони є носіями технологічної інформації для синтезу елементів живих клітин. У цих генах послідовності з трьох нуклеотидів (триплети) є командами на приєднання однієї з 20 амінокислот до синтезованого елементу. Це відповідає виробництву матеріальної продукції (див. рис. 1), де матеріалом Mm є амінокислоти, продукцією Mp - синтезований елемент, а відповідний ген - технологічною інформацією Itm. Це свідчить про те, що принципи виробництва у живих клітинах і у промисловості одні й ті ж самі з точки зору використання технологічної інформації. Іншими словами, для забезпечення існування життя необхідна технологічна інформація, яка зосереджена у ДНК. Оскільки живих клітин без ДНК, здатних до самостійного розмноження, не існує, то це свідчить про неможливість побудови клітин без технологічної інформації.

Таким чином, описаний синтез живих клітин, складається з двох етапів. На першому етапі за допомогою спеціального обладнання синтезують молекулу ДНК, де розміщена послідовність команд, які потребують виконання. На другому етапі в якості виконавця цих команд використовують живу клітину, замінюючи в ній молекулу ДНК на синтезовану. Важливо, що ця клітина неодмінно повинна бути живою, бо лише жива клітина здатна сприймати і виконувати команди та розмножуватись. Тут не можна припустити, що у нескінченому часі можуть випадково утворитись будь-які з'єднання, включаючи живі клітини, бо процеси метаболізму та реплікації мають чіткі обмеження у часі і не можуть розтягуватись до нескінченості.

Важливість отриманих результатів синтезу бактеріальних клітин

Життя на Землі розпочалося з появи бактерій та існувало лише з них біля трьох мільярдів років. Сучасним багатоклітинним організмам бактерії необхідні для підтримки їх життєздатності. Наприклад, в організмі людини кількість бактерій перевищує кількість клітин самого організму. При цьому, переважна більшість з них не тільки корисна, але й життєво необхідна людському організму. У JCVI синтезували бактеріальну ДНК та довели можливість відкидання з ДНК зайвих компонентів. Відомо, що однією з проблем розвитку організмів є відкидання фрагментів ДНК, про що описано у роботі [6] на прикладі народження дітей з хвостом. Такі факти свідчать про наявність у ДНК заблокованих непотрібних частин, які іноді розблоковуються, що надає змогу їх виявлення. На основі експериментів, що виконані у JCVI, у роботі [7] зроблено такі висновки:

"Маючи лише основні гени, мінімальна клітина може виявити механізми та процеси, які є критичними для стійкості та стабільності життя. Тут ми розповідаємо про те, як сконструйована мінімальна клітина бореться з силами еволюції порівняно зі звичайною клітиною Mycoplasma mycoides, з якої вона була отримана синтетичним шляхом. Незважаючи на те, що відбір діяв на різні генетичні цілі, збільшення максимальної швидкості росту синтетичних клітин було порівнянним. Крім того, коли продуктивність оцінювалася відносною придатністю, мінімальна клітина розвивалася на 39% швидше за звичайну. Наші висновки демонструють, що природний відбір може швидко підвищити придатність одного з найпростіших автономно зростаючих організмів. Розуміння того, як види з малими геномами долають еволюційні виклики, дає критичне розуміння стійкості ендосимбіонтів, асоційованих з хазяїном, стабільності обтічного шасі для біотехнології та цілеспрямованого вдосконалення синтетично сконструйованих клітин."

Крім практично важливих результатів, відкриття мінімального геному призводить до розкриття великої наукової таємниці про виникнення життя у Всесвіті, яке полягає у наступному ланцюжку тверджень:

1. Життя існує завдяки розмноженню живих клітин. Без цього життя було б приреченим на загибель.

2. У кожній клітині, що здатна до розмноження, є молекула ДНК з інформацією у вигляді послідовності команд, які потрібно виконувати для забезпечення розмноження. Без цієї молекули клітина розмножуватись не може.

3. Експериментально доведено існування мінімальної довжини молекули ДНК (531 тисяча пар нуклеотидів). У разі меншої довжини молекули ДНК розмноження не відбувається. Це означає, що не існує простіших елементів життя, ніж мінімальна клітина, які здатні розмножуватись.

4. Щоб створити клітину, здатну розмножуватися, необхідно синтезувати молекулу ДНК. Оскільки цю молекулу можна синтезувати штучно, то не слід відкидати ймовірність її утворення шляхом випадкового з'єднання потрібних елементів.

5. Якщо припустити, що молекула ДНК випадково утворилась, то слід зауважити, що вона є лише місцем збереження інформації і не здатна виконувати команди, які у ній зберігаються. Для виконання команд треба мати виконавця, який на це здатний.

6. Виконавцем, що здатен сприймати і виконувати команди з ДНК, може бути лише жива клітина у стадії активної діяльності. У цій клітині повинен бути повний набір відповідних механізмів для реалізації команд, включно з функцією розмноження.

7. У разі відсутності такої клітини процес розмноження не відбудеться, а це означає, що життя не зможе бути утворено. Тобто, для того, щоб утворити життя потрібно мати живу істоту у стадії активної діяльності. Таким чином отримуємо нескінчений цикл.

8. З цього витікає, що життя, з його невід'ємною базовою інформацією, є вічною категорією на одному рівні з матерією та енергією.

9. Матерія і енергія постійно перебувають у русі, але цей рух може бути не пов'язаний з процесом передачі інформації. Інформація утворюється лише у інформаційних системах і лише вони можуть її передавати чи надавати іншим інформаційним системам.

Висновки

Синтез живих клітин, складається з двох етапів. На першому етапі синтезують молекулу ДНК, де розміщена послідовність команд, які потребують виконання. На другому етапі в якості виконавця цих команд використовують живу клітину, замінюючи в ній молекулу ДНК на синтезовану. Важливо, що ця клітина неодмінно повинна бути живою, бо лише жива клітина здатна сприймати і виконувати команди та розмножуватись.

Доведено можливість мінімізації ДНК бактеріальної клітини, і на прикладі Mycoplasma mycoides показано, що мінімальна клітина еволюціонувала на 39% швидше за звичайну.

Відкриття мінімального геному приводить до розкриття наукової таємниці про виникнення життя у Всесвіті. Ланцюжок тверджень, що містить концепцію мінімального геному, вказує на те, що життя з його технологічною інформацією є вічною субстанцією, як матерія та енергія..

Список використаних джерел

[1] Gibson, D.G., Glass J.I. & et al. (2010). Creation of a bacterial cell controlled by a chemically synthesized genome. Science (New York, N.Y.). 2010-07-02; 329.5987: 52-6. https://www.jcvi.org/publications/creation-bacterial-cell-controlled-chemically- synthesized-genome

[2] Hutchison, C.A., Chuang, R.Y. & et al. (2016). Design and synthesis of a minimal bacterial genome. Science (New York, N.Y.). 2016-03-25; 351.6280: aad6253. https://www.jcvi.org/publications/design-and-synthesis-minimal-bacterial-genome

[3] Вишняков, В. (2023). Моделювання інформаційних систем прояснює питання появи життя на землі. Grail of Science, (29), 212-218. https://doi.org/10.36074/grail-of- science.07.07.2023.033

[4] Вишняков, В. (2023). Принципи розвитку інформаційних систем. Grail of Science, (27), 347-353. https://doi.Org/10.36074/grail-of-science.12.05.2023.054

[5] Ewen Gallaway and Nature magazine (2016). Scientists Synthesize Bacteria with Smallest Genome Yet, Scientific American, March 25, 2016.

[6] https://www.scientificamerican.com/article/scientists-synthesize-bacteria-with-smallest- genome-yet

[7] Вишняков, В. (2023). Штучні інформаційні системи допомагають розкриттю таємниць життя. Grail of Science, (24), 351-363. https://doi.org/10.36074/grail-of-science.17.02.2023.064

[8] Moger-Reischer RZ, Glass JI & et al. (2023). Evolution of a minimal cell. Nature. 2023-07 05. https://www.jcvi.org/publications/evolution-minimal-cell

Размещено на Allbest.ru