Исследователи из Японии смоделировали биологическую систему, содержащую хищника и жертву, представленную ничем иным, как короткими цепями ДНК. Необыкновенное сходство молекулярной системы с биологической экосистемой позволяет предложить новый способ использования этих биохимических колебательных систем.

Теруо Фуджи (Teruo Fujii) и Янник Ронделез (Yannick Rondelez) из Университета Токио изучали химические колебательные системы, способные стать основой простого цикла – результата обратной связи реакции и его влияния на одну из следующих реакций.

Ронделез поясняет, что большое количество физических ситуаций от динамического поведения химических систем до экологических систем может быть описано с помощью сходного математического аппарата. Он подчеркивает, что из-за близкой аналогии химических и биологических систем было бы интересно изучить систему, являющуюся промежуточной между химическими и экологическими объектами.

Рис. 1. Нити ДНК, являющиеся «хищником»
и «жертвой» ведут себя весьма похоже на
хищника и жертву в настоящей экологической
системе. (Рисунок из ACS Nano, 2012,
DOI: 10.1021/nn3043572).

Экологическая система, которую смоделировали Фуджи и Ронделез является простейшей системой типа хищник-жертва. В экосистеме увеличение численности жертв ведет к увеличению численности хищников, после чего численность жертв падает из-за постоянной охоты, и голодающие из-за недостатка пищи хищники также уменьшаются в численности. Для моделирования этого процесса на молекулярном уровне Фуджи и Ронделез решили воспользоваться короткоцепочечными ДНК. По их словам,

достоинство ДНК по сравнению с другими химическими моделями заключается в том, что существует возможность настройки ДНК необходимой длины и строения, что не всегда возможно для низкомолекулярных соединений.

Вся система состоит из небольших одноцепочечных нитей ДНК и трех ферментов, отвечающих за поликонденсацию ДНК. Когда «жертва» – ДНК, состоящая из 10 нуклеотидов, находит нить-шаблон, ферменты способствуют увеличению числа жертв в этой модели экосистемы. Однако, нити «жертвы» могут связаться с нитями «хищника» – нити ДНК, комплементарной шаблону «жертве», а также обладающей большей длиной – в 14 нуклеотидов. При появлении в системе хищника ферменты способствуют конверсии пары хищник-жертва в две нити хищника. Для того, чтобы предотвратить полное превращение жертвы в хищника, в системе присутствует фермент эндонуклеаза, который разрушает нити и хищника и жертвы на отдельные нуклеотиды, которые поступают обратно в систему.

В результате, изменение численности нуклеиновых «жертв» и «хищников» отражает реальную динамику численности популяций в обычной экосистеме.

Ронделез подчеркивает, что этот только модель экологической системы, действующая на основе механизма репликации ДНК, однако математика, описывающая и реальную экологическую систему, и эксперимент исследователей с ДНК, практически идентична.

Эрик Винфрии (Erik Winfree), специалист по генетическим колебательным системам, который говорит о себе, как о друге и в то же время конкуренте Ронделеза, отмечает, что работа его коллеги-конкурента представляет собой замечательное достижение. Он полагает, что

результаты, полученные Фуджи и Ронделезом, свидетельствуют о достаточной сложности переработки информации простыми биологическими системами, предполагая, что биохимические схемы вполне могут играть роль «мозгов» для одноклеточных.