Генетика и микромир
Креацентр > Статьи > Генетика и микромир > Даже крошечный вирус имеет мощный мини-двигатель

Даже крошечный вирус имеет мощный мини-двигатель

Вирусы – это мелкие образования. Их невозможно увидеть с помощью обычного светового микроскопа, а только под электронным микроскопом. Они не являются живыми организмами, так как не могут осуществлять необходимый внутренний обмен веществ для поддержания жизни, а также не могут размножаться. Они являются инфекционными частицами, состоящими из ДНК (или РНК) и белка и могут размножаться, только захватив под свой контроль соответствующие механизмы зараженной ими живой клетки. Инфицированная клетка производит несколько копий вируса, а затем погибает, высвобождая новые вирусы, чтобы цикл мог повториться.

Вирусы бывают разных размеров, форм и конструкций и действуют достаточно разнообразно. Одним из самых распространенных типов является бактериофаг (или просто «фаг»), который инфицирует бактерии. Он состоит из белкового трубчатого хвоста и белковой головной капсулы (капсида), содержащий ДНК, упакованную под высоким давлением, способствующим инъекции ДНК в инфицированную клетку.

Как вирусу удается держать эту длинную информационную молекулу плотно под высоким давлением внутри такого небольшого объема капсида, особенно когда отрицательно заряженные фосфатные группы отталкивают друг друга? Он имеет специальный упаковочный двигатель, мощнее любого молекулярного двигателя, который когда-либо был открыт, и даже мощнее мышцы. Дуглас Смит, доцент кафедры физики в Калифорнийском университете Сан-Диего, объяснил проблему:

«Геном вируса примерно в 1000 раз превышает его диаметр. Это эквивалентно намотке и упаковке 90 метров лески в кофейную чашку, хотя вирус может упаковать свою ДНК менее чем за пять минут».1

Доктор Смит и некоторые коллеги из университета присоединились к исследователям из Американского католического университета (Вашингтон, округ Колумбия) для решения проблемы.2 Они проанализировали бактериофаг Т4 – вирус, который инфицирует бактерии кишечной палочки, тип бактерий, живущий в кишечнике человека – используя «лазерный пинцет» для удержания одной молекулы ДНК и измеряя силу, которую нужно приложить, с помощью упаковочного двигателя.
Они показали, что этот двигатель действует с силой > 60 пиконьютонов. Это якобы немного (6 × 10⁻¹¹ Н), но если сравнить размеры, то он вдвое мощнее автомобильного двигателя. Итак, двигатель, или ферментный комплекс терминазы «может захватить и начать упаковку молекулы ДНК в течение нескольких секунд».2

Такой двигатель должен тратить много энергии, поскольку фосфатные группы отрицательно заряженные, а следовательно отталкивают друг друга. Поэтому за одну секунду двигатель потребляет более 300 единиц энергетического резерва. Этим энергетическим резервом является молекула АТФ (аденозинтрифосфат)3, которая генерируется с помощью замечательного молекулярного двигателя АТФ-синтазы.4 Вирус имеет дополнительный двигатель-фермент АТФазу, встроенный в его упаковочный двигатель для высвобождения энергии АТФ.

Упаковочный двигатель является не только мощным, он может менять скорость, как будто он имеет систему переключения передач. Исследователи говорят, что это важно, поскольку ДНК, которая поступает из клетки, скорее всего, не является прямой распутанной нитью. Доктор Смит сказал:

«Подобно тому, как для автомобиля хорошо иметь тормоза и передачи, а не только проезжать 60 миль в час, двигателю, что упаковывает ДНК, может потребоваться замедление или остановка, если случится препятствие».1

Далее мы читаем:

«Это может дать возможность ремонту, транскрипции или рекомбинации ДНК – обмен частицами ДНК для усиления генетического разнообразия – произойти до упаковки генетического материала внутри вирусной капсиды».1

Другие жизненно важные механизмы

Этот двигатель – лишь очередной пример сложности, которая необходима для существования даже таких форм жизни, как вирусы, не говоря уже о реальной жизни.

Поскольку для жизни нужны длинные молекулы, чтобы хранить информацию и передавать ее следующему поколению, также должны существовать механизмы, которые помогут разобраться с их громоздкой информацией и очень специфическими физическими свойствами, прежде чем жизнь сможет начаться хотя бы химической эволюцией.

Вот еще две машины, которые помогают разобраться с длинными нитями ДНК, чтобы жизнь могла функционировать.

Разделение двойной спирали

Для репликации двойная цепочка должна быть разделенная, чтобы можно было сделать копию. Цепочки разделяются молекулярным двигателем, который называется геликаза. Это кольцевидная молекула, находящаяся на месте разъединения цепочек. Одна цепочка проходит сквозь отверстие геликазы, другая отводится в сторону.5

Геликаза не просто так себе лежит в месте разъединения цепей ДНК; исследователи из Корнелльского университета показали, что она активно участвует в разьединенни.6 Исследовательница-член команды, Мишель Ванг, сказала:

«В основном это активный двигатель для размотки» .7

Однако размотка происходит гораздо быстрее в клетках, чем в пробирке, поэтому доктор Ванг предположила, что «вспомогательные белки помогают геликазе, дестабилизируя молекулярные соединения в месте разъединения».

Поскольку репликация жизненно необходима для жизни, геликаза крайне важна для всех живых организмов. Коллега доктора Ванг Смита Патель также отметила:

«Геликазы участвуют практически во всех метаболических процессах ДНК и РНК».

Далее, как объяснила доктор Патель, «дефекты геликазы связаны со многими заболеваниями человека, начиная от предрасположенности к раку и заканчивая преждевременным старением». Итак, происхождение таких сложных механизмов и источники энергии являются еще одной проблемой для химической эволюции.

Транскрипция и двигатель для скручивания

Даже копирование части ДНК в мРНК, чтобы ее информация была прочитана, требует сложных механизмов. Сюда входит фермент, который называется РНК-полимераза, состоящая из четырех белковых цепей. И еще один белок указывает РНК-полимеразе, с чего начинать считывания матрицы ДНК. Затем ферментный комплекс движется вдоль цепи ДНК, добавляя соответствующие буквы РНК поочередно и останавливается в нужном месте.

Ричард Эбрайт и его команда из Университета Рутгерса обнаружили больше нюансов в этом процессе транскрипции8 9 10 Действительно, именно эта мРНК превращается в белки в сложных машинах, известных как рибосомы.

ДНК является двухцепочной молекулой, а копируется только одна цепь. Поэтому для копирования ДНК ее нужно размотать. Копировальная машина, которая называется РНК-полимераза (RNAP), сначала фиксируется в начале гена (т.е. последовательности, кодирующей белок). Затем закрепленная RNAP вматывается в ДНК – процесс, который называется скручивание.11 Это раскрывает двойную цепь, чтобы могла сформироваться копия мРНК с одной из них.

Кроме того, процесс распускания накапливает энергию, подобно скрученной резинки игрушечного самолетика. И так же, как в игрушечном самолетике, эта энергия в конце концов высвобождается. Это помогает свернуть размотанную ДНК, которая затем выходит из задней части машины.12

Вывод

Жизнь зависит от длинной двухцепочной информационной молекулы ДНК. Последняя не смогла бы функционировать без машин, способных работать с такими длинными двухцепочными молекулами. Однако информация об этих машинах закодирована на самих цепочках! Эти машины требуют, чтобы двигатель АТФ-синтазы генерировал и использовал энергию, но этот двигатель также кодируется на ДНК. Коду нужны машины, а машинам – код.

Коду нужны машины, а машинам – код.

Жизнь представляет нам множество проблем типа «курица или яйцо», на которые теоретики-натуралисты не имеют ответа. Креационисты могут ответить – сначала Бог создал полностью функциональную курицу, которая потом отложила яйцо. Проблема решена!

Вас также может заинтересовать:

Ссылки:

  1. Powerful Molecular Motor Permits Speedy Assembly of Viruses, Physorg.com, 29 October 2007.

  2. Fuller, D.N., Raymer, D.M., Kottadiel, V.I., Rao, V.B. and Smith, D.E., Single phage T4 DNA packaging motors exhibit large force generation, high velocity, and dynamic variability, Proceedings of the National Academy of Sciences, US 104(43):16868–16873, 23 October 2007.

  3. Bergman, J., ATP: The Perfect Energy Currency for the Cell, CRSQ 36(1) June 1999

  4. Sarfati, J., Design in living organisms (motors), Journal of Creation 12(1):3–5, 1998; .

  5. Mechanism of T7 Primase/Helicase (includes animation).

  6. Johnson, D.S., Bai, L., Smith, B.Y., Patel, S.S., Wang, M.D., Single-molecule studies reveal dynamics of DNA unwinding by the ring-shaped t7 helicase, Cell 129(7):1299–1309, 29 June 2007.

  7. Researchers solve mystery of how DNA strands separate, Physorg.com, 3 July 2007.

  8. Nanotech tools yield DNA transcription breakthrough, Physorg.com, 16 November 2006.

  9. Revyakin, A. et al., Abortive initiation and productive initiation by RNA Polymerase involve DNA scrunching, Science 314(5802):1139–1143, 17 November 2006.

  10. Kapanidis, A.N. et al., Initial transcription by RNA polymerase proceeds through a DNA-scrunching mechanism, Science 314(5802):1144–1147, 17 November 2006.

  11. Roberts, J.W., RNA Polymerase, a Scrunching Machine, Science 314(5802):1139–1143, 17 November 2006 (comment on refs 9 and 10).

  12. See also Sarfati. J., More marvellous machinery: ‘DNA scrunching’, J. Creation 21(1):4–5, 2007.