Роман Душкин – Семена. Второе лето (страница 4)
БЕНЗОЛ ПИРРОЛ ИНДОЛ
Собственно, получилось так, что все предложенные квантовым когнитивным агентом ОИЯИ молекулы псевдонуклеотидов были «разложены» по четырём ящичкам – классам: алифатические, бензол-, пиррол- и индол-производные. В каждом классе было, как минимум, три молекулы. Наша с Василисой гипотеза заключалась в том, что три выбранных псевдонуклеотида должны быть из разных классов, тогда между ними будет небольшая разница, что позволит легче контролировать мутации, которых вообще быть не должно.
Также я провёл глубокий поиск по научным библиотекам – я искал опубликованные технологии для систематических названий моих молекул. Увы, ни для одной молекулы не было готовых технологий, так что действительно мне надо было их разрабатывать.
Итак, у меня получилось, что в группе алифатических молекул было три вещества, бензол-производных было семь, пиррол-производных – шесть и индол-производных – четыре. С самого начала я предположил, что для ограничения поиска тройки веществ, которые будут максимально далеки друг от друга по своим физико-химическим свойствам, надо брать по одной молекулы из каждой группы. При этом индол одновременно похож и на бензол, и на пиррол, поэтому я просто отложил группу индол-производных про запас. В итоге получилось, что надо проверить 126 комбинации – это три умножить на семь и ещё на шесть.
Ещё передо мной стояла задача назвать каждое из отобранных веществ. Надо было выбрать три разные буквы алфавита, которые отличались бы от А, Г, Т и Ц, чтобы мои псевдонуклеотиды начинались с других букв, чем обычные нуклеотиды, а оканчиваться названия этих веществ должны на -ин. Я решил отчасти для смеха, отчасти в качестве жеста уважения использовать инициалы моего отца – буквы как раз отличались как друг от друга, так и от обычных нуклеотидов. Сами же названия псевдонуклеотидов я решил посвятить учёным, внёсшим существенный вклад в биологию, биоинформатику, генетику и другие подобные науки.
В итоге у меня получилось:
Д – дарвинин в честь Чарльза Дарвина, предложившего теорию эволюции и концепции естественного и полового отбора, что оказало неоценимое влияние на биологию.
Р – розалин, как знак уважения к Розалинд Франклин, чьи ранние работы по рентгеновской дифракции ДНК стали краеугольным камнем в фундаменте нашего понимания её структуры и, как следствие, генетического кода.
В – вавилоин в честь Николая Ивановича Вавилова, русского учёного, заложившего основы современной генетики растений.
У меня ещё не было веществ, но названия для них я уже придумал. Я не был уверен, что в итоге мне позволят назвать их именно так, но заготовка мне понравилась.
Всё это я придумал и кратко описал в своих заметках в течение сентября прошлого года. Даже прямо в самом начале его. А потом начались рутинные исследования выявленных 126 комбинаций троек веществ из трёх разных групп. В качестве критериев для оптимизации и поиска целевой тройки мы использовали:
1. Стабильность молекул. Это первое, на что мы обратили внимание, потому что, как известно, стабильные молекулы меньше подвержены мутациям. Применяя варьированные температурные условия и изучая термодинамическую стабильность, мы планировали найти молекулы, которые могут сохранять свою структуру и функцию в различных условиях.
2. Уникальные физико-химические свойства. В каждой из трёх групп собрались молекулы с крайне различными физико-химическими свойствами – они варьировались по полярности, молекулярному размеру, гидрофобности и другим свойствам. Как кажется, такая диверсификация значений характеристик позволит уменьшить вероятность ошибки при репликации.
3. Соотношение силы водородной связи и водородного радиуса. Василиса подсказала мне, что эти характеристики важны для стабильности молекулы и её способности к участию в процессах репликации. Мы предположили, что молекулы с оптимальным соотношением будут успешно реплицироваться.
4. Комплементарность геометрических форм: Нам было важно, чтобы выбранные молекулы обладали геометрическими формами, которые могли бы идеально соединяться друг с другом, в том числе через остаток пентозы, который планировалось использовать между псевдонуклеотидами. Такая комплементарность уменьшила бы вероятность внесения ошибок во время процесса сборки наноботов и повысила бы точность тройных цепочек ДНК-подобных структур, что критически необходимо для исправной работы нашей микроскопической техники.
5. Электронная конфигурация и толерантность к радикалам. Также мы планировали проанализировать электронное распределение в молекулах для обеспечения их устойчивости к окислительно-восстановительным реакциям. Радикалы могут существенно влиять на вероятность мутаций, так что те молекулы, что обладали высокой устойчивостью к воздействиям радикалов, заслуживали особого внимания.
6. Наконец, мы подумали про способность к гиперхимическим реакциям. Наноботам предстоит взаимодействовать с множеством биологических компонентов на молекулярном уровне, поэтому мы поставили для себя задачу найти молекулы, способные участвовать в широком спектре биохимических процессов.
Мы с Василисой предположили, что применение этих критериев позволит провести отбор молекул и анализ троек.
Так что до нового года мы рассчитали молекулярное взаимодействие и статистические шансы мутаций для каждой из 126 троек, и в конечном итоге выделили три молекулы, которые, как нам казалось, идеально соответствовали нашим требованиям. Эта тройка обладала наименьшим взаимным влиянием на вероятность мутаций и максимальной устойчивостью. После этого требовалось подтвердить наши расчёты при помощи компьютерного моделирования и натурных испытаний в лаборатории у Василисы.
Где-то в декабре я получил от отца добро на проведение имитационных экспериментов – для этого требовалось арендовать суперкомпьютер, так что без отца я это сделать не мог. Конечно же, там была очередь, но в январе сразу же после новогодних праздников мы зарядили вычисления.
Я помню, как Василиса приехала ко мне в университет, я встретил её у главного здания, и мы на местном шаттле поехали к корпусу, в котором располагался наш университетский суперкомпьютер. Нас встретил строгий лаборант, который поначалу вообще не хотел меня пускать, говоря, что я студент-второкурсник, а доступ к суперкомпьютеру могут получить только учёные. Я спорить не стал, так как за меня всё равно вступилась Василиса, сказав, что я лаборант в её лаборатории. Прокатило. И вот мы попали в святая святых вычислительного кластера нашего университета.
Когда мы вошли в комнату, лаборант уже был за работой, окружённый открытыми панелями и мигающими индикаторами. Он кивнул Василисе и, сделав несколько кликов, предоставил ей интерфейс для доступа к системе. Моё сердце колотилось в предвкушении. Мы задействовали наш симулятор, и Василиса подала команду для запуска вычислительного эксперимента. Мы хотели убедиться, что наши теоретические расчёты правильные, и поэтому запустили процесс суперкомпьютерного моделирования того, как тройки псевдонуклеотидов будут эволюционировать в процессе репликации. Собственно, нам нужно было подтвердить ту тройку веществ, которую мы отобрали.
По истечении нескольких довольно нервных часов, когда каждая секунда казалась вечностью, наши предположения подтвердились. Мы находились на пороге революции в сфере нанотехнологий. Суперкомпьютер показал, что выбранная нами тройка псевдонуклеотидов способна образовывать стабильные структуры, свойства которых превосходили наши самые смелые ожидания. Это был тот самый эврика-момент, которому предшествовали месяцы утомительной работы.
В общем, отобранная нами тройка псевдонуклеотидов в рамках вычислительного эксперимента ни разу не подверглась мутациям. Сначала мы запустили тысячу шагов эволюции, потом миллион – результат был одинаков: частота мутаций была нулевой. Для контроля корректности функционирования нашего программного обеспечения мы запускали его на других комбинациях молекул – большинство комбинаций давало ненулевую частоту мутаций, но были и такие, которые тоже давали ноль. Мы отобрали все такие комбинации, которые показали нулевую частоту мутаций на одной тысяче итераций, запустили их на десяти тысячах – отсеяли несколько тех, у которых появились мутации. Проделали то же самое с оставшимися комбинациями для ста тысяч шагов эволюции, снова отсеяли те тройки, в которых появились мутации. Дошли до миллиона итераций и получили три варианта троек на пяти молекулах – в нашем итоговом наборе была одна алифатическая молекула и по две бензол- и пиррол-производных, которые получили коды Д, Р1 и Р2, В1 и В2 соответственно. Так что устойчивыми к мутациям комбинациями были такие: Д Р1 В1, Д Р1 В2 и Д Р2 В2. Так что в качестве итоговых молекул, которые получили предварительные названия дарвинин, розалин и вавилоин, мы взяли те, которые отобрали теоретическим путём и проверили при помощи имитационного моделирования, а ещё по одной молекуле из второй и третьей группы мы оставили про запас.
Мы с Василисой, конечно, были в восторге и вышли из суперкомпьютерного центра в абсолютном воодушевлении. Ещё бы – наши теоретические расчёты подтвердились имитационным моделированием. И теперь перед нами стоит задача составить технологические карты процессов, которые направлены на промышленное создание отобранных веществ. Не, ну про промышленное я, конечно, пока ещё загнул, но тем не менее, вещества нужны были в объёмах, которые предполагают массовые эксперименты, то есть технологиях их производства уже требовалась. В тот вечер я сидел и планировал свои работы над этим сложным вопросом, а отец, как сейчас помню, ходил по дому и шелестел распечаткой отчёта об имитационном моделировании, что-то восторженно восклицая.