На этой неделе появилось два сообщения о расширении набора первооснов - два новых нуклеотида в ДНК и одна новая частица в физике
Середина июля 2011 года ознаменовалась как минимум двумя открытиями, о которых стоит рассказать в конце недели: в ДНК добавили новые нуклеотиды и физики окончательно подтвердили существование одной давно предсказанной частицы кси-b-бариона.
Начнем с бариона. Барионы - это собирательное название для частиц, которые состоят из трех кварков. И минимум два бариона знакомы всем: протон (один d и два u кварка) с нейтроном (два d, один u). Остальные живут намного меньше и потому известны в первую очередь специалистам, которые составили длинный список самых разнообразных частиц. Дельта-, лямбда-, сигма-, кси- и омега-барионы: собственно, именно разнообразие частиц и натолкнуло ученых на кварковую модель, подобно тому, как многообразие элементов подвело химиков к таблице Менделеева.
И хотя абсолютное большинство барионов практически тут же распадается, их весьма активно изучают уже не первый десяток лет. По двум причинам - во-первых, кварковую модель (немного подробней о ней смотрите в "Вопросах и ответах") неплохо бы лишний раз проверить, во-вторых, внутри самой кварковой модели остается достаточно вопросов о том, как именно три кварка могут образовывать различные комбинации.
Например, вот тот самый кси-b-барион. Это комбинация кварков u, s и b - причем u самый легкий, а b самый тяжелый. Кварковая модель как таковая говорит о том, что такой набор возможен, но для расчета его характеристик (сколько времени просуществует? Какова будет его масса? На какие частицы распадется и с какой вероятностью?) этой модели уже недостаточно. Физики пытаются разработать различные методы, которые позволяют от этой неопределенности избавиться, но в ряде случаев это удобнее всего делать именно с экзотическими частицами.
Которые, кстати, могут и вовсе не уложится в кварковую модель как таковую. Такое развитие событий хоть и маловероятно, но не исключено, и в таком случае ученые выйдут в совершенно новую область. Впрочем, пока что сообщение ученых из Национальных лабораторий Ферми в США (этот центр часто сокращают до "Фермилаба") говорит о том, что с кси-b-барионом такого выхода за пределы не произошло. В своей статье физики пишут о том, что детектор CDF на колладере Теватрон зарегистрировал около 25 событий, которые указывают на наличие теоретически предсказанного бариона, причем вероятность ошибки оценивается в десятимиллиардные доли процента.
Новые буквы ДНК
В любом школьном учебнике написано, что ДНК - это двойная спираль. И что каждая из этих двух спиралей составлена из цепочки нуклеотидов, веществ, которые известны ученым поименно. Аденин, гуанин, тимин, цитозин; ДНК составлена из четырех "кирпичиков" и метафора про "книгу, набранную четырьмя буквами" прочно укоренилась в научно-популярной литературе.
Однако специалистам было известно, что эта информация далеко не всегда соответствует действительности. Еще два нуклеотида, называемых минорными, могут входить в ДНК - гидроксиметилцитозин и метилцитозин, по названию которых легко понять, что это вариация обычного цитозина с дополнительными группами атомов (радикалами, на языке биохимиков). Метилцитозин заменяет собой обычный цитозин в уже синтезированной ДНК и это происходит в клетке регулярно в рамках управления активностью генов.
Ген, как известно, это последовательность нуклеотидов, и если цитозины в нем поменять на метилцитозины - последовательность окажется измененной и недоступной для синтезирующих РНК и белок механизмов. Ген никуда не денется, но окажется неработоспособным, клетка "выключит" уже не нужные ей гены с возможностью потом снова их использовать. И именно этот процесс "включения/выключения" клеток (в процессе перехода стволовой клетки в специализированную) изучали ученые из медицинского центра при университете Калифорнии.
Пытаясь выяснить, как именно метилирование ("метил" обозначает группу из атома углерода и трех атомов водорода, CH3) позволяет стволовой клетке совершить итоговую трансформацию, ученые натолкнулись на еще два минорных нуклеотида. А именно - 5-формилцитозин (цифра в химических названиях позволяет уточнить, к какому именно атому приделана та или иная группа) и 5-карбоксилцитозин. В эти ранее неизвестные нуклеотиды обычный цитозин превращает белок с кодовым названием Tet и этот процесс является частью сложной системы повторной активации ДНК после ее метилирования.
Биохимики, чьи результаты описаны в журнале Science, выяснили что белок Tet снимает блок с ДНК в несколько стадий. Метилцитозин сначала становится гидроксиметилцитозином, потом превращается в 5-формилцитозин. Который через стадию 5-карбоксилцитозина уже переходит снова в цитозин без всяких приставок. Сложно на первый взгляд, но в мире биохимии такие многостадийные реакции на самом деле упрощают работу клетки - достичь цели при помощи серии мелких шажков (реакций с небольшими затратами энергии) легче, чем одним прыжком. Если отвлечься от генов, то самым очевидным примером того, как сложность реакций облегчает жизнь, станет усвоение глюкозы - ее сжигание проходит в одну фазу, но дает только слишком много тепла, серия из десятков реакций занимает больше времени, но позволяет клетке извлечь энергию в доступной и безопасной форме.
Вопросы и ответы:
- Что такое кварковая модель?
- Это часть так называемой Стандартной модели, СМ для краткости.
- А что такое СМ?
- В рамках СМ есть кварки (из них состоит большая часть материи), лептоны (электрон и нейтрино) и специальные частицы, из которых состоят три фундаментальных поля (фотон, W- и Z-бозоны, гюоны). Кварки и лептоны могут взаимодействовать только за счет полей, то есть обмениваясь специальными частицами.
Возвращаясь к кварковой модели и оставляя за бортом всю математику, которая положена в ее основу, можно сказать что кварковая модель представляет собой перечень из шести кварков, каждый из которых имеет определенные свойства, причем как вполне привычные (например, заряд), так и свойственные только кваркам - в частности, "цвет". Есть правила, по которым кварки можно складывать вместе, и есть законы квантовой механики, из-за которых поведение сложенных частиц оказывается весьма неожиданным для неспециалиста.
Например, три кварка одинаковой массы m при сложении вместе дают частицу, масса которой намного больше 3m. Потому что вокруг трех кварков еще находятся удерживающие их вместе глюоны, тоже имеющие свою массу. И правильная физика - это не физика протонов, состоящих из трех кварков, а физика протонов, в которых три кварка и множество глюонов, облако, в котором все компоненты взаимодействуют друг с другом. Именно здесь начинаются по-настоящему сложные задачи вместо простого складывания частиц вместе по напоминающим детский конструктор правилам.
- Что можно почитать, чтобы разобраться в кварках?
- На страницах "Научной среды" уже неоднократно давалась ссылка на образовательный проект "Элементы", где есть раздел, целиком посвященный Большому адронному коллайдеру в целом и физике элементарных частиц в частности. Из того, что еще не требует серьезного образования и написано на русском языке, - это, вероятно, лучший выбор.
- Вопрос про ДНК: почему эти минорные нуклеотиды не нашли раньше?
- Чисто технически выделить их из ДНК очень непростая задача. Особенно если учесть, что речь идет о промежуточной стадии в превращении одного нуклеотида в другой.
- А зачем клетке выключать гены?
- Стволовая клетка может неограниченно делится, но не умеет ничего из того, что нужно нормальным клеткам. То есть она не проводит нервные импульсы, не выделяет желудочный сок, не может оплодотворить яйцеклетку или среагировать на колебания как клетки во внутреннем ухе. Для приобретения нужных свойств нужно активировать одни гены и заглушить другие. Кроме того, мир вокруг клетки меняется, и для приспособления к этим изменениям клетке тоже надо меняться.
- А что это открытие даст с практической точки зрения?
- Лучшее понимание того, как меняется активность генов, позволяет подобраться к решению множества насущных задач. Например, те же стволовые клетки во время развития организма выстраивают все органы, и если бы мы научились воспроизводить этот процесс, да еще и получать стволовые клетки на заказ из обычных... тогда бы можно было, к примеру, взять у попавшего под трамвай пациента кусочек кожи и потом вырастить ему новые ноги вместо отрезанных. Или заменить вышедшие из строя печень и почки. Или поврежденные инсультом области мозга. Про такую мелочь, как новые зубы или волосы, и говорить нечего, проблема в том, что мы пока не знаем всю тончайшую механику превращения клеток.
И узнать для превращения написанного выше в реальность требуется очень много, одним открытием чего-то универсального обойтись не удастся.
