Возникает вопрос — почему жизнь устроена именно таким образом? Для этого есть, на наш взгляд, по крайней мере одна веская причина.
В живых организмах десятки тысяч различных белков обеспечивают сокращение мышц, передачу нервных сигналов, реакции сетчатки глаз на свет, усвоение пищи, снабжение органов кислородом и т. д. и т. п. Чтобы синтезировать их химически, в лаборатории потребовались бы миллионы различных реакций, масса оборудования, промежуточных реагентов и, конечно, времени27. Обеспечить такими способами производство этих веществ в живых организмах совершенно немыслимо и на том уровне знаний, который был еще несколько десятков лет назад, мы должны были бы сделать парадоксальное заключение — биологическая жизнь невозможна.
Однако она существует и мы не так давно смогли понять, как же природе удалось решить эту фантастическую проблему: белки в клетках не синтезируются химически, а формируются механически, собираются молекула за молекулой, как цепочки, из 20 типов аминокислот28.
Как природа пришла к такому решению — великая загадка. Однако факт остается фактом — нанотехнологическую сборку белковых молекул осуществляют тысячи клеточных нанороботов — рибосом, по программам, поступающим к ним в виде информационных молекул мРНК. Это обеспечивает синтез неограниченной номенклатуры белков: меняется молекула-программа мРНК — меняется изготавливаемый рибосомой белок. Таким образом рибосомы — не что иное, как программируемые наносборщики органических молекул.
Синтез белков, главного материала биологической жизни, — основная задача биоклетки. Поэтому совершенно естественно, что все другие клеточные процессы должны быть сродственны этой центральной клеточной технологии, т. е. также должны быть нанотехнологическими и выполняться определенными наноустройствами.
Сегодня уже изучены механизмы работы около 40 таких клеточных наномашин. Кроме рибосом это лигазы и рестриктазы — специализированные нанороботы для соединения и разрезания молекул, роботы-шапероны — восстанавливающие поврежденные формы белковых молекул и транспортирующие их через биомембраны, хеликазы — наноприспособления для расплетения двойной спирали молекулы ДНК, а также нуклеазы, теломеразы и т. д.
Живая клетка — это не просто пузырек с органическими веществами, а сложный комплекс множества взаимодействующих нанороботов, реализующих программу жизни, записанную в клеточных ДНК. Как ни парадоксально звучит на фоне привычного противопоставления «живого» и «технического», основа жизни, биоклетка, наиболее адекватно описывается как «сложная инженерная наносистема».
Инженерная сущность жизни постепенно осознается специалистами. Однако по исторически сложившейся «химической» традиции клеточные наноустройства все еще часто относят к «веществам», продолжая уделять много внимания их химическим свойствам, атомным весам и т. д. Разумеется, все они состоят из веществ, но их суть не в показателях кислотности, а в том, какие нанотехнические операции они выполняют. Сегодня специалисты все чаще говорят в этой связи о «молекулярных машинах». Однако в данном случае использовать термин «машина», т. е. механизм, требующий внешнего управления, не совсем корректно, т. к. клеточные наноустройства обладают своей алгоритмической логикой и самостоятельны в рамках выполняемых ими функций. В тоже время не совсем верно называть их и роботами. Все же предполагается (см. «R.U.R.» К. Чапека), что робот — устройство достаточно универсальное, а клеточные наномеханизмы узкоспециализированы, предназначены для выполнения строго ограниченных операций. Более подходящим для клеточной машинерии будет термин
Надо полагать, что со временем в биологии будет все более активно использоваться инженерно-техническая терминология, адекватно отражающая суть внутриклеточной механики. Сегодня пока нет даже обобщающего термина для природных наноустройств. Будем далее, за неимением лучшего, называть их «природными наноавтоматами» (ПНА).
Все природные наноавтоматы представляют собой конструкции из одной или нескольких молекул белков и/или нуклеиновых кислот, самопроизвольно свернутых в сложные трехмерные структуры.
Рис. 2. Две проекции упрощенной модели рибосомы кишечной палочки. Она состоит из двух разделяемых субъединиц. Более светлым выделены белки, более темным — нуклеиновые кислоты. [
Именно благодаря своим пространственным формам молекулы-ПНА способны выполнять наномеханические действия — перемещаться в нужных направлениях и перемещать другие объекты, находить, разделять или соединять различные молекулы и т. д.
Свою определенную форму ПНА принимают благодаря явлению
