ДНК съвсем не е всичко. Учените разкриха „тайния език“ на бързите химически сигнали, които управляват живота

Един и същ ген може да се превърне в десетки различни инструменти на живота.

Учените постепенно разкриват работата на молекулярната система от бързи сигнали, която помага на хората, животните, растенията и микроорганизмите да се адаптират към промените в заобикалящия ги свят. Въпреки че почти всички знаят за ДНК и гените, много по-малко се знае за това как тези инструкции се привеждат в действие. Всъщност това е сложен процес, който зависи от множество химични реакции, които позволяват на организма да реагира на студа, топлината, заплахата от инфекция и липсата на храна.

Екип от изследователи, ръководен от Тонг Джан от Тихоокеанската северозападна национална лаборатория към Министерството на енергетиката на САЩ, изучава тези процеси в рамките на проекта Predictive Phenomics Initiative. Целта е да се разбере как фактори, които не са пряко свързани с генетичния код, влияят върху свойствата и поведението на живите организми. Тези знания могат да бъдат полезни за медицината, биотехнологиите и промишлеността.

Учените обръщат специално внимание на т.нар. посттранслационни модификации на протеините (PTM). Протеините са работната сила на организма, те се създават въз основа на генетичния код. Но непосредствено след образуването им много от тях претърпяват химически „корекции“, които променят свойствата им. Благодарение на тези сигнали протеините могат да изпълняват различни функции, да работят по-дълго или по-кратко, да се включват или изключват в подходящия момент. Този механизъм осигурява на живите същества забележителна гъвкавост, която далеч надхвърля първоначалните инструкции на ДНК.

Според Джан хората имат около 20 000 гена и всеки от тях кодира различен протеин. Но като се имат предвид многото варианти на химически модификации, един и същ протеин може да съществува в милиони различни форми, изпълнявайки разнообразни задачи. Ето защо организмът е в състояние да се приспособява толкова бързо и фино към условията на околната среда.

Проблемът е, че тези процеси са изключително бързи и неуловими и е трудно да бъдат фиксирани. Жанг е разработил нови методи, които дават възможност тези промени да бъдат съхранени и измерени. Сред инструментите са автоматизирани лабораторни протоколи и методи за едновременен анализ на няколко вида модификации наведнъж. Ключова роля играе масспектрометрията – техника, която може да улови малките промени в масата на молекулата, които не могат да бъдат наблюдавани с други средства.

Учените вече са приложили на практика своите открития. Така например те са изследвали червената мая Rhodotorula toruloides, която се използва за производство на мастни молекули, използвани в козметиката, хранителната промишленост и за създаване на биопластмаси. Анализът показа, че когато азотът е ограничен, дрождите пренареждат начина на работа на протеините чрез окислително-редукционни модификации и фосфорилиране. Това откритие може да помогне за повишаване ефективността на промишлените процеси.

Друга област на изследване е свързана с човешката имунна система. Оказа се, че модификациите на протеините могат да играят ключова роля в борбата с вирусите: да им попречат да проникнат в клетката, да изключат механизма за копиране или, обратно, да активират защитните клетки. Но вирусите също така са се научили да използват тези процеси в своя полза, като увеличават собственото си разпространение. Джан подчертава, че това е нова и досега слабо проучена област, в която могат да се появят нови антивирусни лекарства.

По този начин, в пресечната точка на генетиката, химията и биоинженерството, се открива цял пласт от знания за това как работи живата клетка. И докато генетичният код остава в основата, бързите химични сигнали са тези, които определят колко ефективно един организъм може да се справи с предизвикателствата на външния свят.