Молекулярные машины и место физики в биологическом образовании
Автор, молекулярный биолог, обнаружил в программе бакалавриата по молекулярной биологии требование о прохождении 5-кредитного курса физики на последнем курсе, после изучения основных биологических дисциплин. Это вызвало вопрос о целесообразности такого требования.
Размышляя, автор пришёл к выводу, что понимание физики критически важно для молекулярного понимания биологических систем, но не той «макроскопической» физики, которую обычно преподают. Традиционные курсы физики и химии часто служат «ритуалом посвящения», отталкивающим студентов от биологии из-за кажущейся нерелевантности.
Поводом к размышлениям послужила технология секвенирования Oxford Nanopore MinION. Устройство определяет последовательность ДНК/РНК, когда одиночная нить проходит через нанопору. Разные основания (A, C, T, G) по-разному перекрывают пору, что изменяет ионный ток, который можно измерить. Понимание этого процесса требует знания:
- Физики молекулярных столкновений и переноса энергии.
- Того, как белки и мембраны регулируют движение ионов.
- Влияния химических градиентов и электрических полей на мембране на движение молекул.
Эти физические концепции широко значимы для биологических систем. На молекулярном уровне процессы стохастичны (случайны), хотя и направляются полями и градиентами. Понимание стохастичности важно для осознания фенотипических различий у клеток с одинаковым генотипом.
Автор рассматривает примеры молекулярных машин:
- «Копьеметальная» машина у патогенной бактерии Vibrio cholerae (система секреции VI типа). Она подобна пружинной ловушке и впрыскивает токсины в соседние клетки. Её сборка запасает потенциальную энергию за счёт термодинамически выгодных реакций (например, гидролиза ATP).
- Сократимые филаменты (пили IV типа) у бактерий. Их сокращение позволяет клетке двигаться с огромной силой (в 10 000 раз больше её веса) или импортировать ДНК (горизонтальный перенос генов). Другие филаменты могут вращаться, как пропеллер.
- Машина для импорта ДНК у Vibrio cholerae. Двухцепочечная ДНК проходит через внешнюю мембрану, цепи разделяются, и одна цепь через канальный белок поступает в цитоплазму.
Ценность концепции молекулярных машин в образовании — в демистификации работы биологических систем. Физика в биологическом курсе важна, поскольку утверждает ключевую premise: организмы управляются не «витальными» силами, а прозаическими физико-химическими.
При этом многие программы по молекулярной биологии не включают в обязательные курсы эволюционные механизмы (мутации, дупликации генов), хотя именно они объясняют возникновение новых структур.
Ключевой итоговый тезис: Хотя биологические системы используют молекулярные машины, мы (организмы) — НЕ машины. Наше поведение и чувства возникают из взаимодействия генетически запрограммированных, стохастических неравновесных систем, модифицированных эволюционными, средовыми, социальными и непредсказуемыми событиями на протяжении ~3.5 миллиардов лет. Мы — нечто большее, чем просто машины.