Ученый описал динамику знаков при считывании генетической информации

Ученый предложил рассматривать генетический код не как статичную «инструкцию», определяющую функционирование организмов, а в качестве динамичного процесса рождения смысла и знаков — семиозиса. В рамках такого подхода «буквы» (знаки) в молекуле ДНК приобретают значение, лишь пройдя через ряд биохимических операций, подобно тому, как слова получают тот или иной смысл, соединяясь в конкретном предложении. Такой взгляд на генетический код позволяет лучше понять процессы передачи информации, лежащие в основе жизни. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале BioSystems.

Для описания процессов, связанных с ДНК, используется множество терминов, заимствованных из филологии: «буквы» (нуклеотиды ДНК), «транскрипция» (письменное обозначение звуков и в то же время считывание генетической информации с ДНК), «синоним» (в контексте синонимичных или обозначающих одно и то же кодонов — троек из нуклеотидов в ДНК) и другие. Долгое время эти термины были лишь удобными аналогиями, и биологи не придавали особого значения их исходному смыслу.

Ранее ученый из Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта (Калининград) предложил модель, в рамках которой генетический код рассматривается как язык с собственным алфавитом, грамматикой и лексикой. Такой подход позволил описать, как строительные блоки нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) и белков превращаются в осмысленную инструкцию для построения и функционирования живого организма.

В новой работе исследователь сосредоточился на процессе возникновения знаков и их смысла при считывании генетической информации. Автор проанализировал процессы удвоения ДНК (репликации), транскрипции (считывания молекул РНК с ДНК) и трансляции (синтеза белка по инструкции, записанной на РНК). При этом ученый рассматривал каждую стадию не как простой набор биохимических реакций, а как последовательность семиотических актов — процессов создания, передачи и преобразования знаков и смыслов.

В рамках такого подхода тройка нуклеотидов — кодон — в ДНК приобретает смысл (который отражается на обозначаемой им аминокислоте), лишь пройдя через целый каскад преобразований. Биохимически — это считывание «букв» ДНК и РНК по принципам комплементарности, то есть соответствия, подобного ключу и замку, как это и принято рассматривать. Но есть и дополнительное измерение — как код, основанный на разнице между количеством водородных связей (две или три) и карбонных ядер (одно или два) в нуклеотиде. Таким образом нуклеотид функционирует как бинарная информационная единица. При этом сама по себе «буква» (нуклеотид) не имеет значения, поскольку оно зависит от ее позиции внутри «слова» (кодона) и контекста.

Главным нововведением стало переосмысление роли транспортных РНК (тРНК) — молекул, приносящих к рибосоме («заводу» для синтеза белка) аминокислоты, которые затем объединяются в цепочки. Исследователь описал этапы работы тРНК с точки зрения создания и передачи информации. Сначала тРНК «пуста» — она готова к работе, но еще не присоединила аминокислоту. Затем тРНК «заряжается» и начинает нести информацию, то есть становится знаком. Когда комплекс транспортной РНК и аминокислоты взаимодействует с рибосомой, тРНК становится сложным двухуровневым знаком: один знак (кодон — антикодон) встраивается в другой (тРНК — аминокислота). После того, как аминокислота отсоединяется и становится частью нового белка, тРНК снова возвращается в исходное «неинформативное» состояние.

Таким образом, знаки не хранятся в генах как данность, а постоянно «рождаются» и «умирают» в ходе операций с генетическим кодом. Именно этот процесс автор считает семиозисом в молекулярной биологии, и именно он может рассматриваться как прототипический, в том числе и применительно к языку.

«Рассмотрение семиотических отношений и операций в генетическом кодировании позволяет пересмотреть принятое понимание знака как чего-то постоянного, непременно связанного с определенным объектом. Предложенная концепция дает возможность более широко представить производство знаков (семиозис) как неотъемлемое свойство систем, управляющих информационными процессами не только в биологии, но и в сфере взаимодействия "человек — искусственный интеллект"», — рассказывает основной исполнитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Сурен Золян, доктор филологических наук, профессор, ведущий научный сотрудник ОНК «Институт образования и гуманитарных наук» Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта.

«В дальнейшем мы планируем расширить этот подход до области процессов контроля активности генов. Это и обширные наборы сигнальных молекул, и сигналы-мотивы в регуляторных областях генов, и каскады передачи сигналов извне клетки и до уровня включения и выключения генов-мишеней, к которым эти сигналы в итоге направлены. Так что нас ожидают примечательные междисциплинарные обобщения», — подводит итог руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Александр Спиров, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории моделирования эволюции ИЭФиБ РАН.