ОСТАННІЙ ПОДКАСТ
Підписуйся на найнауковішу розсилку!
І отримуй щотижневі новини науки і технологій

    Ми під'їдаємо крихти cookies за вами. Навіщо це нам?

    Читати

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Повідомлення успішно надіслано

    Для пошуку
    введіть назву запису

    «… ДНК просто є. І ми танцюємо під її музику» 

    Річард Докінз

    Біологія — 24.11.20
    ТЕКСТ: Анастасія Кирієнко
    Ілюстрації: Каталіна Маєвська
    Ми любимо тексти без помилок. Якщо ви все ж таки щось знайшли, виділіть фрагмент і натисніть
    Ctrl+Enter.
    Музика в нашій ДНК

    Багато хто з нас любить музику і має власні музичні вподобання. Ми проймаємося музикою з дитинства, з першої колискової. Однак музика завжди була в нас всередині, в генах. Музика – це і є життя.

    ДНК любить трійцю

     

    У біології складність життя починається з конкретного порядку азотистих основАзотисті основи – це органічні сполуки, які входять до складу нуклеїнових кислот у вигляді структурного елементу нуклеотидів. аденіну (А), цитозину (Ц), гуаніну (Г) та тиміну (Т) у дволанцюговій спіралі ДНК. Азотисті основи входять до складу нуклеотидівНуклеотиди – складові нуклеїнової кислоти, які складаються з пентози, азотистої основи та залишку фосфорної кислоти. Нуклеотиди формують ген, який кодує певну ознаку. Саме конкретний порядок нуклеотидів із певними азотистими основами і визначає ті ознаки, які відрізняють людину від моркви. 

     

    Щоб ми отримали ці відмінності, ген повинен працювати, або ж експресуватися. Це відбувається завдяки транскрипції – «зчитуванні» відповідного білка з гену. Дволанцюгова спіраль ДНК розплітається в певному місці, і на одному із ланцюгів, як на матриці, починає синтезуватись послідовність РНК. РНК також складається з нуклеотидів. Їхні азотисті основи здатні формувати пари А–Т (або У – урацил в РНК), Г–Ц, і навпаки. Це і дозволяє синтезувати ланцюг РНК на матриці ДНК.

     

    Після цього ланцюг РНК проходить спеціальне «дозрівання»: з РНК видаляються «порожні» ділянки (ті, які не кодують білок). Коли РНК готова до роботи, вона об’єднується у комплекс із органелами клітини, які називаються рибосоми. Тоді починається синтез білка. В ДНК та РНК нуклеотиди групуються по три, наче літери в слова, формуючи кодониКодон – це одиниця генетичного коду, яка складається з трьох нуклеотидів, розташованих поряд в ланцюзі ДНК чи РНК., або триплети. Кожен кодон відповідає одній з амінокислот, з яких у нашому організмі «будуються» всі білки. З послідовності кодонів в РНК зчитується послідовність амінокислот відповідного білка. Наприклад, три аденіни поспіль (кодон ААА) сприяють утворенню амінокислоти лізину. Загалом існує 64 комбінації триплетів молекул РНК, але є лише 20 амінокислот, адже на деякі триплети припадає одна і та сама амінокислота. Також існують кодони «старт» і «стоп». Вони позначають місця, де починається і закінчується синтез. Амінокислоти слугують будівельним матеріалом для білків, які своєю структурою та роботою і визначають ті відмінності, які відрізняють один організм від іншого.

     

    Тож в генетичному коді записані послідовності білків. Водночас генетичний код має певні властивості: послідовно розміщені три нуклеотиди кодують одну з 20 амінокислот, а одну і ту саму амінокислоту можуть кодувати кілька різних кодонів. Та однією із найважливіших властивостей залишається універсальність генетичного коду. Це означає, що генетичний код є однаковим для різних видів живих організмів. 

     

    Тож основою всього біорізноманіття є лише комбінації з 4 літер: А, Т, Г та Ц. Деяким вченим спало на думку, що триплетному коду можна присвоїти свою ноту і почути, як звучить життя в прямому сенсі.

    Музика в наших генах

     

    Білкова музика (ДНК- або генетична музика) – це підхід, який дозволяє перевести амінокислотні або нуклеотидні послідовності в музичні ноти. Вперше ідею щодо білкової музики висловив Джоель Штернгаймер, французький фізик, композитор і математик. Вперше про білкову музику написали британці Росс Кінґ та Колін Анґусс у 1996 році. Перший – науковець із Лабораторії біомолекулярного моделювання, а другий – представник британського музичного гурту The Shamen. Вони показали підхід для аналізу амінокислотної послідовності білка за допомогою аудіаціїАудіація – оцінка звуку подібно до того, як відбувається співвідношення уяви з образом.. У своїй моделі вони пропонують позначати кожен кодон певною музичною нотою і відтворювати їх в такт у порядку послідовності нуклеотидів. 

     

    Разом вони створили програму ProteinMusic для Java. Програму написали мовою C на Apple Mac і з’єднали із синтезатором. На той час для запуску програми вимагалося спеціалізоване музичне програмне забезпечення та музичні інструменти. Однак нова версія ProteinMusic може працювати на будь-якому стандартному персональному комп’ютері. Свого часу Росс Кінґ зазначив, що ідея програми проілюструвати складність і красу структури білків. 

     

    Згодом, на початку 2000-х років, французький композитор Річард Крулл перетворив послідовності ДНК на ноти. Кожній букві він довільно присвоїв по одній з восьми нот шкали до-ре-мі. Тимін, наприклад, став ре, аденін – ля тощо.

     

    Частота звуку вимірюється в герцах. Її можна розглядати як кількість коливань на секунду. Людське вухо здатне сприймати частоту звуку в діапазоні від 16 Гц до 20 000 Гц.  Зміни частот призводять до змін висоти тону, завдяки чому нота звучить високо або низько. Що вища частота, то вища висота тону. Подібно до того, як комбінації нуклеотидів утворюють амінокислоти в кодуючій області ДНК, певні комбінації частот утворюють мелодії та гармонії, які є важливими елементами музики. 

     

    Мелодії – це центральні теми в музиці, на яких засновані твори. Вони є послідовностями нот, які найбільше впізнаються у творі. Гармонії – це поєднання декількох частот, що відтворюються одночасно. Звичайно, є багато елементів біології, які є «гармонійними», наприклад, робота декількох систем органів, які створюють «оркестр» організму.

    Коронавірусна мелодія

     

    Цього року за допомогою підходу білкової музики вчені з’ясували, як «звучать» молекули білків коронавірусу (послухати можна тут). За допомогою техніки соніфікаціїСоніфікація – процес перетворення немовних даних на звук., дослідники з Массачусетського технологічного інституту присвоїли кожній амінокислоті унікальну ноту в музичній шкалі, перетворюючи весь білок на музичну партитуру. 

     

    Новий формат допоможе вченим знаходити місця, з якими можуть зв’язуватися антитіла або ліки. За допомогою спеціальних програм для біоінформатичного аналізу та моделювання може відбуватись пошук конкретних музичних послідовностей інших соніфікованих молекул, які відповідають цим місцям зв’язування. Це, на думку дослідників, швидше та інтуїтивніше, ніж звичайні методи, що використовуються для вивчення білків. Подібний підхід стосується послідовностей і амінокислот, і нуклеотидів. Так, наприклад повторивши шаблон послідовності ДНК в аудіоформаті, можна «почути» неочевидні під час інших досліджень мутації в послідовності генів. Ці аудіофайли можна сприймати на слух або порівнювати й аналізувати детальніше за допомогою програмного забезпечення.

    Музичний альбом у ДНК

     

    Найдосконалішим носієм будь-якої інформації є саме молекула ДНК. Щоб продемонструвати це, у 2017 році дослідники із біотехнологічної компанії Twist Bioscience спільно з Вашингтонським університетом, корпорацією Microsoft та проєктом Montreux Jazz Digital зберегли перші історичні аудіозаписи на цих молекулах, а потім відтворили їх із 100% точністю. 

     

    Першими музичними творами, закодованими в послідовності ДНК, стали «Smoke on the Water» Deep Purple та «Tutu» Майлза Девіса. Їх додали до Архіву пам’яті світу ЮНЕСКО – колекції аудіо- та візуальних творів культурного значення. 

     

    У цифровій формі ці музичні твори разом займають близько 140 МБ на жорсткому диску. Натомість, у вигляді ДНК вони набагато менші, ніж піщинка.

     

    Якби всю музику від Montreux Jazz Digital Project, а це шість петабайт цифрових даних (це еквівалент шести мільйонів гігабайт), зберегти в ДНК, то вона з легкістю поміститься на зерні рису.

     

    Зберігання та отримання файлів з ДНК починається з цифрового файлу. Дослідники перетворили двійковий код 1 і 0 на генетичний. Наприклад, 00 можна перетворити на A, 10 – на Ц, 01 – на Г, а 11 – на T. Потім вони зробили синтетичні сегменти ДНК, поєднавши усі А, Ц, Т і Г у послідовностях, що відповідали двійковому коду. Кожен короткий сегмент містить близько 12 байт даних, а також порядковий номер, щоб вказати місце розташування конкретних даних у загальному файлі ДНК. Таким чином, музичний файл спочатку «розібрали» на двійковий код, який «переписали» у відповідну послідовність нуклеотидів, розташованих в потрібному порядку.

     

    Далі застосували звичайну технологію секвенуванняСеквенування – встановлення послідовності нуклеотидних основ в ДНК: аденіну, гуаніну, цитозину та тиміну. ДНК, щоб переконатися, що азотисті основи були в правильному порядку. Нарешті, дослідники декодували усі А, Ц, Т та Г і перетворили їх назад на цифрові значення 1 і 0, щоб дані могли відтворюватися, як сучасний музичний файл. Так з нуклеотидної послідовності А, Т, Ц та Г дослідники отримали розшифрований музичний файл.

     

    Варто зауважити, що копіювання файлів ДНК відбувається так само, як зазвичай копіюється ДНК, за допомогою методу полімеразної ланцюгової реакції (ПЛР)Полімеразна ланцюгова реакція (ПЛР) – метод, який дозволяє в штучних умовах збільшити кількість певного фрагменту ДНК (умовно кажучи розмножити його, збільшити число копій).. 

     

    Експеримент показав, що ДНК забезпечує не лише максимальну компактизацію інформації, а й надійність її збереження. Щоб надовго архівувати файли ДНК, дослідники використовують підхід інкапсуляції молекул ДНК у частинки кремнезему. Так інформація, закодована в буквеному коді ДНК, може зберігатися тисячі років. Крім того, ДНК може зберігатись у ліофілізованому («осушеному») стані за низької температури. Ліофілізація передбачає видалення зайвих молекул води із потрібної речовини, наприклад, із ДНК. Так інформація може зберігатися сотні років, адже «ДНК-запис» не може так сильно застаріти і зноситися, як касетні стрічки, компакт-диски чи навіть жорсткі диски комп’ютера.

     

    Ця стратегія зберігання працює, однак вона потребує високотехнологічного лабораторного обладнання, тому недоступна для широкого кола. Однак, як і у випадку з усіма новими технологіями, її вартість буде знижуватися, оскільки відбуватиметься вдосконалення техніки. Тому ймовірно, що з часом вона стане більш поширеною. І можливо, через цілі сторіччя наші далекі нащадки прослухають ДНК запис «Як тебе не любити, Києве мій». 

    ТЕКСТ: Анастасія Кирієнко
    Ілюстрації: Каталіна Маєвська
    Посилання
    Статті
    Промо
    Проєкт інтелект. Воєнний сезон. Епізод 5: NFT та Україна

    Чи можна написати «Проєкт інтелект» на гривні й продати за мільйони доларів як NFT?

    Людина
    Від батька до сина: що таке генеалогія і як досліджувати свій рід

    Що таке ДНК-генеалогія і як далеко кожний з нас може просунутися у вивченні свого роду?

    Наука
    Екологічно чиста отрута: уривок з книжки «Зоологічна екскурсія супермаркетом»

    Чому краще утриматися від «дикого» промислу морепродуктів, особливо у водоймах, де цвіте вода?

    Наука
    Передумови приходу диктаторів до влади: Італія, Німеччина, РФ

    Що стало передумовами приходу диктаторів до влади на прикладі фашистської Італії, нацистської Німеччини та путінської росії? Розповідає співавтор і ведучий каналу «Історія Без Міфів» Владлен Мараєв.

    Людина
    Як кожен з нас може подякувати військовим і допомогти їм з адаптацією

    Як змінюється світосприйняття військових і що ми можемо зробити, аби висловити їм вдячність і допомогти в адаптації до мирного життя?

    Біологія
    Не тільки в історії. Який слід залишить війна в наших генах

    Як війни, голод та важкі психологічні травми залишають слід у геномі людини й чи можемо ми на це якось повпливати?