Жизнь — это геометрия — Блог о здравоохранении

Ким БЕЛЛАРД

В 2025 году мы разберемся с ДНК, верно? Прошло более пятидесяти лет с тех пор, как Крик и Уотсон (и Франклин) открыли структуру двойной спирали. Мы знаем, что перестановки всего четырех химических оснований (A, C, T и G) обеспечивают огромную генетическую сложность и разнообразие в мире. Мы реализовали проект «Геном Хумама». Мы можем редактировать ДНК с помощью CRISPR. Черт возьми, мы даже работаем над синтетическая ДНК. Мы заняты поиском других применений ДНК, например вычисления, хранилищеили роботы. Да, мы на вершине ДНК.

Не так быстро. Исследователи из Северо-Западного университета говорят, что нам чего-то не хватает: встроенного в геном геометрического кода, который помогает клеткам хранить и обрабатывать информацию. Не только комбинации химических оснований заставляют ДНК работать; существует также «геометрический язык», которого мы не слышали.

Подожди, что?

Исследование – Геометрически закодированное расположение интронов, межгенных сегментов и экзонов в геноме человека – возглавил профессор Вадим Бакман, профессор биомедицинской инженерии и медицины семьи Сакс в инженерной школе Маккормика Северо-Западного университета и директор ее Центр физической геномики и инженерии. Новое исследование показывает, что он говоритчто: «Вместо заранее определенного сценария, основанного на фиксированных наборах генетических инструкций, мы, люди, являемся живыми, дышащими вычислительными системами, которые развивались по сложности и мощности в течение миллионов лет».

Северо-Западный пресс-релиз уточняет:

Геометрический код — это схема того, как ДНК формирует наноразмерные упаковочные домены, которые создают физические «узлы памяти» — функциональные единицы, которые хранят и стабилизируют состояния транскрипции. По сути, это позволяет геному работать как живая вычислительная система, адаптируя использование генов на основе клеточной истории. Эти узлы памяти не случайны; Геометрия, по-видимому, выбиралась на протяжении миллионов лет для оптимизации доступа к ферментам, встраивая биологические вычисления непосредственно в физическую структуру.

Почему-то я не думаю, что Крик и Ватсон предвидели это, а тем более Евклид или Джон фон Нейман.

Соавтор Каждый ШлейферКристина Энрот-Кугель, профессор биомедицинской инженерии Инженерной школы Маккормика, добавляет: “Мы учимся читать и писать на языке клеточной памяти. Эти “узлы памяти” представляют собой живые физические объекты, напоминающие микропроцессоры. У них есть точные правила, основанные на их физических, химических и биологических свойствах, которые кодируют поведение клеток”.

«Живые, дышащие вычислительные системы»? «Микропроцессоры»? Это ДНК-вычисления на новом уровне.

Исследование предполагает, что эволюция произошла не только благодаря поиску новых комбинаций ДНК, но и благодаря новым способам ее сворачивания, используя эти физические структуры для хранения генетической информации. Действительно, одна из гипотез исследователей состоит в том, что развитие геометрического кода помогло привести к взрывному росту типов телосложения, наблюдаемому в Кембрийский взрывкогда жизнь прошла путь от простых одно- и многоклеточных организмов до огромного множества форм жизни.

Соавтор Кайл МакКуорридоцент кафедры педиатрии Медицинская школа Файнбергаотмечает, что нам не следует удивляться, что на реализацию геометрического кода ушло так много времени: “Мы потратили 70 лет на то, чтобы научиться читать генетический код. Понимание этого нового геометрического кода стало возможным только благодаря недавним достижениям в области уникальных в глобальном масштабе изображений, моделирования и вычислительной науки, разработанных прямо здесь, в Northwestern”. (Хорошая дополнительная вставка для «Северо-Западного», доктор МакКуорри.)

Соавтор Луай Алмассалья, также из Медицинской школы Фейнберга, отмечает: “Хотя генетический код во многом похож на слова в словаре, недавно открытый “геометрический код” превращает слова в живой язык, на котором говорят все наши клетки. Сочетание слов (генетического кода) и языка (геометрического кода) может дать возможность, наконец, читать и писать в клеточной памяти”.

Мне нравится различие между словами и реальным языком. Мы пользовались словарем и не осознавали, что нам нужен разговорник.

Недавно я прочитал и был впечатлен чем-то под названием Метаграфинструмент, разработанный в ETH Zurich для поиска в базах данных ДНК. «Это своего рода Google для ДНК», — говорит профессор Гуннар Ретч, специалист по данным факультета компьютерных наук ETH Zurich, ставит это. Эта «поисковая система ДНК» значительно упрощает, ускоряет и удешевляет поиск последовательностей ДНК и сравнение их с другими последовательностями. Как бы круто это ни было, существование геометрического кода означает, что ребятам из ETH Zurich, возможно, придется проделать некоторую дополнительную работу, как и многим другим людям, работающим с ДНК.

Ненавижу говорить, что это совершенно новая игра с мячом, но, безусловно, есть несколько важных новых правил.

Наличие этого геометрического кода имеет последствия для нашего здоровья. Проблемы не всегда могут быть вызваны мутациями ДНК; наши структуры ДНК иногда могут разваливаться. Доктор Альмассалья говорит: “Вместо головоломки из генетических слов геометрический код позволяет клеткам строить сложные ткани, такие как мозг или кожа. Но с возрастом этот язык теряет свою точность. Этот распад приводит к нейродегенерации, раку или другим болезням старения”.

Это открывает множество новых возможностей для исследований и, возможно, методов лечения. «Следующий шаг — полностью изучить инженерные принципы геометрического кода, чтобы мы могли восстановить нарушенную регуляцию клеточной памяти или создать совершенно новую», — говорит профессор Бэкман. “Современные подходы к старению пытаются вернуть клетки обратно в заводское состояние. Геометрический код работает по-другому. Клеточная память — это физические структуры, улучшенные опытом. Оживление клеток напоминает восстановление ясности любимой книги — возвращение историй, которые наши клетки уже умеют рассказывать”.

Это не CRISPR. Это не мРНК. Это новый взгляд на клетки и наш геном. Это совершенно новый шаг в вычислительной биологии, и он может стать основополагающим в 22^nd медицина века.

————-

Если вы любитель физики или космологии, возможно, вы слышали выражение «Вселенная — это геометрия». Например, общая теория относительности Эйнштейна указывает, что гравитация — это не сила, а, скорее, результат искажений пространства-времени. Точно так же, является ли Вселенная плоской (евклидовой), положительно искривленной (сферической) или отрицательно искривленной (гиперболической), имеет глубокие последствия для судьбы Вселенной. Фактически, некоторые учёные полагают что геометрия может объяснить все, от мельчайших частиц до самой Вселенной.

Поэтому мне приятно думать, что сама жизнь также во многом обязана геометрии.

Ким — бывший руководитель отдела электронного маркетинга в крупном проекте Blues, редактор покойного и оплакиваемого Настойка.ioи теперь постоянный участник THCB