Главная страница Список все работ и книг

П.П.Гаряев, М.Р.Гарбер, Е.А.Леонова, Г.Г.Тертышный.

К ВОПРОСУ О ЦЕНТРАЛЬНОЙ ДОГМЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ

ПРИОНЫ

Прионы – класс видоспецифичных паразитических белков нескольких линий (штаммов), вызывающих нейродистрофии у животных и людей [18]. Cтэнли Прузинер, получивший за исследования в этой области Нобелевскую премию 1997г., назвал эти белки в начале 80-х прионами (protein infectious virion). Прионы вызывают заболевания типа “скрэйпи” (у овец) и так называемого “коровьего бешенства” или губчатого энцефалита. У людей – это болезни “куру”, “синдром Крейцфельда-Якоба”, “синдром Гертсмана-Штраусслера-Шейнкера”, “синдром Альперса”, “фатальная семейная инсомния”. В этой области достигнуты большие успехи. И все-таки, ключевые тонкие механизмы развития патологических состояний такого рода остаются неизвестными [23]. Мыши с нокаутом гена prn-p устойчивы к инфекции PrPsc, что демонстрирует необходимость наличия PrPc для развития губчатой энцефалопатии [8]. Были изолировали РНК-аптамеры (РА), которые могли точно распознавать рекомбинантный прионовый белок хомяка, присоединенный к глутатион S-трансферазе. При этом РА были чувствительны к определенным аминокислотным последовательностям. Характерным для РА является наличие гуанин-обогащенного изгиба РНК с образованием локальных 4-х спиральных участков РНК с повторяющимися гуаниновыми квартетами, которые названы Г-квадриплексами или Г-тетрадами. Существенно, что они характерны и для хромосомных теломер. Такая 4-х спиральность проявляется как неканоническое спаривание оснований, отличное от Уотсон-Криковского и существующее благодаря стабилизации такого комплекса аминокислотами белков [23]. В цитируемой работе Вейса и др. были поставлены вопросы, имеющие некоторое отношение к предлагаемой идее работы генома на иных принципах (см. ниже). Эти вопросы таковы: (i) как РА распознают прионовые белки?, (ii) как РА связываются с прионовыми белками? (iii) достаточна ли точность распознавания РА-ми прионовых белков в гомогенатах мозга инфицированных и неифицированных животных?

Прионовые белки (PrPsc) имеют штаммовую специфичность, и в этом они подобны бактериям и вирусам. Фенотип и функции последних определяются их геномами. Но прионы, если их выделить из пораженных тканей в чистом виде, не имеют в своем составе нуклеиновых кислот. Попадая в желудок (или другие ткани), прионы мигрируют каким-то необъяснимым образом в головной мозг, размножаются там, вызывая его морфо-функциональную деградацию. Непонятно как преодолевается дистанция Желудок Мозг, перекрытая гематоэнцефалическим барьером. Это остается загадкой, хотя есть предположения, что лимфа служит промежуточным этапом транспорта PrPsc в головной мозг. Предполагается, что этот белок может через нервные окончания ретроградно проникать по аксонам в спинной и головной мозг. Последний механизм, хотя не объяснен и не доказан, имеет определенное обоснование в новой теории нервного импульса [25] (см. ниже). В организме людей, животных, и даже дрожжей синтезируются нормальные не инфекционные прионоподобные белки (PrPc), аналогичные по своей аминокислотной последовательности белкам прионов. Имеются и соответствующие гены, ответственные за синтез PrPc. Кроме отсутствия функции патогенности, PrPc отличаются от PrPsc по вторичной структуре. При их взаимодействии в мозгу или in vitro PrPc переходит в PrPsc с уменьшением доли -спиралей и увеличением области пептида, занятой -складчатой структурой. Все последующие порции синтезируемых в мозгу PrPc также приобретают - структуру и, соответственно, функцию PrPsc. Роль "нормального" PrPc в биосистемах остается пока неизвестной, хотя есть предположения, что она заключается в обеспечении нормального функционирования клеток Пуркинье [19].

Что касается дрожжевых прионов (Psi+ и Sup35) у Saccharamyces cerevisiae, то они поставили в тупик генетиков, поскольку оказалось, что они передают генетические наследуемые признаки без участия ДНК или РНК [University of Chicago Medical Center press release, 1997].

Самое непонятное, и с нашей точки зрения ключевое, в понимании сущности прионов - факт вирусоподобной штаммовой специфичности в патогенезе, вызываемом разными типами PrPsc (их известно более 20), при видимом отсутствии у них ДНК или РНК, то есть генетического аппарата. Гены различных PrPc незначительно отличаются по нуклеотидным последовательностям. Мутации этих генов могут вызывать конверсию PrPcPrPsc с последующим накоплением PrPsc и заболеванием. Известны случаи спонтанного образования прионовых штаммов у пожилых людей и старых животных. И это также непонятно. Размножение прионов длительно. Для мышей, в зависимости от штамма, продолжительность инкубационного периода от 50 до 500 дней. У людей это годы. Развитие прионов сопровождается макроскопическим, несовместимым с жизнью, накоплением в мозгу полимерных нитей PrPsc, которые способны к окрашиванию Конго красным и двойному лучепреломлению. Последнее означает, что прионовые бляшки вызывают расхождение лучей право- и лево поляризованного света. Этот, казалось бы незначительный факт, и вроде бы не имеющий отношения к прионовым синдромам, представляется не случайным по отношению к патогенным свойствам прионов (см. ниже).

ТЕЛОМЕРЫ И ТЕЛОМЕРАЗА

В последнее время резко усилился интерес к теломерам и теломеразе в аспекте проблемы старения (см., например, Биохимия, т.62, выпуск 11, ноябрь 1997г.; том целиком посвящен проблеме теломер и теломеразе). Последующее цитирование по теломерам взято из этого источника.

В 1961г. Л.Хейфлик и П.Мурхед показали ограниченность репликативной способности нормальных фибробластов человека. Когда нормальные эмбриональные клетки человека растут в наиболее благоприятных условиях, старение и смерть их неизбежно наступает после ~50 удвоений популяции. Это проявление внутренних свойств самих клеток. Наблюдение было воспроизведено другими многочисленными исследованиями. В то же время раковые клетки, пассируемые в аналогичных "идеальных" условиях бессмертны. В чем причина смертности одних клеток и бессмертия других? В 1971г. А.М.Оловников предположил, что причина старения и смерти на клеточном уровне заключается в недорепликации ДНК-полимеразой (теломеразой) концов хромосом (теломер) при клеточных делениях [31]. Это связано с использованием затравочных РНК-праймеров при синтезе ДНК от 5'-конца к 3'-концу и их последующим удалением. При этом 5'-конец реплики остается недореплицированным. С каждым актом репликации хромосом их концы укорачиваются на размер, занимаемый теломеразой. Этот размер иногда - своеобразная "мертвая зона", в которой не происходит удвоение однотяжных ДНК при делениях клеток. И это происходит до тех пор, пока не начинаются утраты жизненно важных кодирующих последовательностей ДНК, граничащих с теломерами. Такие утраты некоторые исследователи считают синонимом старения. Число укорочений теломер служит репликометром, определяющим количество делений, которые должна совершить нормальная клетка. После достижения минимального критического числа повторяющихся теломерных последовательностей TTAGGG, клетки теряют способность к делению. Так считалось до недавнего времени.

Оказалось, однако, что ситуация значительно сложнее. Существуют механизмы противостояния эффекту "мертвых зон". Один из них обнаружили Грейдер и Блэкберн на Tetrahymena. Именно эти исследователи открыли терминальную трансферазу - рибонуклеопротеиновый фермент, который получил название "теломераза". Оказалось, что теломеры после каждого деления клеток синтезируются теломеразой заново. Фермент достраивает 3' - конец теломер и, таким способом, удлиняет теломеры, компенсируя эффект "мертвой зоны", иногда с лихвой. Теломераза оказалась необычной обратной транскриптазой, то есть РНК зависимой ДНК полимеразой со своей собственной матрицей РНК для синтеза коротких повторяющихся последовательностей концевых ДНК хромосом. Наиболее хорошо изучена матричная область РНК Tetrahymena thermophila. Эта область содержит 9 нуклеотидных остатков в позиции от 43 до 51 (5'-CAACCCCAA-3'). Из них только 7 нуклеотидных остатков (43-49) являются собственно матричными, они составляют активную часть теломеразы и определяют каталитические функции фермента. Теломераза была затем обнаружена в экстрактах иммортализованных клеток человека. В отличие от нормальных смертных клеточных штаммов линии аномальных бессмертных клеток не стареют и продуцируют теломеразу. Поэтому теломеры иммортализованных клеток не укорачиваются при последовательных пассажах in vitro. Особенно эффективно такая защита от укорочений ДНК представлена у раковых клеток. В норме также обнаруживаются аналогичные процессы, например, в тканях плода и семенниках.

Есть еще одна особенность в механизмах сохранения теломер, которая, как и в случае синтеза прионов в головном мозгу в варианте болезни куру, непонятна и является предметом анализа настоящей статьи. Как уже ясно, иммортализация клеток человека в культуре обычно связана с экспрессией теломеразной активности. Однако, в некоторых случаях теломеразная активность не выявляется, хотя сравнение паттернов терминального рестрикционного фрагмента (TRF) до и после иммортализации показывает, что удлинение теломер действительно произошло. Крайняя гетерогенность длин теломер и различия динамики поддержания теломер в теломеразонегативных линиях в сравнении с теломеразопозитивными линиями показывают, что эти клетки использовали один или более альтернативных (ALT) механизмов удлинения теломер (ALT - Alternative Mechanism for Lengthening of Telomeres). Существенно, что все исследованные к настоящему времени линии клеток с ALT имеют сходный паттерн TRF. Это говорит, возможно, за общий механизм ALT. Все теломеразонегативные иммортализованные линии клеток, исследованные до настоящего времени, имели признаки ALT-активности, что согласуется с гипотезой, что поддержание теломер при помощи теломеразы или ALT необходимо для иммортализации. Природа механизма (или механизмов) ALT в настоящее время неизвестна, хотя есть предположение, не основанное на эксперименте, что здесь может работать механизм рекомбинационного удлинения теломер.

Таким образом, приходится констатировать, что в рамках ALT-пути имеет место необычный феномен синтеза ДНК "в отсутствие" кодирующей вещественной комплементарной матрицы ДНК или РНК. Это дополняет список сходных "аномалий", начатых с непонятных способа проникновения прионов в мозг и отчетливого вирусоподобного поведения прионовых белков при видимом отсутствии у них ДНК или РНК, то есть, в последнем случае, без геноструктур сохраняется информация о генетических штаммовых признаках прионов. Суда же попадает "аномалия" с дрожжевыми прионами, некоторые генетические признаки которых передаются опять-таки без матриц ДНК или РНК.

QB-РЕПЛИКАЗА

И, наконец, третий феномен, входящий в рассматриваемое семейство "безматричных аномалий" при синтезе полинуклеотидов. Это функционирование Qb-репликазы, РНК зависимой РНК-полимеразы колифага Qb. В системе in vitro Qb-репликаза может работать как машина саморепликации молекул РНК. Это показано достаточно давно [16, 20]. Замечательным оказалось свойство этого фермента синтезировать определенные последовательности коротких РНК без матрицы РНК [21]. Недавно аналогичный "безматричный" синтез РНК показан и для РНК полимеразы бактериофага T7 [5]. Такой же результат получен для синтеза РНК de novo посредством ДНК-зависимой РНК-полимеразы фагов Т7, Т3 и SP6 [Интернет]. В этих экспериментах снова нарушается центральная догма молекулярной биологии и генетики, постулирующая казалось бы незыблемое: ДНКРНКБЕЛОК. Это каноническое утверждение, что матрицами для синтеза ДНК или РНК могут служить только вещественные молекулы РНК или ДНК. Но в одном пункте эта догма уже модифицирована. Поток стратегической информации, как уже хорошо известно после открытия обратной транскриптазы, выглядит по другому: ДНКРНКБЕЛОК. Если учитывать "аномалии" при размножении прионов, то вполне возможна и еще одна поправка: ДНКРНКБЕЛОК, что будет обсуждаться ниже.

Поскольку "безматричный" синтез РНК приводит к необходимости дальнейших изменений в понимании работы генетического аппарата (по крайней мере, для низших биосистем) в научной литературе началась и продолжается обширная дискуссия о корректности "безматричных" экспериментов. Предельно высокая чистота опытов с Qb репликазой в отношении артефактов, связанных с наличием в реактивах и лабораторной посуде посторонних следовых примесей РНК, была достигнута уже в работе [21]. Было показано, что при понижении концентрации нуклеозид-трифосфатов ниже 0,15mM прекращается синтез РНК (в отсутствие матрицы), хотя матрично-зависимый синтез РНК шел нормально. Кинетика синтеза в "безматричных" условиях имеет очень длинный лаг-период, в отличие от короткого при наличии матрицы. Однако, сомнения оставались. И только после серии блестящих исследований Биебричера, Эйгена и Льюс 1981-1987 годов [например, 4] "безматричный" синтез РНК был окончательно доказан.

И тем не менее, в некоторых исследованиях, где не смогли добиться требуемой чистоты экспериментов, пытаются выдать методические недостатки постановки исследований за их достоинства. К примеру, группа А.В.Четверина, найдя в продуктах "безматричного" синтеза РНК фрагменты, гомологичные 23S РНК E.coli и B.subtilis, а также гомологи фрагментам РНК из фага Qb, утверждает, что все эксперименты в этой области объясняются исключительно присутствием в реакционных смесях контаминирующих экзогенных РНК из воздуха лабораторий, как это имело место в их постановке. В качестве решающего аргумента демонстрируются чашки Петри с агарозой, содержащей Qb репликазную систему. Чашки выдерживают в открытом виде от 0 мин. и 10 мин. до 1 часа. Продукты реакции окрашивают бромистым этидием на РНК. После этого фиксируют нарастающее количество РНК, свидетельствующее о посеве загрязняющих посторонних РНК из лабораторного воздуха и их автокаталитическом размножении [17, 9]. То, что из грязного воздуха в лабораторную посуду может попасть все, что угодно, включая РНК, не удивительно. Но это никак не относится к исследованиям, которые проводятся на высоком методическом уровне. Удивительно другое. Биебричер и соавторы, получившие в течение 10 лет безукоризненные ключевые результаты по "безматричному" синтезу РНК в очищенных системах in vitro, не считают этот феномен нарушением центральной догмы молекулярной биологии и генетики. Они полагают, что в процессе энзиматической Qb-полимеризации рибонуклеозид-трифосфатов in vitro возникают некие наборы пробных РНК (низкомолекулярная фракция 6S РНК), некоторые из которых, являясь сами для себя матрицами, автокаталитически самореплицируются и при этом мутируют. Мутационные варианты подвергаются естественному отбору в духе теории Дарвина и после нескольких раундов размножения микроэволюция синтезируемых РНК прекращается на РНК-победителях. Вероятно, для Биербричера и многих других отказаться от центральной догмы означает полную смену, или существенное дополнение представлений о стратегии работы хромосом. Оснований для этого они пока не находят. Но и объяснить ими же полученные результаты они тоже не в состоянии. И прежде всего, сам факт синтеза РНК без ДНК. Они признают, что не понимают биологическую роль стабильно синтезируемой в таких системах фракции 6S РНК.

При биосинтезе in vivo, в процессе размножения фага Qb в E.coli, 6S РНК также образуется, она, как и in vitro, гетерогенна по последовательностям нуклеотидов и вариабельна по их числу: от 100 до 200. При каждом "безматричном" и нормальном синтезе образуются разные наборы РНК. И только некоторые из них реплицируются по (-) цепям. Следовательно, с самого начала есть отбор матриц на размножение, и следовательно, они не случайны по "текстам" (семантике). Биологическая роль 6S РНК не известна потому, что они не кодируют белки и не вовлечены в инфекционный процесс. Это ограничение в понимании функций нуклеиновых кислот продиктовано существующей жесткой парадигмой, что генетические структуры работают исключительно на вещественном уровне, что оспаривается современными данными. Существенная деталь - очень долгий лаг-период при синтезе 6S РНК, доходящий до 16 часов в случае ДНК-зависимой РНК- полимеразы у фагов Т7, Т3 и SP6 [Интернет]. Этому также объяснений нет. И еще один нетривиальный факт. Qb-репликаза состоит из 5 различных белковых субъединиц, названных I-IV или субъединицы ,,,. Пятая названа хозяйским фактором (host factor HF). Субъединица I идентифицирована как рибосомальный белок S1, а субъединицы III и IV являются факторами трансляции и элонгации EF-Tu и EF-Ts. Субъединицы I, III и IV работают при рибосомальном синтезе белков, но в данном случае используются фагом Qb для синтеза РНК. Существует мнение, что 6S РНК, размножаясь в бактериях как "молекулярный паразит", является "эгоистической РНК" [13]. Иными словами, 6S РНК можно считать аналогом "эгоистической ДНК" эукариот, роль которой также не совсем понятна. Версия функций "эгоистической ДНК" предложена, и она трактуется как один из способов вещественно-волновой кодировки пространственно-временной структуры организмов с биологическим использованием принципов голографии, солитоники, лингвистики, резонансно-волновых взаимодействий и лазерных процессов [26, 27]. Не исключено, что эти же механизмы в упрощенном варианте приложимы и к функциям 6S РНК бактерий. Кроме того, возможно, 6S РНК работает как своеобразная "антенная система", воспринимающая внешние физические поля как регуляторный генетико-волновой фактор (см. ниже).

ГИПОТЕЗА ВИРТУАЛЬНЫХ И ВОЛНОВЫХ ГЕНОВ

Таким образом, всем трем обсуждаемым явлениям - прионам, теломерам и Qb-репликазе - присуща общая стратегическая черта. Это их необычная способность реплицировать белки, ДНК и РНК, вроде бы, безматричным (безматериальным), и пока необъяснимым, путем. Для прионов - это непонятный путь проникновения из желудка в мозг и необъяснимая штаммоспецифичность без генома, для теломер - непонятный ALT механизм синтеза концевых хромосомных ДНК, а для Qb-репликазы - непонятный "безматричный" синтез РНК.

В качестве одного из объяснений мы выдвигаем гипотезу, что прионоподобные паразитические белки обладают виртуальным геномом, взятым “взаймы” у клетки-хозяина на момент размножения этих белков. Это размножение проходит не только и не столько за счет перехода PrPcPrPsc. Виртуальный геном может работать двумя путями (см. Рис.1 и 2).

Кето-группы белковых аминокислот PrPsc могут реагировать с ОН-группами остатков рибозы акцепторных концов соответствующих транспортных РНК (тРНК). Это каталитический процесс. В ходе соответствующих ферментативных реакций возникающий поли-тРНК-континуум попарно пространственно сближает антикодоны, образуя ковалентно дискретное “подобие информационной РНК” (пиРНК). Это этап почти обратный синтезу белка на рибосоме. И возможно, он проходит на А- , Р-сайтах рибосомы. Затем идет обратнотранскриптазный синтез ДНК на пиРНК. Для этого необходима соответствующая обратная транскриптаза, способная работать с ковалентно-дискретной матрицей пиРНК.

Возможен и другой путь (Рис.2), когда рестриктазами “срезается” антикодоновый политриплетный континуум тРНК с последующим энзиматическим “сшиванием” (лигированием) триплетов. Это также дает РНК-матрицу для синтеза ДНК. Таким образом создается клон молекул ДНК, которые могут реплицироваться (размножаться) или транскрибироваться в нормальные информационные РНК (иРНК), ответственные за синтез PrPsc.

В связи с этой гипотезой возникает вопрос о взаимоузнаваниях тРНК и белковых аминокислот, аналогичный вопросу, поставленному Вейсом и др. [23] о способности РНК аптамеров (РА) распознавать прионовые белки (см. выше). Ответа на него пока нет, но в контексте нашей версии прионового генома важнее другое - РА принципиально способны узнавать определенные аминокислотные последовательности и это косвенно подтверждает идею о способности тРНК узнавать белковые аминокислоты. А это необходимо для выстраивания линейного тРНК-континуума и всех последующих актов создания временного виртуального генома прионов.

В представленных вариантах геном, точнее часть белоксинтезирующего аппарата клетки-хозяина, “заимообразно” передается белкам PrPsc на время синтеза ДНК-РНК-матриц. По причине такого временного сосуществования PrPsc-РНК-ДНК комплексов, нуклеиновые кислоты не обнаруживаются в составе PrPsc в процессе препаративного выделении их в “чистом” виде. Заимообразность такого рода архаична, однако, при патологических состояниях биосистемы позволяет обойти энергетически и организационно тяжелый путь постоянного обращения к хромосомам для синтеза паразитических белков. Виртуальный геном PrPsc и аналогичных белков-паразитов придает им свойства вирусоподобности, штаммоспецифичности, которые зависят от особенностей полимеразных систем клетки-хозяина. Наверное, такой или такие механизмы размножения белков были эволюционными предшественниками вирусных инфекций и предвестниками воспроизведения первичных организмов. Этот палеобиохимический процесс клонирования белков, видимо, сохранен и может работать при многих патологиях (иммунодефицит, ревматизм и др.). Видимо, возможен и более сложный вариант считывание информации с ассоциатов белков, который предствален на Рис.3.

Если наша гипотеза подтвердится, необходимы будут дальнейшие поправки к догме молекулярной биологии об однонаправленности стратегического потока информации в биосистемах: ДНКРНКБЕЛОК. Первую поправку внесло открытие обратной транскриптазы. И схема стала иной: ДНКРНКБЕЛОК. Вероятно, следующим этапом будет следующая модификаци: ДНКРНКБЕЛОК. Нам представляется, что в случае паразитических белков-прионов рибосома, по сути, работает как белок-зависимая иРНК-полимераза. На Рис.4. дана обобщенная схема, модифицирующая центральную догму молекулярной биологии и генетики с учетом высказанных соображений.

Относительно проникновения PrPsc в мозг из желудка, минуя гемато-энцефалический барьер, можно полагать, что биосистемами используются вещественно-волновые механизмы памяти генома и дистантной солитонной и иной волновой трансляции геноинформации, которые предложены ранее [26, 27]. Косвенно в пользу вещественно-волновой памяти ДНК могут свидетельствовать данные о "безДНКовом" синтезе прионовых белков у дрожжей. Возможен также нейронно-волновой путь передачи информации о первичной структуре иРНК прионов высших биосистем через внутреннюю колебательную структуру солитонных пакетов нервных импульсов, идущих по волокнам от желудка в мозг. Этот способ свертки информации о РНК в спектр резонансов Ферми-Паста-Улама, промодулированных РНК-текстом, и перенос его спектра в структуру спайка потенциала действия в нервном проводнике недавно предложен [25].

К вещественно-волновым механизмам синтеза ДНК можно отнести и феномен ALT-удлинения теломер, и синтез de novo 6S РНК в Qb-репликазной "безматричной" системе.

Что из себя представляют вещественно-волновые информационные механизмы памяти (сокращенно "ВИМ") в генетических и других управляющих структурах организмов? Изучение их только начинается. Вероятно, некоторыми типами запоминания и формирования вещественно-волновых хромосомных образов-моделей, образов-программ являются голографическая и/или лингвистико-фоновая память генома [26, 27]. Надо полагать, что ВИМ-пути репликации информационных биополимеров разнообразны, имеют истоки, начиная с уровня элементарных частиц, и в первом приближении, их можно классифицировать следующим образом:

1. ВИМ электрона или "дырка". Это первый, классический пример из квантовой электродинамики, когда удаляемый объект (электрон) оставляет на месте своего пребывания определенную область, эквивалентную ему, но с противоположным, положительным, зарядом. Эту область Поль Дирак назвал "дыркой" [10]. Она ведет себя подобно протону, хотя и не тождественна ему. "Дырки" реализуют положительную проводимость, которая существенна в свойствах полупроводников при так называемых p-n переходах.

2. Ассоциативно-голографические ВИМ-отображения. Здесь образ объекта, который экспонировался в двух интерферирующих когерентных полях, может восстанавливаться в форме волновых фронтов при отсутствии самого объекта. Это явление изучено детально и широко используется в технике и искусстве.
3. Фантомный листовой эффект (ВИМ листа). Открыт В.Г.Адаменко в 1975 году методом газо-разрядной визуализации и воспроизведен во многих лабораториях мира, в том числе и в работе [26]. Эффект заключается в том, что при помещении живого листа растения в высоковольтное высокочастотное поле, которое имеет строго определенные параметры, редко, но достаточно воспроизводимо, удается зафиксировать светящееся (искровое) изображение целого листа, даже если у него отрезана некоторая часть (не более 10-15%). Механизм такого явления имеет квази-голографическую природу, присущую генетическому аппарату высших биосистем [26, 27]. Фантомные или ВИМ-боли, возникающие иногда у людей, утративших в результате травмы руки или ноги, связаны с голографической памятью коры головного мозга.

4. ВИМ-структура сигнала, распределенная в фоне (о Фоновом Принципе см. [27]). Например, информация о точном смысле (значении, сигнале) омонимов типа 'лук', 'рейд', 'коса' закладывается контекстом сообщения, в котором они фигурируют. Весь текст (контекст) выступает как фон, в котором, как в целом, находится точная информация о части, то есть о точной семантике омонима. Омонимическая неоднозначность в высшей степени характерна для так называемого генетического кода - фактически, кода белков. Одинаковые знаковые дублеты кодонов кодируют разные аминокислоты, третьи же нуклеотиды кодонов могут быть любыми и не коррелируют с кодируемой аминокислотой ("Вобл" концепция Ф.Крика). По этой причине перед рибосомой часто, практически всегда, возникает дилемма такого вида: как считывать третий нуклеотид кодона - так, чтобы получилось "белковое слово" 'суд' или так, чтобы получилось 'сук'. Мы полагаем, что такие высоко вероятные ошибочные (случайные вследствие омонимии знаковых дублетов кодонов иРНК) выборы "аминокислот-букв" на место в "белковом слове" корректируются рибосомным комплексом за счет фоново-контекстной, ассоциативной ориентации рибосомы, учитывающей всю последовательность иРНК или, иначе говоря, ее контекст (фон). Фоновый Принцип - чрезвычайно важное теоретическое положение для практической биологии и медицины и сельского хозяйства, в частности, для волновой генетики. Например, в медицине применение этого принципа приведет к принципиально новым лечебным методологиям работы с онкогенами и геномом ВИЧ: появляется реальная возможность понимания, почему эти знаковые генетические структуры начинают внезапно функционировать только в строго определенном контекстном нуклеотидном окружении, возникающем вследствии транспозиций онкогенов и генома ВИЧ и/или при изменении "метаболического контекста". Они омонимичны, то есть не "читаемы" и не "узнаваемы" для организма, как патогенные начала, вне определенного фонового нуклеотидного окружения. В этом смысле вся грандиозная, и непонятная доселе, проблема геномных транспозиций становится прозрачной как фактор многомерного проявления конкретных семантик для временно омонимичных и/или временно нулевых (типа псевдогенов) знаковых нуклеотидных последовательностей. Если Фоновый Принцип экстраполировать на ALT-механизм восстановления теломер, то можно считать утрату конца теломеры предельным случаем омонимии, известным в лингвистике и теории информации (теорема Шеннона). В соответствии с этой теоремой, когда часть слов, букв (сигналов) в тексте утрачена или искажена, они могут быть восстановлены, с учетом всего текста (контекста), в том числе и по фоново-ассоциативному принципу, который включает шенновский эффект как частный случай [32]. В каком-то смысле это аналогично восстановлению полного изображения объекта из части голограммы, поскольку образ объекта, точнее информация о нем, не локализована в какой-то одной части голограммы, но распределена по всему ее пространству. В ALT-механизме восстанавливаемый сигнал - это информация об утраченной последовательности нуклеотидов теломеры, а фон (контекст) является текстом ДНК хромосомы, граничащим с его утраченной частью. Даже если допустить, что в ALT работает принцип рекомбинационного удлинения теломер, то и он не может обойтись без "знания" о том, какой фрагмент ДНК надо вставить на место отсутствующего. А это "знание" так или иначе связано с фоново-ассоциативной памятью генома, что близко к голографической памяти хромосомного континуума, который мы постулировали ранее [26, 27].

5. ВИМ ДНК. Этот феномен обнаружен в 1985 году, в кратком варианте опубликован в 1991 [12] и более детально исследован в 1994 [26]. Аналогичные данные получены независимо группой американских исследователей под руководством Р.Пекоры в 1990 году [1]. Внешнее проявление ВИМ ДНК заключаются в том, что при использовании метода лазерной корреляционной спектроскопии, при изучении светорасеяния препаратами ДНК in vitro, обнаруживается необычный эффект. В светорассеяние вносит вклад некий фактор, не предусмотренный теорией светорассеяния. Природа феномена не ясна. Группа Р.Пекоры характеризует ВИМ ДНК как ".. mimicing the effect of dust" (MED-effect), то есть эффект, имитирующий пыль, хотя исследователями предприняты специальные меры, чтобы в препаратах ДНК не было посторонних частиц. Группа Р.Пекоры обнаружила этот феномен методом корреляционной лазерной спектроскопии, но не на тотальных высокополимерных фракциях ДНК, как в наших экспериментах, а на рестриктных фрагментах ДНК определенной длины. И в этом (рестриктном) случае ДНК тоже вела себя “аномальным” образом: зондирующие фотоны дифрагировали не только на полинуклеотидных цепях, но и на “посторонних частицах”, которых в препарате заведомо не было. Этот, никак не прокомментированный группой Р.Пекоры, эффект затруднил ей объяснение необычного характера светорассеяния ДНК с позиций, казалось бы, хорошо разработанной теории Цимма и Роуза для влияния динамики полимеров в водных растворах на зондирующий световой, в том числе и лазерный, пучок.

Близкие, но не тождественные, данные получили Матсумото и др. [15], когда прямым наблюдением зафиксировали эффект “аномального” броунирования флуоресцентно-меченых нативных молекул ДНК. Эта "аномалия" проявляется в том, что рассчитанные на основе теории Цимма-Роуза коэффициенты трансляционной диффузии для отрезков ДНК длиной 56значительно отличаются от визуально наблюдаемой и количественно оцениваемой диффузионной динамики ДНК. Вместе с тем, теория дает хорошее совпадение с экспериментами для других, например, абиогенных полимеров типа лавсана, полиэтилена и т.д.

Можно думать, что в экспериментах по лазерному зондированию ДНК, светорассеяние происходит по принципам ВИМ, то есть не только на вещественных реально существующих молекулах ДНК, но и на ее виртуальных волновых эквивалентах (следовых структурах), оставляемых броунирующими молекулами этого суперинформационного биополимера. Здесь уместна некоторая аналогия с голограммой, когда определенным образом зондируемый лазером материальный объект "записывается" в рассеянном им световом поле и создает свою волновую (виртуальную) копию, существующую уже независимо от объекта-прототипа. Не исключено, что эффекты ВИМ объясняются теорией физического вакуума [33], где фундаментально обосновывается идея генерации торсионных (аксионно-кластерных) эквивалентов физических тел. Напомним, что ВИМ-эффекты на уровне генома давно известны в скотоводстве (и не только) как Фактор Телегонии, когда наследуются признаки первого самца-родителя, при рождении потомства той же самкой от второго, третьего и т.д. отцов.

Что касается “аномалий” динамики ДНК, обнаруженных в работе [15], то в их варианте опытов может происходить акцепция внешних фоновых физических полей, влияющих на квазиспонтанную динамику ДНК. Этот возможный вклад не принимался в расчет авторами, поэтому обнаруженный аномальный эффект также оказался вне понимания. Механизм такого рода влияния фоновых физических полей на нелинейную динамику белков предложен ранее [28, 29]. Он основан на взаимодействии внешних физических полей с атомами металлов, входящих в состав активных центров многих белков. Аналогичные пути влияния внешних (фоновых) и внутренних (эндогенных для биосистем) физических полей на динамику ДНК, наверное, имеют место, поскольку сахаро-фосфатный остов ДНК содержит различные металлы, роль которых не установлена и может заключаться именно в волновых знаковых биоориентациях генома.

ВОЗМОЖНАЯ МОДИФИКАЦИЯ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ДОГМЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ С ПОЗИЦИИ КВАНТОВОЙ НЕЛОКАЛЬНОСТИ ГЕНОМА И ЭКСПЕРИМЕТАЛЬНОЙ КВАНТОВОЙ ТЕЛЕПОРТАЦИИ

В 1935г. А.Эйнштейн и его сотрудники Б.Подольский и Н.Розен [11] высказали идею, суть которой на примере элементарных частиц сводится к следующему. Квантовый объект, в качестве которых могут быть, например, два связанных фотона, в процессе разделения сохраняют некое подобие информационной связи (эффект "спутывания", "связывания" (entangle)). При этом квантовое состояние одного, например поляризация или спин, может мгновенно время передаваться на другой фотон, который при этом становится аналогом первого, который коллапсирует, исчезает, и наоборот. Расстояние между фотонами может быть любым. Это было названо эффектом, парадоксом или каналом Эйнштейна-Подольского-Розена (ЭПР). Как синоним этого феномена принят также термин "Квантовая Нелокальность" (Quantum NonLocality), подчеркивающий мгновенную распределенность, нелокальность в пространстве состояний связанных по квантовым состояниям элементарных частиц. Казалось бы, нарушается принцип причинности - следствие и причина не разделены временем, если понимать время как способ организации последовательности событий. Поэтому Эйнштейн и соавторы, не располагая тогда знаниями о сложной структуре времени (к примеру, о его фрактальности), оценивали свою чисто теоретическую, но, тем не менее, жестко формализованную, модель как неприложимую к практике, эксперименту. Это состояние противоречия теории и видимой физической реальности длилось около 30 лет. Затем Д.Белл [2] также развил идею ЭПР на современном уровне. Активное участие в этом приняли также Ч.Беннет и соавторы [3]. Главная трудность состояла в том, что необходимо было в их теоретических построениях не нарушать фундаментальный принцип квантовой механики, выведенный Гайзенбергом для дуалистичного вещественно-волнового состояния квантовых объектов. Это принцип неопределенности о невозможности одновременного правильного измерения свойств, например фотона, как волны и как элементарной частицы. Эта проблема была снята после экспериментального доказательства возможности существования "спутанного" состояния элементарных частиц.

Возможно, такая "спутанность" - это элементарное основание передачи генетической (и ментальной) информации между организмами, которые можно рассматривать как континуум элементарных частиц, и в которых свойства микроуровня находят своеобразное отражение на макроуровне. В таком спутанном состоянии, обе частицы остаются частью одной и той же квантовой системы так, что все, что Вы делаете на одной из них предсказуемо влияет на другую. Беннет и его коллеги считают, что спутанные частицы при их разделении в пространстве могут служить в качестве взаимных "переносчиков" своих состояний и, следовательно информации, друг на друга, поскольку состояние частицы - это уже информация. Правда, в этом случае информацию надо понимать предельно расширительно - как любое изменение. Для экспериментальной реализации ЭПР-канала, необходимо было сосуществование трех фотонов - спутанного и двух разлетающихся, что и было осуществлено работами двух групп иследователей - венской, возглавляемой Антоном Цойлингером, и римской, под руководством Франческо Де Мартини. Опыты группы Цойлингера [6] и Де Мартини доказали выполнимость принципов ЭПР на практике для передачи через световоды состояний поляризации между двумя фотонами посредством третьего на расстояниях до 10 километров. После этого открытия в ведущих странах обсуждаются мощные программы по применению этого эффекта для создания квантовых оптических компьютеров, где носителями информации будут фотоны. Скорость их работы и объемы информации будут на десятки порядков превосходить таковые у существующих компьютеров.

Идея использования явления Квантовой Нелокальности биосистемами весьма привлекательна и в мировоззренческом, и в практическом планах. Она хорошо соответствует нашим данным о волновом знаковом назначении гено-информационно-метаболических и ментальных ареалов биосистем. В этом смысле первую, но довольно слабую, попытку разобраться в приложимости концепции ЭПР к биосистемам сделали несколько ранее [14]. В этой работе теоретический анализ сводится преимущественно к констатации, что восприятие действительности организмами базируется на ином и, в определенном смысле, более эффективном принципе, чем тот, что используется более формальными процедурами в науке. Этот принцип, по мысли авторов, в некоторых условиях реализуется в "нефизичных" интеркоммуникационных знаковых взаимодействиях не статистического характера между пространственно разделенными биосистемами, то есть в телепатии. Почему "нефизичных" и какое к этому имеет ЭПР, остается неясным.

Еще раз поставим вопрос, но более узко, и не затрагивая преждевременно проблему телепатии, - срабатывает ли явление квантовой нелокальности в работе генетического аппарата высших биосистем? Если да, то каким образом? Ясно, что даже предположения здесь будут носить сугубо предварительный характер, однако, необходимость в рабочих гипотезах сейчас уже назрела. В волновых версиях работы генома [26, 27] ЭПР-эффект является желательным (но не обязательным) звеном, который логично может замкнуть цепь рассуждений о ВИМ-функциях генома. Предполагаемые волновые пути работы хромосом объясняют как происходит строительство пространственно-временной макроструктуры высших биосистем по волновым и семантическим векторам работы аппарата наследственности. Такие вектора работают через механизмы голографической памяти хромосомного конттинуума и через квази-речевые пути построения ДНК-РНК-Белков. Считывание-сканирование генома-биокомпьютера здесь происходит, например, за счет эндогеннных лазерных излучений и солитонных возбуждений геноструктур. Нелокальность генома, как кодирующего и отчуждающего геноинформацию хромосомного континуума, уже заложена в его голографических функциях. Такой сорт информации распределен в геноме, как в голограмме и/или квазиголограмме, и как во фрактале одновременно. Это может иметь место, если рассматривать геном с чисто вещественных позиций. На таком уровне геноинформации еще не работает квантовая волновая нелокальность. Геноголограмма, если "считывать" ее волновым образом, приводит к тому, что вещество хромосом отчуждает знако-образные волновые фронты в качестве направляющих морфогенеза. Это необходимо, в частности, для поддержания стабильной пространственно-временной структуры биосистемы. С этой целью геномом поэтапно и послойно порождается своего рода "идеальная" (волновая) модель - план потенциальных вещественных структур организма. Это лишь одна из ВИМ-направляющих в строительстве многомерной структуры биосистемы. В таком понимании модель вещественно-волновой организации биосистем еще не полна и требует развития.

Существенным дополнением мог бы выступать ЭПР-механизм, по крайней мере на уровне фотонно-лазерных и радиоволновых процессов в хромосомах и белках организмов. Такой способ управления жизненными процессами придает принципиально новые потенции клеткам и тканям - возможность практически мгновенно передавать огромные пулы информации между всеми клетками и тканями биосистемы, например, через поляризационный канал фотонов и радиоволн. Если такой способ реален, тогда становится понятным, почему стратегические знаковые биомолекулы - нуклеиновые кислоты и белки имеют L-изомерный состав компонентов, спиральную закрутку и, соответственно, ярко выраженную способность к дисперсии оптического вращения, круговому дихроизму и двойному лучепреломлению. По другому понимается и факт изомерной квантованности биоорганических молекул. Асимметричность атомов биоорганических молекул и следующая отсюда изомерия - это возможность быстрого автоснятия биосистемой поляризационной, голографической и иной вещественно-волновой информации о состоянии собственного метаболизма и о своей текущей сиюминутной пространственно-временной структуре.

Под этим углом зрения неожиданную важность для объяснения механизмов прионовых патогенезов приобретает факт способности к двойному лучепреломлению агрегатов PrPsc (см. выше), то есть к аномальной для биосистемы модуляции векторов поляризации собственных информационных фотонных потоков через нарастающую белковую массу PrPsc в головном мозгу.

Характерно, что успех экспериментальной квантовой телепортации был достигнут, в частности, потому, что для генерации фотонов, разведения их в пространстве и их "программирования" использовали волноводы (световоды), лазеры с УФ-накачкой и поляризаторы. Формально, перечисленные компоненты имеют биоаналоги в виде микротрубочек клеточного ядра и цитоплазмы, когерентных излучений ДНК и хромосом. Последние одновременно являются информационными биополяризаторами собственных лазерных излучений, а то, что ДНК и хромосомы являются лазероактивной средой показали наши прямые эксперименты [24].

Допустим, что ЭПР-фактор срабатывает in vivo как фактор контроля текущего состояния взрослого организма от микро- до макроуровня. Но как он реализуется в эмбриогенезе? Возможно, он служит посредником для внутри- и межклеточного переноса волновых копий ДНК-РНК в разных фазах их многосложного функционирования. Не исключено, что ВИМ-эффекты на препаратах ДНК, полученные нами в 1985 и 1991 годах и независимо группой Р.Пекоры в США в 1990г. (см. выше) являются результатом локальной квантовой телепортации, спонтанно происходящей при лазерном зондировании гелей ДНК в процессе спектроскопии методом динамического лазерного светорассеяния. Видимо, в этом варианте взаимодействия когерентных фотонов с биоструктурами, последние могли выступать как жидко-кристаллическая система оптически активных световодов, разводящих поляризованные фотоны в пространстве с последующим обменом информацией между ними. В этой же системе реализуется и другой эффект с новым типом памяти генетических структур на основе явления Ферми-Паста-Улама [26]. Это сопровождается возникновением изоморфных временных автокорреляционных функций светорассеяния и ВИМ-эффектами при исследовании препаратов ДНК, 50S субъединиц рибосом E.сoli и коллагена [26].

Если ЭПР-фактор работает в биосистемах, логично спросить, почему организмы не ограничиваются столь эффективной формой оперирования биоинформацией и для чего им нужны еще и нервные импульсы, скорость прохождения которых (8-10м/сек.) весьма далека от скорости света в ДНК-квантовом биокомпьютере живых клеток? Можно высказать только предположение, что нервная система понадобилась высшим организмам, чтобы затормозить слишком быстрые информационные процессы, к которым эволюция биосферы еще не подошла. Скорее всего, функции нервной системы и квантовой нелокальности генома комплементарны и сосуществуют, иногда давая всплески в виде паранормальных способностей людей-вычислителей, или в телепатии, не говоря уже о многих других "аномалиях" биосистем, частично теоретически осмысленных нами ранее [26, 27].

1. Allison S.A., Sorlie S.S., Pecora R., Brownian Dynamics Simulations of Wormlike chains: Dynamics Light Scattering from 2311 Base Pair DNA Fragments. Macromolecules, v.23, p.1110-1118 (1990).
2. Bell J.S., On the Einstein-Podolsky-Rosen Paradox, Physics, v.1, pp.195-200 (1964); Bell J.S., Einstein-Podolsky-Rosen Experiments. Proceed. Symp. on Frontier Problems in High Energy Physics (Pisa), p.33-45 (1976).
3. Bennet C.H., Brassard G., Crepeau C., Jossa R., Peres A., Wootters W.K., Teleporting and unknown quantum state via dual classical and Einstein-Podolsky-Rosen channels. Phys.Rev.Lett.,v.70, p.1895-1899 (1993).
4. Biebricher C.K., Eigen M., Luce R. Product analysis of RNA Generated de novo by Qb Replicase. J.Mol.Biol. v.148, p.369-390 (1981).
5. Biebricher C.K., Luce R., Template-free generation of RNA species that replicate with bacteriophage T7 RNA polymerase. The EMBO Journal, v.15, Issue 13, p.3458-3465 (1996).
6. Bouwmeester D., Pan Jian-Wei, Mattle K., Eibl M., Weinfurter H., Zeilinger A., Experimental quantum teleportation. Nature, v.390, p.575-579 (1997).
7. Brandner S., Isenmann S., Raeber A., Fisher M., Sailer A., Kobayshi Y., Marino S., Weissmann C., Aguzzi A. Normal host prion protein necessary for scrapie-induced neurotoxity. Nature, v.379, p.339-343 (1996).
8. Bueler H., Aguzzi A., Sailer A., Greiner R.A., Autenried P., Aguet M., Weissmann C. Mice devoid of PrP are resistent to scrapie. Cell, v.73, p.1339-1347 (1993).
9. Chetverin A.B., Chetverina H.V., Munishkin A.V. On the Nature of Spontaneous RNA Synthesis by Qb Replicase. J.Mol.Biol. v.22, p.3-9 (1991).
10. Dirac P.A.M. Proceed. of the Royal Society of London (1930).
11. Einstein A., Podolsky B., Rosen N., Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reallity be

Considered Complete? Phys.Rev. v.47, p.777-780. (1935).

12. Gariaev P.P., Chudin V.I., Komissarov G.G., Berezin A.A., Vasiliev A.A. Hologrphic Associative Memory of Biological Systems. Proceedings SPIE - The International Society for Optical Engineering. Optical Memory and Neural Networks. v.1621, p.280- 291. USA. (1991).
13. Jan van Duin The bacteriophages. Chapter 4. Single-Stranded RNA Bacteriophages. p.133-135. (Ed. Callendar R.). Plenum Press, New York - London. (1988).
14. Josephson B.D., Pallikari-Viras F., Biological Utilisation of Quantum NonLocality. Foundation of Physics, v.21, p.197-207, Plenum Press © (1991).
15. Matsumoto M., Sakaguchi T., Kimura H., Doi M., Minagava K., Matsuzava Y., Yoshikava K., Direct observation of brownian motion of macromolecules by fluorescence microscope. J. Polimer Sci.B., v.30, p.779-783 (1992).
16. Mills D.R., Peterson R.L., Spiegelman S., An extracellular Darwinian experiment with a self-duplicating nucleic acid molecule. Proc. Nat. Acad. Sci. USA, v.58, p. 217-224 (1967).
17. Munishkin A.V., Voronin L.A., Ugarov V.I., Bondareva L.A., Chetverina H.V., Chetverin A.B. Efficient Templates fpr Qb Replicase are Formed by Recombination from Heterologous Sequences. J.Mol.Biol. v.221, p.463-472 (1991).
18. Prusiner S.B. (ed.), Prions, Prions, Prions. Springer press (1996).
19. Sakaguchi S., Katamine S., Okada H., Hasegava S., Miyamoto T., Noda T., Loss of cerebral Purkinje cells in aged mice homozigous for a disrupted PrP gene. Nature, Apr.11; v.380 (6574), p.528-531 (1996).
20. Spiegelman S., Haruna I., Holland I.B., Beaudreau G., Mills D.R., The synthesis of a self-propagating and infectious nucleic acid with a purified enzyme. Proc. Nat. Acad. Sci. USA, v.54, p. 919-927 (1965).
21. Sumper M., Luce R. Evidence for De Novo Production of Self-Replicating and Environmentally Adapted RNA Structures by bacteriophage Qb Replicase. Proc. Nat. Acad. Sci. USA, v.72, p.162-166 (1975).
22. University of Chicago Medical Center press release (May 29, 1997) (file://C:\DNA - Internet\yeast cell.htm).
23. Weiss S., Porske D., Neumann M., Groschap M.H., Kretzschmar H.A., Famulok M., Winnacker E-L. RNA aptamers specifically interact with the prion protein PrP. Journal of Virology, v.71, N11, p.8790-8797 (1997).
24. Агальцов А.М., Гаряев П.П., Горелик В.С., Рахматуллаев И.А., Щеглов В.А., Двухфотонно-возбуждаемая люминесценция в генетических структурах. Квантовая электроника, v.23, N2, с.181-184 (1996).
25. Березин А.А. Физико-математическая модель нейрона на основе явления возврата Ферми-Паста-Улама для разработки принципиально новых элементов памяти большой емкости. Информационные технологии. Изд. Машиностроение. N5, с.29-35. (1997).
26. Гаряев П.П. Волновой геном. М. Изд. Общ. Польза. 279с. (1994).
27. Гаряев П.П. Волновой генетический код. М. Издатцентр. 108с. (1997).
28. Гаряев П.П., Маслов М.Ю., Решетняк С.А., Щеглов В.А. Взаимодействие электромагнитного излучения с информационными биомакромолекулами. "Антенная" модель. Краткие сообщения по физике. Физический Институт РАН, N1-2, с.54-59. (1996). (а)
29. Гаряев П.П., Маслов М.Ю., Решетняк С.А., Щеглов В.А. 1996, Модель взаимодействия электромагнитного излучения с информационными биомакромолекулами. Краткие сообщения по физике. Физический Институт РАН, N1-2, с.60-63. (1996). (б)
30. Интернет (http://www.mpibpc.gwdg.de/abteilungen/090/people/biebricher/evolution_in_vitro.html).
31. Оловников А.М. Молекулярный механизм морфогенеза: теория локационной ДНК (обзор). Биохимия, т. 61, вып.11, с.1948-1970 (1996).
32. Прангишвили И.В., Ануашвили А.Н., Маклаков В.В. Закономерности проявления подвижности объекта. Сборник трудов Института проблем управления РАН. М. Выпуск 1., с.7- 10 (1993).
33. Шипов Г.И. Теория физического вакуума. Новая парадигма. М. "НТ-Центр", 362с. (1993).

Рис.1. Первый путь клонирования паразитических белков in vivo

Рис.2. Второй путь клонирования паразитических белков in vivo

Рис.3. Путь клонирования ассоциатов (гибридов) паразитических белков in vivo

Рис. 4. Обобщенная схема модифицированной Центральной Догмы молекулярно-волновой биологии

Главная страница Список все работ и книг