Как физики изменили биологию

В 1944 известный физик и один из основателей квантовой механики Эрвин Шредингер публикует далекую от квантовой механики книгу «Что такое жизнь?». В ней Шредингер рассматривает живую клетку и организм в целом как физический объект и пытается применить к живой материи те законы, которые используются в физике. Эта книга становится определяющей для развития биологии. Ученый Лайнус Полинг, который одним из первых доказал значение химических связей в структуре биологических молекул, писал:

«На мой взгляд, будет справедливо сказать, что Шредингер, сформулировав свое волновое уравнение, несет полную ответственность за современную биологию».

Во-первых, изучение квантовой физики позволило создать теоретические основы химии, стимулировало развитие молекулярной биологии. Во-вторых, именно с помощью этой книги другой физик-теоретик Макс Дельбрюк поощряет физиков к биологии. Он создает «фагов группу» – неформальное объединение бывших физиков и биологов, пытающихся разгадать секреты наследственности. Как экспериментальную модель ученые использовали фаги – особые вирусы, которые способны инфицировать бактерии.

Макс Дельбрюк и некоторые члены фагов группы, 1949 год. Caltech Archives
Макс Дельбрюк и некоторые члены фагов группы, 1949 год. (Caltech Archives)

Резкий скачок

Приход физиков начинает новую эру в биологии. С помощью рентгеновских лучей определена молекулярная структура ДНК. Сформулирована центральная догма молекулярной биологии: все генетическая информация в клецтке закодирована в цепи ДНК, из которой она «считывается» в виде молекулы РНК и используется для построения белка.

Первая рентгенограмма ДНК, сделанная Розалинд Франклин 1952 года.  Rosalind Franklin / Wikipedia
Первая рентгенограмма ДНК, сделанная Розалинд Франклин 1952 года. (Rosalind Franklin / Wikipedia)

Изучено влияние радиации на появление мутаций. Положено начало расшифровке генома. Силард, один из первых вовлеченных в биологию физиков, описывал вторую половину 20 века как время, когда для открытия чего-то нового в физике необходим был год, а в биологии – всего один день.

За время существования биологии проведены тысячи экспериментов, открыты сотни молекул. Но стали для нас понятными сами биологические процессы? Можем использовать полученные знания, чтобы регулировать эти процессы или хотя бы предусмотреть их ход? Что ж… Наши прогнозы будут оперировать словами «увеличится», «уменьшится», «активирует», «подавляет». Но насколько увеличится, насколько активирует – этого биологи сказать не могут. Известно, что чем больше разных белков синтезирует бактерия, тем медленнее она растет и размножается. Однако ученые не могут рассчитать как замедлится рост бактерии, если она будет производить, скажем, в полтора раза больше определенного белка. В лучшем случае, биологи могут это определить экспериментально, но как только мы изменим одно из условий (например, изменим белок), придется ставить новый эксперимент. В то же время в физике точные прогнозы вполне обычныо явление. Мы можем рассчитать траекторию мяча с помощью его скорости, или определить, за какое время остынет кастрюля с водой, если в нее положить кусок льда определенной массы. Это дает физике значительные преимущества и помогает ее быстрому развитию.

Биологии не хватает точности, определенного обобщения и теоретичности. Гигантский массив собранной информации должен быть систематизированы и проанализированы. Именно в этом заключается миссия физики и математики в современной биологии.

Сможет ли биолог отремонтировать радиоприемник?

Успех физиков в биологии вовсе не означает, что они умнее биологов. Самое большое отличие заключается в их подходах к решению задач. Эту разницу между физическими и биологическими методами проиллюстрировал Юрий Лазебник в статье: «Сможет ли биолог отремонтировать радиоприемник?». Старый радиоприемник используется как аналогия неизвестного биологического процесса. Такое сравнение вполне уместно. Радиоприемник – сложная и запутанная система, основной функцией которой является прием электромагнитных волн и их трансформация в звуковой сигнал. Примеры подобных путей передачи сигналов встречаются и в биологии. Вспомните, хотя бы, систему зрения, когда световой сигнал из сетчатки нашего глаза превращается в электрический и обрабатывается в головном мозге.

А теперь представьте, что радиоприемник – нечто совершенно новое, мы понятия не имеем, из чего он состоит и как работает. И должны его отремонтировать.

Если руководствоваться методами биологии, сначала радиоприемник надо разобрать на отдельные детали и сделать точное описание каждой: цвет, форма, материал, – так же, как ученые-биологи определяют все молекулы, участвующие в том или ином процессе. После необходимо выяснить роль каждой из них. Для этого биологи создают организмы-мутанты, подобные реальным организмам, но которые не имеют исследуемой молекулы. То есть нужно заказать еще сотню таких же приемников, выкрутить по одной детали из каждого и записать, как отсутствие определенной детали будет влиять на работу радиоприемника. Понятно, что на все эти манипуляции уйдет много денег и времени. Перегружены полученными данными и разочарованы отсутствием результата, мы начнем терять веру в то, что радиоприемник можно отремонтировать.

Теперь посмотрим на радиоприемник глазами физиков-инженеров. Физика не будет обращать внимания на каждую деталь. Она попытается определить, из каких блоков состоит прибор: энергообеспечение, прием сигнала, трансформатор. Следующим шагом будет определить функцию каждого блока, установить взаимосвязь между ними и неисправностью. За несколько дней радиоприемник заработает.

В начале существования биологии ее методы были оправданы и необходимы. Человечество мало заглянуть «внутрь» жизни и собрать как можно больше информации. Но сейчас время подняться на новый уровень понимания. И для этого понадобятся методы физики.

Техничность, точность, подсчет

На самом деле, физика и ее подходы обогащают биологию сразу в нескольких аспектах. Физика обеспечивает биологию необходимыми инструментами и технологиями. Совсем недавно, в 2017 году, трое ученых-биофизиков получили Нобелевскую премию за разработку криоэлектронной микроскопии, которая позволила улучшить разрешение микроскопов и определить структуру многих биомолекул. Еще один пример – оптические пинцеты. Такими пинцетом, с помощью лазера, можно манипулировать объектами, размер которых измеряется в нанометрах! С помощью этих щипцов ученые измеряют различные силы, действующие внутри клетки. Удалось измерить силу взаимодействия между молекулой ДНК и РНК-полимеразы – фермента, который помогает «считывать» ДНК и строить соответствующую молекулу РНК.

Изображение рецептора, полученные с помощью криоэлектронных микроскопии.  Twomey et al / Nature, 2017
Изображение рецептора, полученные с помощью криоэлектронной микроскопии. (Twomey et al / Nature, 2017)

Но дело не только в технологиях. Физики принесли с собой желание и умение все измерять. Благодаря этому, с описательной науки биология превращается в науку точную. Теперь мы не говорим «В маленькой бактерии кишечной палочки содержится много белков и жиров», а говорим «в одной бактерии кишечной палочки весом 1 пг(одна триллионная часть грамма) содержится 2 * 106 молекул белков и 5 * 107 молекул жиров». Теперь ученые не просто определяют производится ли в клетке определенный белок, а измеряют его точное количество и скорость выработки. Так, измерив точный уровень экспрессии одного из генов в популяции абсолютно одинаковых бактерий, ученые увидели, что этот уровень не одинаков и колеблется от бактерии к бактерии. То есть, даже если все бактерии продуцируют определенный белок, у кого он будет немного больше, а у кого-то – чуть меньше. 

Например, ученые заметили, что на одной из стадий развития мухи-дрозофилы, часть ее клеток развивается в нервные клетки, а другая часть тех же самых клеток превращается в эпителиальные. Возможное объяснение такого выбора «будущей судьбы» кроется в разных уровнях выработки двух белков – Notch и Delta. Эти белки размещаются на мембране клетки и способны воспринимать блокировочные сигналы от соседних клеток. Эти сигналы запускают в клетке ряд реакций, подавляющих возможность клетки стать нервной, и такая клетка превращается в эпителиальную. Поэтому клетки, которые производят меньше белков Notch и Delta будут менее восприимчивы к блокированию и превратятся в нервные клетки. Те же клетки, вырабатывающие больше этих белков, более чувствительны, их «нервный» путь развития будет заблокирован, и они превратятся в эпителиальные клетки.

Вместе с математиками, физики помогают анализировать и интерпретировать очень большие массивы информации. Ученые до сих пор не могут предсказать свойства и структуру белка, зная его аминокислотную последовательность. Это важно, ведь соответствие между строением и функцией, поможет определять роль определенных белков, и это дало бы возможность создавать искусственные белки с запрограммированными свойствами. Чтобы приблизиться к ответу, используют методы компьютерного анализа, которые широко применяются в современной физике. Уже известные белки группируют по свойствам, и внутри каждой группы сравнивают их аминокислотные последовательности, пытаясь найти подобные участки. И становится понятно, какие аминокислоты должны стоять на каких позициях, чтобы белок вышел, например, гидрофобным.

Простые модели

Физики помогают биологам «упрощать» исследуемый вопрос и сводить многокомпонентные сложные системы в простые модели. Так, молекулу ДНК можно идеализировать несколькими различными способами в зависимости от того, что мы хотим изучать. Если нас интересует закодированная генетическая информация, мы будем рассматривать ДНК как цепочку нуклеотидов. Или же, мы можем объединить нуклеотиды в блоки – функциональные части ДНК, и изображать ДНК как последовательность таких блоков. Примером возможных блоков может быть участок, отвечающий за антибиотикорезистентность, или промотор – участок, регулирующий уровень «считывания» ДНК. А иногда нас вообще не интересует структура ДНК, а интересуют распределение электрических зарядов вдоль ДНК или ее эластичность и термодинамические колебания молекулы. В этих случаях мы будем рассматривать ДНК как заряженный или эластичный шнур, или как цепь, звенья которой могут произвольно перемещаться. Такие упрощения помогают «избавиться от балласта» и сконцентрировать внимание на нужных свойствах. Когда изучали процесс появления извилин головного мозга, напечатали на 3D принтере модель головного мозга из мягкого геля. Этот гелевый мозг был гладкий, как у эмбриона, и полностью повторял его размеры и форму. Его положили в растворитель, мозг разбухал и увеличивался в размерах, подобно тому, как это происходит во время развития эмбриона. И во время разбухания, на его поверхности начали образовываться извилины, которые почти полностью повторяли извилины реального мозга! Объяснение простое. Поверхностные слои мозга растут быстрее, чем внутренние, соотношение между площадью поверхностных и внутренних слоев стремительно увеличивается, и вот уже верхние слои «не помещаются» на нижних, что и приводит к образованию извилин. Компьютерная математическая модель мозга, разработанная теми же учеными, подтвердила полученный результат.

Подробнее: Исследователи показали, как растут борозды и извилины(видео)

Ну и наконец, физики приносят в биологию язык математики. Основываясь на уже полученных наблюдениях и общих законах физики, ученые разрабатывают математические уравнения, которые, как формулы в физике, описывают биологические процессы. Сложив уравнения размножения и роста бактерий и соединив его с уравнением, описывающим чувствительность этих бактерий к антибиотику, ученые рассчитывают оптимальные схемы назначения антибиотиков при заболеваниях.

Сочетание подходов

Используя физические подходы к биологии, нельзя забывать о самой биологию. Жизнь сложна и многогранна, не всегда все можно упростить. В биологии целое не всегда равна сумме его элементов, а каждый теоретический расчет должен быть подтвержден экспериментально, и не на искусственных моделях, а на живых организмах. Поэтому физики никогда не смогут заменить биологов. Необходимо тесное сотрудничество между этими дисциплинами. Надеемся, что приход физиков в биологию принесет еще много громких открытий.


Читайте также: Квантовый дарвинизм: причудливый брак двух далеких теорий