Фізика
Біологія

Новий погляд на життя Як фізики змінили біологію?

1944 року відомий фізик і один із засновників квантової механіки Ервін Шредінгер публікує далеку від квантової механіки книгу «Що таке життя?». У ній Шредінгер розглядає живу клітину й організм у цілому як фізичний об’єкт і намагається застосувати до живої матерії ті закони, які використовуються у фізиці. Ця книга стає визначальною для розвитку біології. Вчений Лайнус Полінг, який одним із перших довів значення хімічних зв’язків у структурі біологічних молекул, писав: «На мій погляд, буде справедливо сказати, що Шредінгер, сформулювавши своє хвильове рівняння, несе повну відповідальність за сучасну біологію».

По-перше, вивчення квантової фізики дозволило створити теоретичне підґрунтя хімії, стимулювало розвиток молекулярної біології. По-друге, саме за допомогою цієї книги інший фізик-теоретик Макс Дельбрюк заохочує фізиків до біології. Він створює «Фагову групу» — неформальне об’єднання колишніх фізиків і біологів, які намагаються розгадати секрети спадковості. Як експериментальну модель вчені використовували фаги — особливі віруси, які здатні інфікувати бактерій.

 Макс Дельбрюк та деякі члени Фагової групи, 1949 рік. Caltech Archives

Макс Дельбрюк та деякі члени Фагової групи, 1949 рік. Caltech Archives

Різкий стрибок

Прихід фізиків розпочинає нову еру в біології. За допомогою рентгенівських променів визначена молекулярна структура ДНК. Сформульована центральна догма молекулярної біології: усе генетична інформація в клітині закодована в ланцюгу ДНК, з якого вона «зчитується» у вигляді молекули РНК і використовується для будування білка.

Перша рентгенограма ДНК, зроблена Розалінд Франклін 1952 року. Rosalind Franklin / Wikipedia

Перша рентгенограма ДНК, зроблена Розалінд Франклін 1952 року. Rosalind Franklin / Wikipedia

Вивчено вплив радіації на появу мутацій. Покладено початок розшифруванню геному.

Лео Сілард, один із перших залучених до біології фізиків, описував другу половину 20 сторіччя як час, коли для відкриття чогось нового у фізиці необхідний рік, а в біології — усього один день.

За час існування біології проведено тисячі експериментів, відкрито сотні молекул. Але чи стали для нас зрозумілішими самі біологічні процеси? Чи можемо використати здобуті знання, щоби регулювати ці процеси чи принаймні передбачити їхній перебіг? Що ж… Наші прогнози будуть оперувати словами «збільшиться», «зменшиться», «активує», «пригнічує». Але наскільки збільшиться, наскільки активує — цього біологи сказати не можуть. Відомо, що чим більше різних білків синтезує бактерія, тим повільніше вона росте й розмножується. Проте вчені не можуть розрахувати як саме сповільниться ріст бактерії, якщо вона буде виробляти, скажімо, у півтори рази більше певного білка. У кращому випадку, біологи можуть це визначити експериментально, але щойно ми змінимо одну з умов (наприклад, змінимо білок), доведеться ставити новий експеримент. Водночас у фізиці точні прогнози є цілком звичним явищем. Ми можемо розрахувати траєкторію м’яча за його швидкістю, чи визначити, за який час охолоне каструля з водою, якщо в неї покласти шмат льоду певної маси. Це дає фізиці значні переваги й допомагає її швидкому розвитку.

Біології бракує точності, певного узагальнення й теоретичності. Гігантський масив зібраної інформації має бути систематизовано і проаналізовано. Саме в цьому полягає місія фізиків і математиків у сучасній біології.

Чи зможе біолог відремонтувати радіоприймач?

Успіх фізиків у біології зовсім не означає, що вони розумніші за біологів. Найбільша відмінність полягає в їхніх підходах до розв’язання задач. Цю різницю між фізичними та біологічними методами проілюстрував Юрій Лазебник у статті: «Чи зможе біолог відремонтувати радіоприймач?». Старий радіоприймач використовується як аналогія невідомого біологічного процесу. Таке порівняння цілком доречне. Радіоприймач — складна й заплутана система, основною функцією якої є приймання електромагнітних хвиль і їхня трансформація у звуковий сигнал. Приклади подібних шляхів передачі сигналів зустрічаються й у біології. Згадайте, хоча б, систему зору, коли світловий сигнал із сітківки нашого ока перетворюється на електричний і обробляється в головному мозку.

А тепер уявіть, що радіоприймач — щось абсолютно нове, ми гадки не маємо, з чого він складається і як працює. І маємо його відремонтувати.

Якщо керуватися методами біології, спершу радіоприймач треба розібрати на окремі деталі і зробити точний опис кожної: колір, форма, матеріал, — так само, як вчені-біологи визначають усі молекули, що беруть участь у тому чи тому процесі. Опісля необхідно з’ясувати роль кожної з них. Для цього біологи створюють організми-мутанти, які подібні до реальних організмів, але не мають досліджуваної молекули. Тобто маємо замовити ще сотню таких же приймачів, викрутити по одній деталі з кожного й занотувати, як відсутність певної деталі буде впливати на роботу радіоприймача. Зрозуміло, що на всі ці маніпуляції піде багато грошей і часу. Перенавантажені отриманими даними й розчаровані відсутністю результату, ми почнемо втрачати віру в те, що радіоприймач можна відремонтувати.

Тепер подивимось на радіоприймач очима фізиків-інженерів. Фізик не буде звертати уваги на кожну деталь. Він спробує визначити, з яких блоків складається прилад: енергозабезпечення, приймання сигналу, трансформатор. Наступним кроком буде визначити функцію кожного блока, встановити взаємозв’язок між ними та несправністю. За кілька днів радіоприймач запрацює.

На початку існування біології її методи були виправдані й необхідні. Людство мало зазирнути «всередину» життя й зібрати якомога більше інформації. Але зараз час піднятись на новий рівень розуміння. І для цього знадобляться методи фізики.

Технічність, точність, підрахунок

Насправді, фізика і її підходи збагачують біологію одразу в декількох аспектах.

Фізика забезпечує біологію необхідними інструментами й технологіями. Зовсім нещодавно, у 2017 році, троє вчених-біофізиків отримали Нобелівську премію за розроблення кріоелектронної мікроскопії, яка дала змогу покращити роздільну здатність мікроскопів і визначити структуру багатьох біомолекул. Ще один приклад — оптичні щипці. Такими щипцями, за допомогою лазеру, можна маніпулювати об’єктами, розмір яких вимірюється в нанометрах! За допомогою цих щипців вчені вимірюють різні сили, що діють всередині клітини. Вдалося виміряти силу взаємодії між молекулою ДНК і РНК-полімеразою — ферментом, що допомагає «зчитувати» ДНК і будувати відповідну молекулу РНК.

Зображення рецептора, отримані за допомогою кріоелектронної мікроскопії. Twomey et al / Nature, 2017

Зображення рецептора, отримані за допомогою кріоелектронної мікроскопії. Twomey et al / Nature, 2017

Але справа не тільки в технологіях. Фізики принесли із собою бажання і вміння все вимірювати. Завдяки цьому, з описової науки біологія перетворюється на науку точну. Тепер ми не кажемо «В маленькій бактерії кишкової палички міститься багато білків і жирів», а кажемо «в одній бактерії кишкової палички вагою 1 пікограм міститься 2*106 молекул білків і 5*107 молекул жирів». Тепер вчені не просто визначають чи продукується в клітині певний білок, а вимірюють його точну кількість і швидкість вироблення. Так, вимірявши точний рівень експресії одного з генів у популяції абсолютно однакових бактерій, вчені побачили, що цей рівень не однаковий і коливається від бактерії до бактерії. Тобто, навіть якщо всі бактерії продукують певний білок, у когось його буде трохи більше, а в когось — трохи менше. Різниця невелика, але її достатньо, щоби пояснити інші, уже більш значущі, відмінності.

Наприклад, вчені помітили, що на одній зі стадій розвитку мушки-дрозофіли, частина її клітин розвивається в нервові клітини, а інша частина тих самих клітин перетворюється на епітеліальні. Можливе пояснення такого вибору «майбутньої долі» криється в різних рівнях вироблення двох білків — Notch і Delta. Ці білки розміщуються на мембрані клітини і здатні сприймати блокувальні сигнали від сусідніх клітин. Ці сигнали запускають у клітині низку реакцій, що пригнічують можливість клітини стати нервовою, і така клітина перетворюється на епітеліальну.Отож клітини, які виробляють менше білків Notch і Delta будуть менш сприйнятливі до блокування й перетворяться на нервові клітини. Ті ж клітини, що виробляють більше цих білків, є більш чутливими, їхній «нервовий» шлях розвитку буде заблоковано, і вони перетворяться на епітеліальні клітини.

Разом із математиками, фізики допомагають аналізувати та інтерпретувати надзвичайно великі масиви інформації. Вчені й досі не можуть передбачити властивості і структуру білка, знаючи його амінокислотну послідовність. Це важливо, адже відповідність між будовою і функцією, допоможе визначати роль певних білків, і це дало б можливість створювати штучні білки з запрограмованими властивостями. Щоби наблизитися до відповіді, використовують методи комп’ютерного аналізу, які широко застосовуються в сучасній фізиці. Уже відомі білки групують за властивостями, і всередині кожної групи порівнюють їхні амінокислотні послідовності, намагаючись знайти подібні ділянки. І стає зрозуміло, які амінокислоти мають стояти на яких позиціях, щоби білок вийшов, наприклад, гідрофобним.

Прості моделі

Фізики допомагають біологам «спрощувати» досліджуване питання і зводити багатокомпонентні складні системи до простих моделей. Так, молекулу ДНК можна ідеалізувати декількома різними способами залежно від того, що ми хочемо вивчати. Якщо нас цікавить закодована генетична інформація, ми розглядатимемо ДНК як ланцюжок нуклеотидів. Або ж, ми можемо об’єднати нуклеотиди в блоки — функціональні частини ДНК, і зображувати ДНК як послідовність таких блоків. Прикладами можливих блоків є ділянка, що відповідає за антибіотикорезистентність, чи промотор — ділянка, що регулює рівень «зчитування» ДНК. А іноді нас взагалі не цікавить структура ДНК, а цікавлять розподіл електричних зарядів вздовж ДНК, чи її еластичність, чи взагалі, термодинамічні коливання молекули. У цих випадках ми будемо розглядати ДНК як заряджений чи еластичний шнур, чи як ланцюг, ланки якого можуть довільно переміщуватися. Такі спрощення допомагають «позбавитись баласту» і сконцентрувати увагу на потрібних властивостях. Коли вивчали процес появи звивин головного мозку, надрукували на 3D принтері модель головного мозку з м’якого гелю. Цей гелевий мозок був гладкий, як в ембріона, і повністю повторював його розміри й форму. Покладений у розчинник, мозок розбухав і збільшувався в розмірах, подібно до того, як це відбувається під час розвитку ембріона. І під час розбухання, на його поверхні почали утворюватися звивини, які майже повністю повторювали звивини реального мозку! Пояснення просте. Поверхневі шари мозку ростуть швидше, ніж внутрішні, співвідношення між площею поверхневих і внутрішніх шарів стрімко збільшується, й ось уже верхні шари «не вміщаються» на нижніх, що і призводить до утворення звивин. Комп’ютерна математична модель мозку, розроблена тими ж вченими, підтвердила отриманий результат.

Гелева модель мозку повторює розвиток мозкових звивин під час ембріонального розвитку. Harvard University / YouTube

Ну і зрештою, фізики приносять у біологію мову математики. Базуючись на вже отриманих спостереженнях і загальних законах фізики, вчені розробляють математичні рівняння, які, як формули у фізиці, описують біологічні процеси. Склавши рівняння розмноження й росту бактерій і поєднавши його з рівнянням, що описує чутливість цих бактерій до антибіотика, вчені розраховують оптимальні схеми призначення антибіотиків під час захворювань.

Поєднання підходів

Використовуючи фізичні підходи до біології, не можна забувати про саму біологію. Життя складне й багатогранне, не завжди все можна спростити. У біології ціле не завжди дорівнює сумі його елементів, а кожен теоретичний розрахунок має бути підтверджений експериментально, і не на штучних моделях, а на живих організмах. Тому фізики ніколи не зможуть замінити біологів. Необхідна тісна співпраця між цими дисциплінами. Сподіваємося, що прихід фізиків у біологію принесе ще багато гучних відкриттів.

Лео Сілард стверджував, що головний внесок фізиків у біологію — «це не якісь знання з фізики, але, швидше, ставлення: впевненість, яку майже не мали біологи того часу, що таємниці можуть бути розгадані».


Автор - аспірант університету Сорбонни в галузі біофізики, випускниця НМУ ім.Богомольця.