– Спасибо, пап. Подскажи, что мне делать с докладом, который просит Василиса?

– Ты должен сделать его. А поэтому пока отложи свои кибернетические изыскания и погрузись именно в ту тему, которая тебе дана. Что там нужно? Теоретико-информационная точка зрения на генетику? Ну так посмотри, как кодируется информация в генах, как она преобразуется, как она используется, при этом рекомендую тебе рассмотреть разные уровни – от молекулярного до уровня всего организма.

– Выглядит довольно сложно.

– Это только выглядит. Мне кажется, что ты за эти пару дней успел достаточно прокачаться, чтобы быстро всё осмыслить и сделать нормальный доклад.

Отец ушёл, а я открыл новый файл для написания тезисов и задумался…

Подсказки отца подействовали. Я довольно быстро накидал тезисы нового доклада, и у меня получился десяток слайдов. Действительно, оказалось всё не так сложно, как я боялся. Нет, конечно, если закапываться в тему, то можно сделать презентацию и с парой сотен слайдов, так как тема поистине безгранична. Но я ограничился только самыми поверхностными тезисами о том, как применяется теория информации в генетике и вообще в биоинформатике.

Всё оказалось одновременно и довольно тривиально, но в то же время очень интересно. Итак, генетическая информация потому и называется «информацией», так как в молекулах ДНК закодированы инструкции о том, как производить белки. Эта кодировка достаточно проста – используется всего лишь четыре буквы: А, Г, Т и Ц.

ДНК – это дезоксирибонуклеиновая кислота, огромная молекула, которая содержится в каждой клетке организма. В ядре каждой клетки содержится две копии ДНК, свёрнутые в так называемые хромосомы. Хромосомы – это Х-образные биомолекулярные комплексы, даже видимые в оптический микроскоп. У каждого вида живых существ используется свой набор хромосом, и, например, у человека таких хромосом 23 пары. Пары именно потому, что ДНК хранится в ядрах клеток в двух экземплярах.

ДНК состоит из нуклеотидов, если говорить очень упрощённо. Нуклеотиды – это и есть те самые четыре буквы генетического кода. Буква «А» обозначает аденин, буква «Г» – гуанин, буква «Т» – тимин и буква «Ц» – цитозин (или при помощи букв латинского алфавита – A, G, T и C). Аденин, гуанин, тимин и цитозин – это четыре нуклеотида, из которых состоит ДНК всех живых существ на планете, а также некоторых вирусов.

И вот тут как раз проявляется теоретико-информационный подход к генетике. Вместо того чтобы размышлять о ДНК, как о гигантской биомолекуле, состоящей из нуклеотидов, сцеплённых друг с другом в двойную спираль, имеет смысл абстрагироваться от этого и записывать последовательность нуклеотидов в виде букв генетического кода, которых всего лишь четыре. Геном человека состоит из двух цепочек ДНК, в каждой из которых примерно три миллиарда нуклеотидов, то есть это три миллиарда букв А, Г, Т или Ц, записанных друг за другом. Если предположить, что на одной странице формата А4 примерно 45 строк, в каждой из которых около 85 букв, то на странице умещается 3825 букв, а это значит, что весь геном человека можно уместить на 784 313 страницах убористого текста. Не так уж и много – всего лишь полторы тысячи книг, которые умещаются в небольшой библиотеке.

Но это всё – всего лишь самый первый уровень кодирования. Оказывается, что есть второй уровень, на котором в расчёт берутся три подряд идущих нуклеотида – так называемые «триплеты», и значение имеет комбинация букв в каждом триплете. Если на первом уровне существует 4 типа нуклеотидов, то на втором уровне есть 64 разных тройки нуклеотидов. Почему 64? Всё просто – на первом месте в тройке может быть любой из четырёх нуклеотидов, на втором – тоже любой из четырёх, и на третьем тоже любой из четырёх, а это значит, что для получения общего числа различных комбинаций троек нужно 4 умножить на 4 и потом ещё раз умножить на 4, то есть возвести 4 в куб, а это как раз будет 64.

Так вот второй уровень кодирования тройками нуклеотидов определяет, как строятся белки. Каждая тройка нуклеотидов определяет аминокислотный остаток, который добавляется к полипептидной цепочке при построении белка. Белки как раз и формируются из таких цепочек. Но тут интерес вызывает то, что в построении белков участвуют всего лишь 20 аминокислот, а разных вариантов троек нуклеотидов – 64. Оказывается, что некоторым аминокислотам соответствует несколько вариантов таких троек.

Я подумал, что это такой способ резервирования, поддержанный естественным отбором. Так вышло, что у подавляющего большинства живых организмов на Земле и всех вирусов белки состоят из одного и того же крайне ограниченного множества аминокислот, но каждая аминокислота кодируется несколькими вариантами триплетов – троек нуклеотидов. Я вспомнил, как отец однажды мне рассказывал про то, как инженеры используют принципы резервирования при конструировании надёжных систем из ненадёжных компонентов. Мне показалось, что и здесь в генетике используется нечто подобное.

На третьем уровне всё оказалось намного сложнее. Многие белковые молекулы оказались этакими механизмами, которые взаимодействуют с другими более мелкими молекулами – примерно как ключ с замком. Белок – это замок со скважиной, а ключ – это то, что называется сигнальной молекулой. Она подходит в скважину белка, а сама скважина называется рецепторным сайтом или просто рецептором. Фишка в том, что когда сигнальная молекула присоединяется к рецептору белка, белковая молекула изменяет свою трёхмерную конфигурацию, то есть то, как она свёрнута в пространстве. Это действительно можно представить как ключ и замок – если вставить ключ в замок и повернуть его, то из замка вылезет язычок. Ну в любом случае трёхмерная форма замка так или иначе изменится.

На биологическом языке это всё выглядит более строго: сигнальная молекула лиганда присоединяется к рецепторному сайту белка, в результате чего меняется трёхмерная конфигурация последнего, и тем самым реализуется функциональная особенность белковой молекулы. А вот на языке теории информации и кибернетики то же самое явление выражается совсем другим способом. Действительно, здесь имеет место информационный процесс, в котором на вход подаются две молекулы – сигнальная и белковая – и они соединяются в белковый комплекс, выполняя при этом определённую функцию с её результатом, после чего разъединяются, то есть на выходе имеются те же молекулы, а также результат выполнения функции белка. При этом у самой этой функции также есть входные и выходные молекулы. Например, для ферментов входными и выходными биомолекулами являются ингредиенты тех биохимических реакций, которые ускоряются соответствующими ферментами.