0
0
0

Музыка в наших генах

Музыка в наших генах

Многие из нас любят музыку и имеет собственные музыкальные предпочтения. Мы проникаемся музыкой с детства, с первой колыбельной. Однако музыка всегда была у нас внутри, в генах. Музыка - это и есть жизнь.

ДНК любит троицу
В биологии сложность жизни начинается с конкретного порядка азотистых основ: аденина (А), цитозина (Ц), гуанина (Г) и тимина (Т) в двухцепочечной спирали ДНК. Азотистые основания входят в состав нуклеотид. Нуклеотиды формируют ген, кодирующий определенный признак. Именно конкретный порядок нуклеотидов с определенными азотистыми основаниями и определяет те признаки, которые отличают человека от банана.

Чтобы мы получили эти различия, ген должен работать, или же экспрессироваться. Это происходит благодаря транскрипции - «считывании» соответствующего белка с гена. Двухцепная спираль ДНК расплетается в определенном месте, и на одной из цепей, как на матрице, начинает синтезироваться последовательность РНК. РНК также состоит из нуклеотидов. Их азотистые основания способны формировать пары А-Т, Г-Ц, и наоборот. Это и позволяет синтезировать цепь РНК на матрице ДНК.

После этого цепь РНК проходит специальное «созревания»: с РНК удаляются "пустые" участки (те, которые не кодируют белок). Когда РНК готова к работе, она объединяется в комплекс с органеллами клетки, которые называются рибосомы. Тогда начинается синтез белка. В ДНК и РНК нуклеотиды группируются по три, как буквы в слова, формируя кодоны или триплеты. Каждый кодон соответствует одной из аминокислот, из которых в нашем организме «строятся» все белки. С последовательности кодонов в РНК считывается последовательность аминокислот соответствующего белка. Например, три аденина подряд (кодон ААА) способствуют образованию аминокислоты лизина. В целом существует 64 комбинации триплетов молекул РНК. Также существуют кодоны «старт» и «стоп». Они обозначают места, где начинается и заканчивается синтез. Аминокислоты служат строительным материалом для белков, которые своей структурой и работой определяют те различия, которые отличают один организм от другого.

Поэтому в генетическом коде записаны последовательности белков. В то же время генетический код имеет определенные свойства: последовательно размещены три нуклеотида кодируют одну из 20 аминокислот, а одну и ту же аминокислоту могут кодировать несколько разных кодонов. И одно из важнейших свойств остается универсальность генетического кода. Это означает, что генетический код одинаков для различных видов живых организмов.

Поэтому основой всего биоразнообразия является лишь комбинации из 4 букв: А, Т, Г и Ц. Некоторым ученым пришло в голову, что триплетному коду можно присвоить свою ноту и услышать, как звучит жизни в прямом смысле.

Музыка в наших генах
Белковая музыка (ДНК или генетическая музыка) - это подход, который позволяет перевести аминокислотные или нуклеотидные последовательности в музыкальные ноты. Впервые идею о белковой музыки выразил Джоэль Штернгаймер, французский физик, композитор и математик. А впервые о белковой музыке написали британцы Росс Кинг и Колин Ангусс в 1996 году. Первый - ученый с Лаборатории биомолекулярного моделирования, а второй - представитель британской музыкально группы The Shamen. Они показали подход для анализа аминокислотной последовательности белка с помощью аудиации. В своей модели они предлагают обозначать каждый кодон определенной музыкальной нотой и воспроизводить их в такт в порядке последовательности нуклеотидов.

Вместе они создали программу ProteinMusic для Java. Программу написали на языке C на Apple Mac и соединили с синтезатором. В то время для запуска программы требовалось специализированное музыкальное программное обеспечение и музыкальные инструменты. Однако новая версия ProteinMusic может работать на любом стандартном персональном компьютере. В свое время Росс Кинг отметил, что идея программы - проиллюстрировать сложность и красоту структуры белков.

Впоследствии, в начале 2000-х годов, французский композитор Ричард Крулл превратил последовательности ДНК в ноты. Каждой букве он произвольно присвоил по одной из восьми нот. Тимин, например, стал ре, аденин - ля и тому подобное.

Частота звука измеряется в герцах. Ее можно рассматривать как количество колебаний в секунду. Человеческое ухо способно воспринимать частоту звука в диапазоне от 16 Гц до 20 000 Гц. Изменения частот приводят к изменениям высоты тона, благодаря чему нота звучит высоко или низко. Чем выше частота, тем выше высота тона. Подобно тому, как комбинации нуклеотидов образуют аминокислоты в кодирующей области ДНК, определенные комбинации частот образуют мелодии и гармонии, которые являются важными элементами музыки.

Мелодии - это центральные темы в музыке, на которых основаны произведения. Они представляют собой последовательности нот, наиболее узнаваемы в произведении. Гармонии - это сочетание нескольких частот, воспроизводимых одновременно. Конечно, есть много элементов биологии, которые являются «гармоничными», например, работа нескольких систем органов, которые создают «оркестр» организма.

Коронавирусная мелодия
В этом году с помощью подхода белковой музыки ученые выяснили, как «звучат» молекулы белков коронавируса. С помощью техники сонификации, исследователи из Массачусетского технологического института присвоили каждой аминокислоте уникальную ноту в музыкальной шкале, превращая весь белок на музыкальную партитуру.

Новый формат поможет ученым находить места, с которыми могут связываться антитела или лекарства. С помощью специальных программ для биоинформационного анализа и моделирования может происходить поиск конкретных музыкальных последовательностей других молекул, которые соответствуют этим местам связывания. Это, по мнению исследователей, скорее и интуитивный, чем обычные методы, используемые для изучения белков. Подобный подход касается последовательностей и аминокислот, и нуклеотидов. Так, например повторив шаблон последовательности ДНК в аудиоформате, можно «услышать» неочевидные при других исследований мутации в последовательности генов. Эти аудиофайлы можно воспринимать на слух или сравнивать и анализировать подробнее с помощью программного обеспечения.

Музыкальный альбом ДНК
Носителем любой информации является именно молекула ДНК. Чтобы продемонстрировать это, в 2017 году исследователи из биотехнологической компании Twist Bioscience совместно с Вашингтонским университетом, корпорацией Microsoft и проектом Montreux Jazz Digital сохранили первые исторические аудиозаписи на этих молекулах, а затем воспроизвели их со 100% точностью.

Первыми музыкальными произведениями, закодированными в последовательности ДНК, стали «Smoke on the Water» Deep Purple и «Tutu» Майлза Дэвиса. Их добавили в Архив памяти мира ЮНЕСКО - коллекции аудио- и визуальных произведений культурного значения.

В цифровой форме эти музыкальные произведения вместе занимают около 140 МБ на жестком диске. Зато в виде ДНК они гораздо меньше, чем песчинка.

Если бы всю музыку от Montreux Jazz Digital Project, а это шесть петабайт цифровых данных (это эквивалент шести миллионов гигабайт), сохранить в ДНК, то она с легкостью поместится на зерне риса.

Хранение и получение файлов с ДНК начинается с цифрового файла. Исследователи превратили двоичный код 1 и 0 на генетический. Например, 00 можно превратить в A, 10 - на Ц, 01 - на Г, а 11 - на T. Затем они сделали синтетические сегменты ДНК, соединив все А, Ц, Т и Г в последовательностях, соответствующих двоичному коду. Каждый короткий сегмент содержит около 12 байт данных, а также порядковый номер, чтобы указать местоположение конкретных данных в общем файле ДНК. Таким образом, музыкальный файл сначала «разобрали» на двоичный код, который «переписали» в соответствующую последовательность нуклеотидов, расположенных в нужном порядке.

Далее применили обычную технологию секвенирования ДНК, чтобы убедиться, что азотистые основания были в правильном порядке. Наконец, исследователи декодировали все А, Ц, Т и Г и превратили их обратно на цифровые значения 1 и 0, чтобы данные могли воспроизводиться, как современный музыкальный файл. Так с нуклеотидной последовательности А, Т, Ц и Г исследователи получили расшифрован музыкальный файл.

Эксперимент показал, что ДНК обеспечивает не только максимальную компактизацию информации, но и надежность ее хранения. Чтобы надолго архивировать файлы ДНК, исследователи используют подход инкапсуляции молекул ДНК в частицы кремнезема. Так информация, закодированная в буквенном коде ДНК, может храниться тысячи лет. Кроме того, ДНК может сохраняться в лиофилизированном («осушенном») состоянии при низкой температуре. Лиофилизация предусматривает удаление лишних молекул воды с нужной вещества, например, с ДНК. Так информация может храниться сотни лет, ведь «ДНК-запись» не может так сильно устареть и износиться, как кассетные ленты, компакт-диски и даже жесткие диски компьютера.

Эта стратегия хранения работает, однако она требует высокотехнологичного лабораторного оборудования, поэтому недоступна для широкого круга. Однако, как и в случае со всеми новыми технологиями, ее стоимость будет снижаться, поскольку будет происходить совершенствование техники. Поэтому вероятно, что со временем она станет более распространенной.

Комментарии