За пределами возможностей материи?

При переходе от системной биологии к синтетической исследователям пришлось обратиться, как ни странно, не к молекулярно-биологической, а к физической литературе. Потому что многие биологические объекты – если не сказать «подавляющее большинство биологических объектов» – по поведению и динамике кардинально отличаются от того, что традиционно заложено в нашем сознании.

При измерении концентрации действующих «начал» или веществ в клетке – в основном макромолекул – очень быстро выяснилось, что действующие концентрации гораздо выше, чем концентрация этих же веществ, которых в принципе можно достигнуть в пробирке – независимо от ионной силы и иных приемов. Для многих это было удивительно.

Так возникло новое понятие – так называемая soft condensed matter, мягкая конденсированная материя, суть которой, как и основной мейнстрим синтетической биологии, заключается в том, что это не синтез геномов, как многие могут думать. Это прежде всего попытка понять, как вообще существует живая система.

Итак, если оценить локальную концентрацию какого-то белка или комплекса, подсчитать количество этого белка в мольной концентрации, а потом привести это все к объему, то окажется, что растворимость этого вещества существенно ниже, чем то, как она проявляется, когда такое вещество в функциональном состоянии существует в клетке.

Фазовые переходы в конденсированных средах (системах) являются очень плохо изученным состоянием веществ, содержащихся в биологических системах. Это один из сегодняшних мейнстримов того, что можно назвать природо-приближенной синтетической доктриной.

Важно не изучать «то, как» и не развивать методы синтеза протяженных участков ДНК, потому что они уже довольно хорошо в других странах формализованы и развиты, а понимать, как, например, существует такая концентрация не инактивированных молекул при атмосферном давлении и при физиологических значениях ионной силы внутри нас, внутри клеток.

Один из способов хорошо известен – это мембранное растворение. Но в водных, то есть в гидратированных, средах эти белки существуют как-то по-другому, а не так, как мы себе это представляем, разбавляя какой-то анолит или покупая где-то в компании алкогольдегидрогеназу или что-то другое и думая, что при этом полностью воспроизводим процесс, который протекает в самой системе – клетке.

А если подойти к этому с физической или с физико-химической точки зрения? Ведь и молекулярная биология, собственно – это продукт абстракции физиков, они ее придумали, потому что в 50-х годах прошлого столетия, когда она родилась – еще до всех современных приборов, началась она с электронной микроскопии и прочих методов, использующихся в физических исследованиях, а не в биологии, где в тот момент биологи изучали в основном «пестики и тычинки» и экстракты.

На слайде пример: одна из действующих концентраций веществ, 350 мг белка на 1 мл раствора – при условии, что там существуют и другие белки и метаболиты.

В каком-то смысле «возвращение обратно к экстрактам» приводит к пониманию того, что все соединения в клетке каким-то образом структурированы так, что в происходящих в ней процессах получаются строго те продукты, которые необходимы для жизнедеятельности клетки. При этом не происходит формирования большого «набора» других, побочных продуктов. Почему? Это довольно серьезная задача не только для ума, но и для исследователей.

В контраст просто конденсированной материи, больше связанной с квантово-механическими представлениями, возникла новая терминология – мягкая конденсированная среда, в основном связанная с биологией. Потому что во многих системах, когда есть возможность измерить (а ведь еще не все пока технологически можно измерить) концентрации молекул – в частности микромоторов – окажется, что эта концентрация намного, если не на порядок, превышает возможности самой природы растворить это с помощью человеческих рук или мешалок.

Еще одна сторона этой «истории» заключается в том, что, по-видимому, около точки равновесия эта материя (концентрация, функция – как угодно можно называть, здесь по аналогии с квантовой механикой теряется четкость в определении координаты и импульса и энергии) находится в состоянии, которое наводит на мысль о флуктуации, осцилляции – возможно, являющихся стабилизирующим фактором всех описанных явлений.