Волновой генетический код

На рис.5,6 (см. ниже) хорошо видно, как при сдвиге области возбуждения солитонной волны от правой нижней части графика налево траектория волны претерпевает существенные изменения, т.е. “словесно-речевое” наполнение ДНК отображается в поведении солитона. Но главное здесь не только и не столько в этом. На этот раз характерно не качание волны около некоторого положения равновесия, а движение ее в левую часть цепочки после определенного временного интервала. В этом видится определенный биологический смысл. Солитон как потенциальный “субъект чтения” ДНК должен “просматривать” протяженные контекстные зоны, а не застревать на одних и тех же “словах”.

а) б)

Рис.5

а) Результаты численного моделирования динамики распространения возмущений в ДНК на основе системы (2) при значении параметра A=1.

б) То же, вид сверху.

а)

б)

Рис.6

а) Результаты численного моделирования динамики распространения возмущений в ДНК на основе системы (4) при значении параметра A=1.

б) То же, вид сверху.

a)

б)

Рис.7

а) Результаты численного моделирования динамики распространения возмущений в ДНК на основе системы (4) при значении параметра A=2.

б) То же, вид сверху.

200-ый

Рис.8

Солитонное возбуждение ДНК, но с учётом нелинейности ковалентных связей в сахаро-фосфатном остове ДНК. Последовательность нуклеотидов - вирус саркомы птиц (первые 600 пар оснований). Центр возмущения - 200-ый нуклеотид.

400-ый

Рис.9

То же, что на рис. 8, но центр возмущения - 400-ый нуклеотид.

500-ый

Рис.10

То же, что на рис. 9, но центр возмущения - 500-ый нуклеотид.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВА  СОЛИТОНООБРАЗОВАНИЯ  НА ИНФОРМАЦИОННЫХ БИОПОЛИМЕРАХ “IN VITRO”

Способны ли молекулы ДНК и белков к солитонным возбуждениям, предсказанным в многочисленных теоретических моделях? Нами предприняты попытки фиксации нелинейных волн такого рода in vitro методом спектроскопии корреляции фотонов. Выявлены устойчивые эффекты, которые по ряду признаков соответствуют, в частности, процессу спонтанного солитонообразования в рамках явления возврата Ферми-Паста-Улама. [8,19,25,31,32]. Обнаружилось, что при переходе от разбавленного раствора ДНК к полуразбавленному можно зарегистрировать аномально долго затухающие акустические колебания гелевого континуума ДНК. Слабо затухающие колебания исчезают по мере перехода от полуразбавленного к разбавленному раствору и в результате уменьшения длины фрагментов ДНК. Эти данные подтверждают ранние работы для агарозы и коллагена, где впервые обнаружен феномен аномально слабой затухаемости плотностных колебаний биогелей. Аномальное поведение ДНК зарегистрировали после наших наблюдений и японские авторы методом прямой регистрации броуновской динамики флуоресцентно-меченой ДНК. Причем, в работе японцев выявились и другие необычные особенности нелинейной динамики ДНК, которые не укладываются в хорошо разработанные теоретические модели Цимма и Роуза, но которые хорошо соответствуют нашим наблюдениям и трактовке молекул ДНК как структур, резонирующих на особые внешние волновые регуляторные сигналы [25,6,7,15,16,29] (также см. ниже). Такая самоорганизация волновых процессов в ДНК может происходить и при таких физических условиях, когда существенную роль играют кооперативные процессы на уровне макромолекулярного континуума молекул ДНК, приближающегося к структуре хромосом. Чем более структура растворов ДНК отличается от архитектоники ДНК в хромосомах (в приводимых нами экспериментах это относительно короткие фрагменты полимера), тем менее существенны коллективные дальние (в масштабах макромолекулярных протяженностей полинуклеотида) взаимодействия между цепями ДНК, столь важные для эпигенетических функций генома. Ключевым звеном в данных экспериментах является четкая регистрация поведения ДНК in vitro, которое ранее зафиксировано Бреннером и Носсалом для агарозы и коллагена в аналогичных условиях. Это позволяет рассматривать нелинейную динамику такого рода для ДНК и других информационных биополимеров как проявление солитонных свойств в рамках явления возврата Ферми-Паста-Улама (ФПУ). Нелинейная динамика ДНК, ее гидродинамическое поведение и акустика чрезвычайно чувствительны к внешним физическим воздействиям in vitro - энзиматической рестрикции, разбавлению-концентрированию, нагреву-охлаждению, ультразвуковой обработке, слабым механическим воздействиям, облучению ИК-лазерным полем, излучением ФПУ-генератора с широкополосным электромагнитным спектром. Эти и аналогичные воздействия могут и должны в той или иной мере оказывать влияние на генетический аппарат в условиях in vivo, искажающее нормальные эпигенознаковые функции хромосом, что также подтверждается в наших экспериментах. Нелинейная динамика ДНК обнаруживает и другие “аномальные” свойства. Мы зафиксировали резкое различие коэффициентов диффузии для кольцевых и линеаризованных плазмидных ДНК [33], которое также не укладывается в циммовскую теорию поведения полимеров в водных растворах и в этом плане находит подтверждение в работах группы Роберта Пекоры (США) и упоминавшемся исследовании Матсумото с соавторами. Эти необычные свойства ДНК, вероятно, играют важную роль, например, для понимания механизмов управляемого “пилотирования” и точной “посадки” транспозонов ДНК (аналогов плазмид) в пределах жидкокристаллического сверхвязкого и сверхплотного континуума хромосом. Эта задача находится в области общей и нерешенной проблемы молекулярной биологии - проблемы самоорганизации внутриклеточных, межклеточных и межтканевых структур, их “взаимоузнаваний”. Ясно, что, зная волновые, гидродинамические и иные механизмы точного пилотирования таких немаловажных для человека транспозонов, как онкогены и обратнотранскриптазный геном вируса иммунодефицита человека, мы будем иметь возможность корректировать их в необходимом направлении, исключающем патогенез. Не менее существенным представляется факт обнаружения нелинейной динамики ДНК с признаками поведения солитонов по типу явления возврата ФПУ. Это также дает вклад в осознание принципов макромолекулярных и надмолекулярных взаимоузнаваний в организме по линии солитонно-резонансных дальних взаимодействий и делает более реалистичной попытку дать новую версию работы генома эукариот, обсуждавшуюся выше. Мы обнаружили и другие необычные проявления физических свойств ДНК - ее последействие или следовую память [25]. Этот феномен ставит проблему новых типов геномных функций. Возможно, это явление тесно связано с особой памятью генома высших биосистем, а также, вероятно, и с памятью коры головного мозга. Но если для ассоциативной корковой памяти и памяти генома растений нами и другими даны физико-математические модели в терминах и понятиях голографических и солитонных процессов, то память последействия ДНК - явление далеко не ясное и нуждающееся в более глубоком исследовании и осторожной трактовке. Этот эффект зарегистрирован нами при динамическом лазерном светорассеянии на препаратах высокоочищенных ядер из эритроцитов кур и на высокополимерной чистой ДНК из зобной железы теленка [25].По сути, аналогичное явление наблюдала группа Р.Пекоры (США) и назвала его “MED-effect” (Mimicing Effect of Dust), т. е. эффект, имитирующий пыль. Так же как и в наших работах, этот феномен обнаружен методом корреляционной лазерной спектроскопии на рестриктных фрагментах ДНК строго определенной длины. И в этом случае ДНК вела себя “аномальным”образом: зондирующие фотоны дифрагировали не только на полинуклеотидных цепях, но и на “посторонних частицах”, которых в препарате заведомо не было, что обеспечивалось специальным обеспыливанием. Этот никак не прокомментированный группой Р. Пекоры эффект сильно затруднил ей попытки объяснить поведение ДНК с позиций казалось бы хорошо разработанной теории Цимма и Роуза для динамики полимеров в водных растворах. И это еще раз было подтверждено в Японии Матсумото и др. прямым наблюдением “аномально” броунирующей флуоресцентно-меченой ДНК. Представляется, что в работе группы Пекоры cветорассеяние происходило не только на реальных фрагментах ДНК, но и на волновых следовых структурах ДНК, оставляемых броунирующими молекулами этого суперинформационного биополимера в духе теории физического вакуума, где постулируется идея генерации фантомных торсионных аксионно-кластерных эквивалентов физических тел.

Что касается “аномалий” ДНК, обнаруженных в работе японцев, то здесь может иметь место также и вклад внешних физических полей, корригирующих квазиспонтанную динамику ДНК, вклад, который никак не принимался в расчет цитируемыми авторами.

ЗАПИСЬ ИК-ЛАЗЕРНОГО СИГНАЛА  НА УРОВНЕ НЕЛИНЕЙНОЙ ДИНАМИКИ ДНК

Общая посылка данной части работы заключается в том, что хромосомный аппарат и его главная часть ДНК генерируют знаковые волновые структуры. Вместе с тем, геном способен на основе такого рода волновой памяти распознавать и корректировать пространственно-временную структуру биосистемы. Необходим простой и однозначный экспериментальный результат, который показал бы, что молекулы ДНК в принципе способны к памяти на внешнее электромагнитное поле. В качестве такового был выбран ИК-лазерный сигнал с учетом того, что ДНК in vivo оперирует таким излучением. Мы поставили несколько серий экспериментов для того, чтобы ввести in vitro такой искусственный лазерный сигнал в гель молекул ДНК с последующим анализом их нелинейной динамики как системы отображения ИК-лазерного воздействия на уровне явления возврата Ферми-Паста-Улама (ФПУ) [25]. Для введения такого рода сигнала в нелинейно-динамический континуум геля ДНК мы использовали импульсный режим работы ИК-лазера Ga-As с длиной волны 890 нм, частотой повторения импульсов 600 Гц со средней мощностью (минимум 0,8; максимум 3,1) Вт с временем однократной экспозиции 4 сек. Регистрацию воздействий лазера и подготовку образцов ДНК из эритроцитов кур вели в соответствии с [25], в частности, с использованием метода корреляционной лазерной спектроскопии. Анализ поведения временных автокорреляционных функций (АКФ) светорассеяния ДНК показал, что сигнал ИК-лазера запоминается биополимером в форме периодической стохастизации АКФ и носит долговременный и устойчивый характер. Периодические повторы стохастических АКФ допустимо трактовать как одну из форм явления возврата Ферми-Паста-Улама, сочетанного со свойственной этому явлению памятью. Замораживание ДНК геля в течение недели не влияет на приобретенную память на ИК-лазерный сигнал. После размораживания периодическая стохастизация АКФ данного препарата сохраняется, если поддерживать препарат в высокополимерной форме. Таким образом, удалось впервые осуществить запись внешнего искусственного импульсного ИК-лазерного воздействия на уровне нелинейной динамики ДНК, что может служить простейшей реалистической моделью эпигеноволновых процессов in vivo.

О ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ ЛАЗЕРА НА ИНФОРМАЦИОННЫХ БИОМАКРОМОЛЕКУЛАХ [30]

Прошло несколько десятилетий после того, как лауреаты Нобелевской премии академики РАН А.Н.Прохоров, Н.Г.Басов (Россия) и Чарльз Таунс (США), высказали идею, а затем реализовали ее, о возможности создания квантовых генераторов. Сейчас трудно сказать, в какой области науки и техники они не применяются (от биологии и медицины до лазерного термоядерного синтеза). Последующие исследователи внесли свой крупный вклад в развитие этой проблемы.

В данной части работы ставится вопрос: можно ли in vitro создать лазер на информационных биомакромолекулах, прежде всего на ДНК, РНК и хромосомах? Вряд ли может идти речь о создании энергетически мощных лазеров на этих структурах. Вопрос звучит по-иному: какие новые знания мы можем получить о ДНК, РНК и хромосомах, создав такой лазер и исследуя характер его излучения? Можно думать, что это будут принципиально новые данные. Например, об их нелинейной динамике, в том числе солитонного типа, о ровибронных колебаниях, о модуляциях дисперсии оптического вращения и кругового дихроизма, переносе энергии в другие, ранее недоступные (в таком варианте методологии) слои информации. При этом динамические модификации лазерного пучка могут иметь cемантико-гено-биознаковый характер и поэтому будут обладать мощной биологической активностью.

Первые соображения по этому поводу были предложены нами ранее [25,30]. В том числе обсуждалась идея о создании лазерной системы на Фрёлиховских модах [3]. Сложность доказательства правильности всех этих мыслей состоит в том, что большинство генетических структур, содержащих в своем составе ароматические и гетероциклические кольца, “прозрачны” для характерного спектрального диапазона l @ 350-400нм. Трудность также и в том, что если использовать мощную оптическую накачку, то это, учитывая “хрупкость” биоструктур, неизбежно приведёт к их разрушению.

В настоящей главе для реализации некоторых из обсуждавшихся положений проведено исследование in vitro спектров двухфотонно-возбуждаемой люминесценции (ДВЛ) геле-жидкокристаллических препаратов нуклеогистона, являющегося суммарной фракцией хромосом, в которой преобладают гистоновые белки, и ДНК (стандартные высокополимерные препараты фирмы “Sigma”). Для существенного увеличечения интенсивности ДВЛ генетических структур нами предложен способ активации люминесценции за счет введения в состав исследуемых образцов активаторов (доноров) ДВЛ-определенных (близких по спектру оптического поглощения ДНК и нуклеогистону) органических молекул. Такие молекулы характеризуются большой интенсивностью спектров излучения, которые располагаются в области собственного оптического поглощения ДНК и нуклеогистона. В качестве активатора мы использовали кристаллический препарат димедрола, структура которого включает пару бензольных колец. Для димедрола это обеспечивает интенсивный спектр ДВЛ, имеющий вид широкой асимметричной полосы в диапазне 280 - 350нм.

Для фотонной накачки исследуемых препаратов мы применяли лазер на парах меди. Этот лазер работает в стандартном импульсно-периодическом режиме с частотой следования импульсов 10кГц, со средней мощностью Вт, пиковой мощностью 10Вт, длинами волн генерации l = 510,8нм и 578,2нм (зеленая и желтая линии), длительностью импульсов нс. Лазерное излучение направляли на исследуемый образец в виде сфокусированного пятна размером мм. Применение такого лазера как инициатора ДВЛ оказалось весьма эффективным при изучении электронно-колебательных спектров белков, ДНК, нуклеогистона и их компонентов (пурины, пиримидины, аминокислоты [19,30]). Регистрирующая аппаратура включала: фильтр для выделения лазерных линий с l =510,8 и 578,2 нм, фильтр для выделения излучений люминесценции в УФ и фиолетовом диапазонах (с подавлением лазерного излучения), монохроматор (тип МДР-2) для сканирования спектра в широком интервале (от УФ до видимой области), двухкоординатный самописец для регистрации спектров, измеритель для контроля опорного сигнала и определения эффективности наблюдаемого сигнала. Для подавления тепловых шумов применяли строб-импульс длительностью 25-30нс, синхронизированный с импульсом возбуждения. Регистрацию вторичного импульса излучения проводили с ФЭУ-130. Исследования спектров ДВЛ геле-жидкокристаллического препарата ДНК в смеси с димедролом (ДНК-ДЛ) и нуклеогистона с димедролом (НГ-ДЛ) показали, что амплитуда ДВЛ спектра ДНК-ДЛ лишь на порядок меньше таковой спектра ДВЛ чистого димедрола. Это обеспечивает существенное увеличение интенсивности ДВЛ смеси ДНК-ДЛ по сравнению с чистым препаратом ДНК в форме жесткого геля [19]. На этом же спектре обнаруживается ряд дополнительных особенностей изучаемых смесей. Оказалось, что квантовый выход ДВЛ для смеси НГ-ДЛ ниже, чем для смеси ДНК-ДЛ. Другая характерная черта - разгорание или тушение ДВЛ во времени. Для НГ-ДЛ наблюдается нарастание ДВЛ во времени. Обратный эффект наблюдается в случае ДНК-ДЛ. Представляет интерес присутствие вибронной структуры в спектрах ДВЛ в виде отдельных перекрывающихся полос в области 310-370 нм, особенно для ДНК-ДЛ. Такая структура близка к ранее наблюдавшимся спектрам ДВЛ для нуклеозид-трифосфатов [19].

Механизм резкого увеличения квантового выхода ДВЛ нуклеогистона и ДНК при наличии донор-активатора (димедрола) может быть объяснен быстрой квазирезонансной передачей энергии от возбужденных молекул димедрола к исследуемым геноструктурам. Наблюдаемая при этом тонкая многополосчатая структура ДВЛ спектров коррелирует с характером вибронных полос для ряда ароматических и гетероциклических соединений, включая чистые нуклеозид-трифосфаты и ДНК [19]. Возникновение такого рода дискретизации спектров можно трактовать переходом электронов биомакромолекул с электронного терма S1 на возбужденные колебательные уровни основного состояния S0. В связи с этим может быть реализована инверсная заселенность на переходах при достаточном заселении терма .

Проведем оценки необходимой интенсивности лазерного излучения для создания инверсии (суперфлуоресценции) в условиях проведенных опытов.

Условия инверсии записываются следующим образом:

, (1)

где - плотность рабочих молекул в состоянии , - плотность молекул в состоянии , и - соответствующие статистические веса квантовых уровней.

Плотность заселенности оценивается из соотношения

, (2)

где - скорость заселения уровня , - скорость его распада за счет излучательного процесса и (или) безызлучательных процессов.

Для величины имеем оценку:

(3)

где W и - энергия и длительность лазерного импульса, - эффективный объем среды, в котором реализуется двухфотонное поглощение (S - площадь поперечного сечения сфокусированного светового пучка, падающего на исследуемый образец,- эффективная длина проникновения излучения в образец),- плотность биомакромолекул (ДНК или нуклеогистона).

С учетом соотношений (1) - (3) условие для cоздания инверсной заселённости суперфлуоресценции записывается в виде

.

Используя характерные данные

(длянм) = Дж,

t @ 10нс,, ,

получаем оценку ,

что близко к использованным значениям интенсивности в наших экспериментах.

Проведенные экспериментальные исследования и их теоретические оценки дают основание достаточно уверенно предполагать, что при используемых режимах двухфотонного возбуждения с использованием активатора-димедрола в геноструктурах in vitro реализуется усиление люминесценции, т.е. излучение ДНК и нуклеогистона носит характер суперфлуоресценции.

Не исключено, что в биосистеме роль димедролоподобных веществ в качестве активаторов могут выполнять эндогенные соединения, прямо или косвенно взаимодействующие с ДНК и хромосомами (стероидные гормоны, углеводы, нуклеозид -моно, -ди и -трифосфаты, некоторые витамины (например, рибофлавин), ароматические и гетероциклические аминокислоты, катехол- и индолалкиламины, некоторые антибиотики, наркотические вещества (например, эндогенные морфины - метаболиты этанола и пептиды-эндорфины), алкалоиды, токсины, ко-факторы ферментов, гем-содержащие белки и другие многочисленные органические соединения, содержащие бензольные и гетероциклические компоненты.

Неясны условия реализации инверсной электронной заселенности геноструктур in vivo, близкие тем, которые использовались нами в режимах ДВЛ. Такие условия могут создаваться в биосистемах, например, за счет фотон-фононных взаимодействий в ДНК в рамках теории Дике.

Однако, это относится к чисто физическим механизмам. Что касается физико-биохимических процессов, приводящих к лазерной накачке ДНК и хромосом in vivo, то в качестве таковых можно предсказать наличие в биосистемах мощных АТФ-азных систем, поставляющих энергию для перевода генетических структур в биокогерентные состояния (аналогичные тем, что как частный случай изложены в настоящей главе).

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ   ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ БИОЛАЗЕРА  НА ФРЕЛИХОВКИХ МОДАХ [3]

В данной главе обсуждается и аналитически рассматривается возможность создания перевозбужденного состояния основной (выделен-ной) коллективной Фрелиховской моды за счет когерентного резо-нансного взаимодействия электромагнитного (амплитудно-модулиро-ванного) излучения с Фрелиховским осциллятором. В рамках по-нятий лазерной физики речь идет о создании инверсной заселенности между квантовыми уровнями выделенной колебательной моды и, в итоге, о реализации “in vitro-in vivo” суперфлуоресценции и лазерной генерации с использованием в качестве рабочих тел молекул ДНК, РНК, белков, а также таких надмолекулярных структур, как рибосомы, полирибосомы и хромосомы.

Подчеркнем, что в отличие от Фрелиховского подхода, в котором подразумевается квазинеравновесное состояние (колебательная температура выделенной моды превосходит таковую “тепловой бани” Tvib>Teq>0, т.е. колебания квазиравновесны), в данной работе оценены условия, при которых система рассматриваемых биосубстратов инвертирована (Tvib<0), что прямо связано с созданием инверсной населенности.

Итак, Фрелиховская мода моделируется двухуровневой квантовой системой (уровень 1 - основное состояние, 2 - верхнее), возбуждаемой резонансным амплитудно-модулированным электрическим полем

E ( t) =E og(t)сosw t , (1)

где E o - амплитуда напряженности поля, g(t) - модуляционный фактор, w =w 21 (w 21 - частота перехода 2® 1).

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8