Ученые построили «таблицу Менделеева» для систематизации элементов генетического кода

На фото: Каноническая таблица генетического кода

Российские исследователи создали таблицу генетического кода, взяв за основу периодическую систему химических элементов Дмитрия Менделеева. Разработка позволит конструировать новые типы биополимеров (высокомолекулярных веществ, входящих в состав живых организмов), например белков с заданными свойствами, которые будут востребованы в технике, фармакологии и других отраслях экономики. Работа выполнена специалистами подведомственного Минобрнауки России Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета (СПбГЭТУ) «ЛЭТИ».

Многие объекты в мире поддаются систематизации. Самый известный пример — периодическая таблица химических элементов, закономерности для которой установил русский ученый Дмитрий Менделеев. Подобные случаи систематизации крайне важны, например, таблица Менделеева помогает изучать происхождение химических элементов или прогнозировать поведение ранее неизвестных веществ, обладающих полезными свойствами для человека. 

Сейчас в систематизации элементов нуждается генетический код — зашифровка наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот (носителях генетической информации). В 1960-е годы была предложена общепринятая таблица элементов генетического кода, отражающая экспериментально установленные соответствия кодирующих триплетов (единиц ДНК, состоящих из трех нуклеотидов) и аминокислот. Однако бурное развитие исследований в области генетики с применением технологий расшифровки генов и последующей обработки больших баз данных позволило значительно уточнить представления о генетическом коде.

Стало понятно, что предыдущая систематизация устарела и не объясняет многие свойства генетического кода. Кроме того, принципы построения общепринятой таблицы сложились исторически, а также не имеют строгого математического обоснования. Поэтому необходимо искать природные принципы для систематизации генетического кода. 

«Мы разработали и теоретически обосновали расположение триплетов и кодируемых ими аминокислот в виде канонической таблицы генетического кода. Название «каноническая» таблица получила в связи с расположением в ней блоков триплетов в последовательности: цитозин (C), гуанин (G), урацил (U), аденин (A), которая называется канонической. Мы сопоставили каноническую таблицу генетического кода с периодической системой химических элементов и отметили их сходство: наличие начального элемента, последовательное заполнение вакансий связей в пределах блоков триплетов. Но есть и различия, например, число триплетов, в отличие от химических элементов, ограничено», — рассказывает ведущий научный сотрудник Инжинирингового центра микротехнологии и диагностики СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Владимир Карасев.

На фото: ведущий научный сотрудник Инжинирингового центра микротехнологии и диагностики СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Владимир Карасев

В прошлом для составления таблицы Дмитрий Менделеев использовал обнаруженную им фундаментальную природную закономерность связей между элементами — он сформулировал периодический закон: свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от веса атомов. Поэтому для построения теоретически обоснованной таблицы генетического кода ученым СПбГЭТУ «ЛЭТИ» требовалось найти аналогичный природный фундаментальный принцип для систематизации.

В ходе поиска закономерностей химики обратили внимание, что неразветвленная цепь любого белка, которая закодирована в триплетах, может быть представлена в виде цепного графа — особой математической модели, позволяющей отразить структуру белкового фрагмента. Причем по ряду критериев был определен состоящий из пяти аминокислот минимальный фрагмент белка, пригодный для систематизации. Ученые назвали его пентафрагментом. Математически его структурная форма могла быть точно представлена в виде цепного графа. 

Затем, работая с графами, специалисты с помощью математического анализа выяснили, что общее число структурных форм графа ограничено — всего 64. Кроме того, все модели по ключевым параметрам можно разделить на четыре блока по 16 вариантов. При этом каждый цепной граф соответствует структурной форме пентафрагмента белка. Используя эти соответствия, на основе системы из 64 цепных графов была построена система из 64 триплетов. Затем ученые добавили каждому триплету связанные с ними аминокислоты — так получилась каноническая таблица генетического кода, состоящая из 64 ячеек. 

«Полученная таблица позволила наглядно представить в генетическом коде элементы симметрии и антисимметрии и их преобразования друг в друга, а также циклическую периодичность триплетов внутри строк столбцов и блоков таблицы в целом. Наша разработка может служить основой при построении алгоритмов прогнозирования пространственных структур белков с известной последовательностью аминокислот, а также для конструирования новых белков с заранее заданными полезными свойствами. Например, это могут быть новые ферменты, лекарственные средства, средства защиты растений от сорняков (гербициды) и вредных насекомых (инсектициды) и даже технические электронные устройства молекулярного размера», — рассказывает Владимир Карасев. 

Исследование выполнялось при финансовой поддержке Минобрнауки России, его результаты опубликованы в одном из международных изданий.