Пользователь
0,0
рейтинг
27 ноября 2013 в 13:07

«Бэкапы» в живом организме из песочницы

Я решил написать данную статью, так как в этом топике shifttstas выразил заинтересованность в описании биологических структур языком понятным программистам.

Сейчас я затрону тему сохранения и резервного копирования информации в ДНК. Для начала небольшой ликбез на тему ДНК:
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. ДНК содержит информацию о структуре различных видов РНК и белков. ДНК содержится во всех живых организмах и даже в тех организмах «живость» которых вызывает сомнения.

ДНК состоит из четырех простых элементов — нуклеотидов (аденин, гуанин, тимин и цитозин), различные комбинации и последовательности которых дают различную биологическую информацию. Тут можно уловить аналогию с машинным кодом(0;1).

Как известно ДНК представляет собой двухцепочечную структуру, закрученную в спираль. Вы задумывались когда-нибудь почему спираль? На самом деле ответ очень прост — это самое выгодное с энергетической точки зрения положение.
image

Теперь же перейдем к «бэкапам».

Бэкап №1 — Комплементарность


Из сказанного выше мы поняли, что ДНК состоит из двух цепочек, которые соединены между собой и состоят из отдельных элементов — нуклеотидов. Так вот, соединение возможно только между комплементарными нуклеотидами, т.е. аденин может соединяться только с тимином, а гуанин только с цитозином.
image
Из этого следует, что зная одну цепочку ДНК мы можем восстановить другую. Этим и пользуются системы репарации(восстановления) ДНК, ремонтируя поврежденные участки(к слову их происходит гигантское количество каждый день).

Выглядит это как сравнение исходного кода двух программ.
image

Бэкап №2 — Повторы в ДНК


В ДНК по данному параметру можно выделить несколько типов ДНК:
  • Очень высоко повторенную ДНК
  • Высоко повторенную ДНК — до 500000 копий на геном
  • Умеренно повторенную ДНК — до 100 копий на геном
  • уникальную ДНК

Система восстановления ДНК может заменить поврежденный участок его копией, к тому же некоторые копии являются функционально активные т.е. при выпадении одной копии функция белка, который они кодируют изменится не значительно. И как следствие — мутации в уникальных генах проявляются с большей частотой.

Это как создание резервных копий нужного нам параметра, чтобы в случае сбоя в программе не потерять его значение.


Бэкап №3 — Аллельные гены


Человек является диплоидным организмом, т.е. у человека есть по 2 гена кодирующих один и тот же признак(как известно — один от матери, другой от отца). Таким образом, мутация в одном гене одной аллели может не проявиться в итоге, так как функцию будет выполнять парный ему ген.
image
Можно провести аналогию с двойным резервированием системы в технике — в случае сбоя одного блока в работу вступает другой.
image

Пишите в комментариях интересующие темы, я постараюсь внятно интерпретировать их для вас.

Благодарю за внимание!
Иван Курносов @Med1c
карма
11,0
рейтинг 0,0
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (56)

  • +17
    Статья для книги «ДНК для чайников»
  • 0
    Как известно ДНК представляет собой двухцепочечную структуру, закрученную в спираль. Вы задумывались когда-нибудь почему спираль? На самом деле ответ очень прост — это самое выгодное с энергетической точки зрения положение.

    Несколько раз встречал эту формулировку. При этом никто не утруждает себя доказательной базой. Просто предлагают принять за аксиому.
    • +14
      Нуклеотиды противоположных цепей связаны между собой фосфодиэфирными связями и как любая другая связь — это смещение электронного облака — и оно стабильно только в определенном положении(под определенным углом). То есть чтобы иметь максимальную энергию связи и не разрываться ДНК должна скручиваться в спираль, иначе она будет нестабильна.
      У ДНК есть разные формы спиралей, необходимые для разных случаев и там связи имеют разную энергию.
      image
      • 0
        Спасибо за подробности.
      • +1
        Вопрос из области научной фантастики: возможно ли создать человека из образца его ДНК? Те, например, у нас есть локон волос или образец слюны, а человек, допустим, уже умер – возможно ли создать его заново и будет ли он знать и помнить все, что делал раньше? Или это только свойство мозга и в днк ничего такого нет?
        P.S. Заранее прошу прощения, если вопрос звучит крайне идиотски, наверное нужно было чаще биологию посещать, чтобы такое в слух не произносить ))
        • +2
          В ДНК хранится информация о структурах организма, т.к. генетический опыт, который прошел вид в процессе эволюции. Личный же опыт человек сохраняется в головном мозге. К тому же сейчас достоверно не известно как хранится информация, известны только отдельные ситуации и моменты, остальное все на уровне гипотез. Может быть в ближайшее время напишу статью о мозге.
          • 0
            Благодарю за ответ! Думаю, про мозг здесь многим было бы интересно почитать, так что пишите, если будет время.
            Еще вопрос: какой прогресс сейчас достигнут на ниве продления жизни или приостановления старения? Те, возможно ли, например, лет в 30 начать принимать какие-либо таблетки и оставаться в этом возрасте так долго, как ты захочешь, те чтобы органы не старели и не портились, в общем, интересно, возможно ли сейчас или в ближайшем будущем (10-20 лет) продлевать жизнь хотя бы до 200-300 лет?
            • 0
              Продление жизни на данный момент — это проблемный вопрос. Если даже известен механизм старения(это ограничение деления клеток), то возможности его остановить/притормозить нету. Старение — это износ органов, как шины у машины.
              • 0
                Нет возможности именно сейчас или ученые и исследователи впринципе не могут понять, как это вообще можно сделать? А если менять износившиеся органы на, скажем, напечатанные на принтерах? Вроде как мне уже попадалась на глаза статья, в которой рассказывалось об успешной пересадки напечатанного органа.
                • 0
                  Для того, чтобы увеличить количество возможных делений клетки — нужно изменить ДНК. Сделать это в одной отдельной клетке можно и это делают постоянно, но в человек миллиарды клеток и нужно изменить многие, в этом наверное и есть основная проблема. В то же время, чем больше делений клетки проходит, тем больше мутаций в ней накапливается и есть шанс перехода ее в раковую клетку. Опухоли — это плата за многоклеточность.
                  На счет пересадок напечатанных органов — я не видел, но возможно я просто пропустил это где-то, скиньте ссылки, если найдете. Да и не все органы можно пересадить — к примеру, многие погибают от инсультов, а пересадка мозга — это что-то невообразимое.
                  • 0
                    Да, нашел, не пересаживали пока орган, я поспешил. Вырастили человеческую почку, правда пока миниатюрную и живущую только около 4-х месяцев. Предсказывают свободную пересадку выращенных органов в течении следующих 10 лет. Прошу прощения за то, что ввел в заблуждение.
                  • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                    • +1
                      Как я уже писал — менять ДНК можно, но только прицельно, а как я понимаю, нужно во всех клетках. Хотя не все клетки одинаково полезны.
                      Учёные нашли способ обмануть природу и запустить счётчик на бесконечный цикл. Это оказалось совсем несложно. Достаточно всего лишь поддерживать физическую длину белковой цепочки (теломеры) на постоянном уровне.

                      Для подкрутки теломеразы нужно контролировать ее длину постоянно, в целом организме это сделать проблематично. К тому же теломераза — инструмент, суть все равно в ДНК.
                      Не знаю, может со временем научатся вставлять нужные последовательности нуклеотидов во много клеток сразу.
                      • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
          • +1
            Антинаучное предположение: сложно поверить, что в столь ограниченном пространстве хранится так много информации. Я полагаю, что мозг — просто антенна для связи с неким пластом памяти, данные из которого можно, в том числе, использовать не одному человеку.
            • +1
              Действительно, антинаучное.

              Информация в мозгу хранится за счёт связей между нейронами, а не в самих нейронах. Число возможных комбинаций таких связей оценивается числом 10^120 — этого хватит, чтобы помнить вообще все события от Большого Взрыва до тепловой смерти вселенной и ещё приличный запас останется.
              • 0
                Доктор, а как вам идея о том что мозг — антенна для приема данных из трансперсональной реальности? По-моему, нельзя такое оставлять без внимания.
              • 0
                Любопытная информация. У вас не сохранилось источника подобной цифры? Я легко убеждаюсь прямыми фактами.
                • +3
                  Это оценочное число. Справочная информация (из любого учебника по анатомии человека): в мозгу человека примерно 100 миллиардов нейронов. Это среднее число, разные люди имеют разное число нейронов. Однако нас интересуют не все нейроны, а только те, что относятся к коре головного мозга — таких около 20-23 миллиардов.

                  Но сначала о нейроне. Нейрон состоит из дендрита, тела нейрона, аксона и синапсов. Дендрит — это вход нейрона, на который поступает нервный импульс, синапс — это выход, с которого нервный импульс поступает либо на вход (дендрит) другого нейрона, либо на эффекторную клетку (такую клетку, которая которая по нервному импульсу заставляет группу клеток совершать работу).

                  Таким образом, нейроны связываются между собой при помощи дендритов и синапсов.

                  Каждый нейрон содержит разное число синапсов, самые крупные могут иметь до 10 000 синапсов, но в среднем, нейроны коры головного мозга имеют около 7000 синапсов, что даёт оценку в 140-150 триллионов синапсов.

                  Почему нам это так важно? Предположение о том, что мыслительная деятельность и память в мозгу осуществляются за счёт взаимосвязей между нейронами было выдвинуто ещё в конце 19 века. В дальнейшем было проведено огромное количество экспериментов, подтвердивших это предположение. Например, опыты с лабораторными крысами показывают, что в результате обучения и дрессировки этих крыс увеличивается как число нейронов, так и число связей между нейронами. Сейчас в распоряжении людей есть компьютерная томография, которая позволяет воочию увидеть процесс мыслительной деятельности. Поэтому мы не можем сомневаться в том, что высшая нервная деятельность, в том числе, обучение, запоминание, являются продуктом работы мозга.

                  То есть, запоминание, как одна из функций мозга — это формирование взаимосвязей между нейронами. То есть, построение нейронной сети, или, в терминах математики, ориентированного графа. Число рёбер в полном графе K = n * (n — 1) /2, где K — число рёбер, n — число вершин (синапсов). В данном случае мы можем пренебречь единицей и просто вычислить n*n/2, что даст 1,125^10*28 взаимосвязей. Но это число актуально, если каждый нейрон будет связан с каждым нейроном, что не нужно. А вот число ориентированных графов, которое можно построить из 150 триллионов вершин, то есть все возможные комбинации коры головного мозга, оценивается числом в 10^120. По какой именно формуле оно вычислялось, я не нашёл, но оно упоминалось ещё в документальных книгах, в частности в книге Чиркова «Тогда придёт электронный джентельмен».
                  • 0
                    Офигеть. К моему стыду много не знаю из этого. Так значит мозг можно тренировать? Это многое объясняет…
                    • +3
                      Да, мозг можно тренировать. Есть физиологическое объяснение этому. Я сейчас думаю на =д серией статей по мозгу, как соберусь написать, то и это тоже там напишу.
  • +3
    Никаких чек сумм нет?
    То есть восстановить можно только уничтоженный нуклеотид, а подделки никак не распознаются?
    • 0
      Насколько мне известно, ферменты, отвечающие за репарацию ДНК, знаю «норму», а все что отличается от нормы — дефект, который необходимо устранить.
    • +1
      С чексуммами недоработка, в следующей версии будут реализованы :-).
      Некоторые часто встречающиеся модификации ДНК распознаются исправляющей системой. Типа появления там урацила или «склеивание» соседних тиминов.
    • +1
      В ДНК есть своеобразная метка возраста — метилирование оснований. Ферменты могут отличить старую (давно существующую днк в организме) и новую. Если новая цепочка имеет иную последовательность, т.е. внутренне непротиворечива, но подделана, то ее тоже могут обнаружить и уничтожить. Впрочем, это как и все в организме носит вероятностный характер.
    • +1
      Если продолжить проводить параллели с компьютерными штуками, можно вспомнить главное (как лично мне кажется) свойство ДНК-кода: его избыточность. Большая часть генома не кодирует белки, а либо не используется вообще, либо используется для целей, в которых важны только ключевые части последовательности (например, обеспечивающие правильную свёртку тРНК). Но даже тот небольшой процент генома, который кодирует белки всё равно обладает избыточностью. Дело в том, что аминокислот всего 20, а вариантов закодировать их тремя нуклеотидами 43=64. Получается, что у самых важных и распространнёных аминокислот есть несколько кодирующих их кодонов. Например, лейцин можно закодировать шестью кодонами: UUA, UUG. CUU, CUC, CUA, CUG. И если в последовательности CTC ДНК произойдёт мутация последнего нуклеотида, то это никак не скажется на аминокислоте в белке, то есть не повлияет на смысл, который несёт последовательность.

      Вполне прослеживается аналогия с избыточностью QR-кодов, которые позволяют распознать закодированное, даже будучи повреждёнными или частично невидимыми.

      Впрочем, избыточные, многократно продублированные системы встречаются в живой природе на каждом шагу. Ненадёжные системы уничтожает бессердечный естественный отбор.
  • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
    • +5
      Урацил встречается только в РНК и он там заменяет тимин.
      • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
        • 0
          В виде исключения

          Исключение подтверждает правило, к тому же это бактериофаг и то их 2 таких.
          • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
            • +1
              Признаю ошибку, был невнимателен.
          • +1
            Исключение подтверждает правило

            Исключение никогда не подтверждает правило. Только ставит правило под сомнение, или опровергает.
            • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
              • +1
                «исключение подтверждает правило для случаев, не являющихся исключениями»

                Самая корректная формулировка: «исключение подтверждает существование правила». И с этим согласен.
  • 0
    ухо — 2
    око — 2
    нос — 1
    рот — 1
    сброс — 1
    этих — 2
    этот — 1
    Система воспроизведения не продублирована (хотя, если экземпляр повредил систему воспроизведения, то ему и воспроизводиится не стоит)
    • +5
      Критические узлы системы воспроизведения как раз продублированы, только интерфейс общий.
  • 0
    А как гены помечаются, что они резервные копии? У генов есть некий идентификатор и при репарации куски ДНК группируются по этим идентификаторам?
    • 0
      Нет, просто по похожести. Если края участков одноцепочечных ДНК достаточно хорошо друг к другу подходят (большинство нуклеотидов оказались парными), то они могут сцепиться и достроиться до двухцепочечной. Так происходит замена вырезанного участка.
    • 0
      Насколько я понимаю, никак не помечаются. Процедура восстановления работает иначе (на самом деле, там несколько систем восстановления). Ген состоит из цепочки кодонов. Каждый кодон кодирует либо аминокислоту, либо служебную информацию — стоп-кодон (ага, очень похоже на старт-стоповый бит). Как мы помним из курса биологии в школе, всего существует 20 аминокислот (стандартных, есть ещё 2 нестандартных).

      Кодон — это последовательность из трёх нуклеотид (например, кодон ААА — три молекулы аденина, кодирует аминокислоту лизин). Всего нуклеотид четыре, а значит всего существует 3^4 = 64 кодона. Три из них — стоп-кодоны, а остальные кодируют различные аминокислоты.

      Так как на 20 аминоскислот приходится 61 кодон, то одну и ту же аминокислоту может кодировать несколько кодонов — таким образом повреждение такого кодона в большинстве случаев легко восстанавливается по 2 параметрам — комплементарной нуклеотиде из второй спирали и соседним нуклеотидам из данного кодона.

      То есть, допустим, в AAA произошло искажение последнего символа, например на G. С точки зрения этой цепочки повреждения информации не произошло вообще — AAG так же кодирует лизин. Но, т.к. аденин соединяется с противоположной стороны только с тиамином, происходит нарушение. Нужно выяснить, что неверно — либо нужно исправить Т во второй цепочке на С, либо нужно исправить повреждённый кодон в этой. Соответствующий механизм восстановления и проводит все необходимые операции и принимает решение. Этот механизм обладает потрясающей точностью — всего 1 ошибка на каждые 100 000 восстановлений.

      Вот примерно так я себе это представляю по учебнику из генетики. Должен сказать, что учебник не совсем новый, и какие-то сведения в нём могли устареть.
      • 0
        В новых учебниках по молекулярной биологии и генетике все так же, но это только всего лишь одна из систем репарации, а их, насколько я знаю как минимум 5.
  • 0
    у человека есть по 2 гена кодирующих один и тот же признак(как известно — один от матери, другой от отца)

    Я всегда думал, что при зачатии у яйцеклетки и сперматозоида по половине от нужного количества генов. Откуда тогда берётся дублирование? Или, на самом деле, всё не так просто?
    • 0
      По половине от родительских. То есть без дублирования.
      В первом приближении можно считать так.
      • 0
        Спасибо, понял.
  • +1
    Спасибо Med1c Читать было интересно, а видеть свой ник в RSS ленте — немного не привычно =)
  • +5
    Человек является диплоидным организмом, т.е. у человека есть по 2 гена кодирующих один и тот же признак(как известно — один от матери, другой от отца).


    На сколько мне известно, они далеко не всегда кодируют они один и тот же признак. Так, например, при экспрессии генов отца эмбрион растит плаценту, а при экспрессии генов матери — собственные клетки.

    В начале 1980-х годов две группы ученых, работающие в Филадельфии и в Кембридже, одновременно сделали удивительное открытие. Они пытались получить мышь только от одного родителя. Поскольку в те времена клонировать мышь из соматических клеток тела было еще невозможно (ситуация быстро стала меняться после успешного опыта с овцой Долли), группа исследователей в Филадельфии просто слила вместе два проядрышка оплодотворенных яйцеклеток. Когда сперматозоид проникает в яйцеклетку, его ядро с хромосомами еще некоторое время соседствует с ядром яйцеклетки, не сливаясь с ним. Такие ядра внутри яйцеклетки называются проядрышками. Ловкие ученые с помощью пипеток извлекают одно из проядрышек и заменяют его другим. Можно слить проядрышки из двух яйцеклеток или из двух сперматозоидов, в результате чего получается яйцеклетка с полным набором хромосом, но только от отца или только от матери. В Кембридже с этой целью использовали другой подход, но результат получился тот же. И в обоих случаях эксперимент закончился неудачей. Эмбрионы не смогли нормально развиваться и вскоре погибли в матке.

    В случае с материнскими хромосомами эмбрион сначала развивался нормально, но не образовывал плаценту, без которой быстро погибал. Напротив, когда в яйцеклетке объединили только отцовские хромосомы, получалась большая плацента и покровы эмбриона, но самого эмбриона внутри не было. Вместо эмбриона разрасталась дезорганизованная масса клеток, в которой нельзя было различить никаких частей тела (McGrath J., Solter D. 1984. Completion of mouse embryogenesis requires both the maternal and paternal genomes. Cell 37: 179–183; Barton S. C., Surami M. A. H., Norris M. L. 1984. Role of paternal and maternal genomes in mouse development. Nature 311: 374–376).
    • +1
      Спасибо, вот это правда интересно
    • +2
      Да, действительно. Недавно нашли этому объяснение.
      www.pnas.org/content/early/2013/06/05/1308998110.abstract — оригинал.
      www.vesti.ru/doc.html?id=1117604 — русская версия
    • 0
      большая плацента и покровы эмбриона, но самого эмбриона внутри не было. Вместо эмбриона разрасталась дезорганизованная масса клеток, в которой нельзя было различить никаких частей

      брр… звучит жутко
      • +1
        С одной стороны, да. А с другой стороны — если это стволовые клетки, то после доработки получаем механизм производства стволовых клеток без этических проблем.
        • 0
          Такой способ уже давно существует, за него уже даже получили Нобеля. Подробности
          • 0
            Спасибо, не знал об этом. Отлично, если так. Но два способа лучше чем один, не?
            • 0
              Не, зиготу получать сложно, а вот способ Яманаки намного проще — повысил экспрессию 4 генов и все.
              • 0
                Как я понимаю, в обоих случаях нужно сложное оборудование. Тут дело, скорее, в экономической стороне.
  • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.