Спіраль спіралей: хромосома і ДНК
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
У деяких рослин довжина молекули ДНК, що знаходиться в хромосомах, досягає сорока метрів! А разом з тим спіралі спадковості — в кожній клітині людини їх кілька десятків — поміщаються в клітинному ядрі розміром кілька мікрон! Як досягається така компактність упаковки? Чи залежить робота спадкового апарату від форми хромосоми? Чим розрізняються хромосоми тварин і рослин? Щоб відповісти на ці та багато інших питань, дослідники за допомогою потужного електронного мікроскопа зняли незвичайний «фільм». Головна його героїня – хромосома.
Кадр за кадром ми разом з фахівцями зможемо спостерігати за народженням хромосоми, яка, на думку дослідників, не стільки «упаковка» для ДНК, скільки складна споруда, від чиєї архітектури багато в чому залежить робота спадкового апарату.
Тут ми відразу ж потрапляємо в білий космос, усіяний чорними зірками. Насправді такий “небосхил” може бути і справжнього чорного кольору, але методика, застосована мікроскопістами, зробила його білим. А чорні “зірки” – не що інше, як зрізи молекул ДНК. Цей світ знаходиться в безперервному русі. Спіральні молекули переміщаються нам назустріч. То одна, то інша згинаються немов гігантські змії. До них повільно підпливають маленькі циліндри (їх називають нуклеосомами). ДНК, немов удав своїми петлями, захоплює циліндр, і через хвилину він виявляється міцно обмотаним щільними спіральними витками ДНК. Так завершується перший акт народження хромосоми.
Величезна, сорокаметрова молекула, зменшуючись в розмірах, обплутує безліч роликів-нуклеосом. Ось нитка скоротилася ще раз, потім ще – так народилася щільно скручена пружина. А незабаром спіраль повільно зібралася в кілька “квіток”, з’єднаних одна з одною стеблом. Це і був останній кадр у фільмі про народження спіралі спіралей.
Хромосома, як показали ці дослідження — це одночасно кілька спіралей. Адже ДНК – вже спіраль, накручена на нуклеосому, вона – спіраль подвійно. Конструкція спіралізується багато разів. Конструкція спіралізується багато разів. Те, що ДНК і хромосома мають спіральну форму відомо порівняно давно, але ось як працює архітектура такого роду, як вона допомагає успішній реалізації генетичного матеріалу, як, наприклад, зчитується в потрібний час з певної ділянки нуклеїнової кислоти інформація, а по ній будуються білки — основа «будівлі» життя?
Життя виникає у важко вловимій «чехарді» ферментів, що зчитують, ріжуть, зшивають, кроять, перебудовують, транспортують ДНК, РНК, білки, амінокислоти та деякі інші речовини. Але як не зіб’ються зі шляху міріади молекул ферментів, що кишать близько хромосоми? Як вони побудують білки, з вражаючою точністю перенесуть РНК, ДНК і т. д.? Ось питання. І відповідь на них допоможе знайти біологічна архітектура. В її формі також зашифрований своєрідний план, який багато в чому направляє хід життєвих процесів. Наприклад, один виток спіралі може містити один або кілька генів, які ферменти повинні прочитати одночасно.
І для цього зовсім не потрібно розкручувати всю спіраль. Така операція проробляється лише з одним з фрагментів хромосоми. Саме з тим, де знаходяться гени, що кодують білки, необхідні організму в певний момент його розвитку. Таким чином, форма здатна задавати ритм його читання. Спіраль своїми кільцями розбиває текст з генів на «слова», «фрази», «абзаци», «сторінки», «глави».
Іноді генетичний матеріал потрібно розподілити не тільки по «главам», а й по «томам». Ймовірно, є хромосоми, що складаються з декількох окремих частин. Вони нагадують кілька «вагонів» хромосом, об’єднаних в один «склад» – субхромосому. У кожен з таких «вагончиків» входить окрема молекула ДНК, а весь «склад» складений вже не з однієї, а з декількох молекул ДНК. Причому в процесі еволюції менші ланки можуть мінятися місцями і таким чином створювати нові тексти з іншим порядком слів, абзаців, глав. А від такої незвичайної перестановки міг сильно змінитися сенс «книги», і на світ можуть з’явитися нові види живих організмів. Так «вагони», «потяги» хромосоми сприяють еволюційному процесу.
Словом, всіх заслуг біологічної архітектури не перелічити. Але є і ще одна: спіраль спіралей – багато в чому двигун живого. Від неї залежить потужність організму, його здатність працювати в тому чи іншому режимі і ритмі, виробляти певну кількість білків, жирів, вуглеводів. Справа в тому, що у рослин часто хромосомні нитки подвоюються, потроюються, дублюючи одна одну, так зростає і кількість генетичного матеріалу. А чим більше генів, тим вище продуктивність клітини.
Таким чином, хромосома – це прекрасний будинок, що першим захищає ще тендітне, тільки зароджене навколо ДНК життя, будинок, що допомагає йому зміцніти, встати на ноги, щоб побудувати спочатку клітину, а потім проявити себе в живій істоті. Будинок, форма якого сприяє зародженню життя. Тому, чим більше ми знаємо про цю загадкову споруду, тим ясніше нам бачиться живе, тим глибше ми проникаємо в його суть і в те загадкове переплетення хімічних реакцій, що виникають при будівництві біологічних конструкцій, яке створює основу для життя.
Автор: С. Жемайтіс.