Полимеромика: метод секвенирования биополимеров и протобиополимеров с произвольной структурой кода. Часть I. Полимеромика семантид и эписемантид – путь к исследованию механизмов эволюции носителей кода

Авторы:
Градов О.В. , Крюковских В.В. , Орехов Ф.К.
Название:
Полимеромика: метод секвенирования биополимеров и протобиополимеров с произвольной структурой кода. Часть I. Полимеромика семантид и эписемантид – путь к исследованию механизмов эволюции носителей кода
Страницы:
246-265
скачано
21 раз(а)


Данный реферативный обзор публикуется по просьбе многих отечественных коллег, заинтересованных в продвижении «омиксных» подходов в биогеохимии высокомолекулярных соединений и представляет собой первое русскоязычное обзорное описание только что зарождающегося за рубежом подхода в химии и структурной аналитике биополимеров, получившего название «полимеромика»
История проблематики Развитие физического инструментария, предназначенного для определения последовательностей гетерополимеров, в частности - биополимеров, привело в начале XXI столетия к возможности полностью автоматизированного анализа и расшифровки последовательностей полимеров, в том числе - синтетических, в режиме реального времени. Методы масс-спектрометрического секвенирования пептидных и белковых структур, развивавшиеся с 1970-х гг. [Paz et al., 1970; Hudson and Biemann, 1976], как и методы масс-спектрометрического секвенирования нуклеиновых кислот, в том числе - с использованием стабильно-изотопных меток [Jacobson et al., 1991], развившиеся с начала 90-х гг., не являются узко-специализированными техниками, применимыми только к стандартным задачам молекулярной биологии в пределах стандартизированных протоколов протеомики, пептидомики и геномики. Возможно их использование в медицинской биомиметике, так как, пользуясь концептами QSPR (Quantitative Structure-Property Relationships) и напрямую выводимой из них номенклатурой QSPR (Quantitative Structure-Activity Relationships), можно использовать многие синтетические полимеры и композиты со свойствами биоподобия (biosimilarity) и биосовместимости (biocompatibility) в качестве «молекулярных протезов» для субституирования тех или иных функций, выполняющихся их прототипами при их нахождении в живом организме. Существенную роль при этом может иметь замещение информационных, кодовых функций последовательностей, которые могут быть ответственны за возникновение молекулярных цитопатологий [Osamura, 2009; Santos, 2013]. С позиций супрамолекулярной химии, комплементарные взаимодействия ведут к селективному распознаванию и координации рецептора и субстрата, а значит - их кодовому взаимодействию (даже если код состоит только из, как минимум, двух единиц, адекватных «приемнику» и «передатчику», хотя при координации в супрамолекулярной химии не всегда можно взаимно-однозначно опознать их, а функции ad hoc сопоставляются их размерам [Лен, 1998]) не только в случае известных в молекулярной генетике взаимодействий, но и в огромном множестве процессов как внутриклеточной локализации, так и при взаимодействии клетки со средой. Поэтому необходимо обеспечение возможности «секвенирования» любого типа биополимеров и их миметиков, а в перспективе - получение биомедицинского пула BC\BS-данных (биоподобие и биосовместимость) на основе «сиквенсов» и расшифровки (декодирования) структур подобного рода.  В 2014 году в журнале «Analytica Chimica Acta» в издательстве «Elsevier» была опубликована программная статья немецких авторов, описывавшая масс-спектрометрический подход к секвенированию произвольных полимеров [Altuntaş and Schubert, 2014] и название для соответствующей отрасли работ - полимеромика (polymeromics - по аналогии с genomics, proteomics, peptidomics и т.д.). Та статья, материалом для которой явились более ранние работы и диссертация одного из её авторов, защищенная в Йенском университете имени Фридриха Шиллера [Altuntaş, 2013], породила, вследствие кажущейся исследованности полимеров (на аддитивном уровне это так, в то время как общих для всех полимеров методов установления сиквенсов, последовательностей не существовало), множество дискуссий. Так, известный специалист с 25-летним опытом работы в области полимеров и их реологии на «аддитивном» уровне Джон Спевачек (США, Миннесота), представляющий как наиболее углубленный специалист в полимерной области характерный пример реакции на введение новых терминов и появление новых отраслей в последней, скептически оценивал полимеромику как неоправданное внедрение в физхимии тренда на «омиксный» подход, заимствованный из системной биологии [Spevacek, 2013].  Как заявлял Спевачек годом ранее [Spevacek, 2012], в случае появления полимерной «омики» на той же методологической основе должны быть введены также «термосетомика» (от «thermosetome»), «термопластикомика» (от «thermoplasticome», термопласт), «вискоэластикомика» (от «viscoelasticome», совокупность вязко-эластических и вязко-упругих свойств), «time-temperature superpositionome» (подмножество по критерию подобия температурно-временных кривых), «Mark-Houwink-Sakurada constantome» (по совокупности констант соответствующих уравнений, которые связывают характеристическую вязкость полимера в растворе и молекулярную массу этого полимера), а также «non-linear differential rotation modelome» (тоже от физической характеристики - «нелинейного дифференциального вращения») [Spevacek, 2012]. Однако здесь вполне очевидна ошибка или подмена понятий, так как все предложенные Дж. Спевачеком в качестве «научной иронии» термины никак не отвечают на вопрос о последовательности гетерополимера (как протеомика или геномика), то есть - о его информационном состоянии и, как следствие этого, - специфичности и кросс-совместимости (в частном случае - биосовместимости). Таким образом, критика «полимеромики» Дж. Спевачека является критикой его понимания «полимерома» как совокупности физических свойств, но не систем расположения последовательностей в гетерополимере.  Меж тем, ещё в 2013 году на II секции семинара «Немецкого полимерного института» (Dutch Polymer Institute) по синтезу и секвенированию наноструктур и фармакополимеров, проводившегося под эгидой Йенского центра по анализу частично упорядоченных сред (Jena Center for Soft Matter), был озвучен доклад «Polymeromics - sequencing synthetic polymers» [Böcker, 2013], в котором упор был сделан на применимость полимеромики к секвенированию фармакофоров и структур с потенциальным сродством или совместимостью к биологическим средам - как носителей фармакологических и иных биомедицинских агентов. Ранее разными авторами уже был продемонстрирован комплекс методов, имеющих отношение к получению данных о супрамолекулярной структуре и последовательности для многих молекулярно-биохимических задач; их видеопротоколы доступны всем подписчикам «Journal of Visualized Experiments» (JoVE) на странице аннотации этой программной статьи по масс-спектрометрической полимеромике [Altuntaş and Schubert, 2014], по ссылке http://www.jove.com/visualize/abstract/24370093/polymeromics-mass-spectrometry-based-strategies-polymer-science. Кроме того, близость и «миметичность» техник стандартного de novo секвенирования, в том числе - новейших, эффективно работающих в режиме реального времени [Ma, 2015], и техник de novo секвенирования синтетических и абиогенных полимеров, представленных авторами процитированной работы [Altuntaş and Schubert, 2014] на 6-м Международном Симпозиуме по разделению и методам измерения характеристик натуральных и синтетических макромолекул (6th International Symposium on the Separation and Characterization of Natural and Synthetic Macromolecules) в Институте полимеров им. Лейбница (Leibniz-Institut für Polymerforschung) в Дрездене [Altuntaş and Schubert, 2013] не вызывает сомнений в рациональности предложенного ими подхода и в применимости его для медицинских задач, требующих биосовместимых полимерных материалов / полимерных носителей. Следует отметить, что применимость данного подхода к синтетическим полимерам была продемонстрирована ранее в работах [Altuntaş et al., 2013 {a,b}], являющихся до настоящего момента первичными источниками информации по методам масс-спектрометрического секвенирования искусственных полимеров в рамках полимеромного концепта, причем во второй работе [Altuntaş et al., 2013 {b}] применялись в целом не свойственные нативным биологическим условиям методы синтеза / полимеризации, такие как контролируемая радикальная полимеризация. Тем не менее, вследствие очевидной аналогии к биологическому секвенированию, это не помешало представлению концепта полимеромики как метода полимерного масс-спектрометрического секвенирования [Altuntaş and Schubert, 2014] на библиографическом семинаре по биоинформатике («Currents in Bioinformatics») в Йенском Университете им. Фридриха Шиллера (Friedrich-Schiller-Universität Jena, Fakultät für Mathematik und Informatik) 05.11.2013 под модерированием (seminarleiter) Kerstin Scheubert (http://bio.informatik.uni-jena.de/lehre/winter-1314/currents-in-bioinformatics/).  Действительно, с точки зрения биоинформатики и дискретной математики химизм последовательностей не имеет значения или может быть инвариантен в пределах применимости метода его изучения, каковым в данном случае явилось полимеромное секвенирование [Altuntaş and Schubert, 2014; Altuntaş et al., 2013 {a,b}].   Полимеромика семантид и эписемантид Главным и необходимым инструментом получения сиквенса в технологиях полимеромики является масс-спектрометрия. На графических схемах принципа полимеромного анализа, приведенных в работах [Altuntaş et al., 2013 {a,b}], указываются 3 способа ионизации ESI - электроспрей, APCI - химическая ионизация при атмосферном давлении, MALDI - матрично-активированная лазерная десорбция / ионизация; в качестве масс-спектрометрической техники указывается MS/MS - тандемная масс-спектрометрия, а решающей стадией является обработка сигнала и данных и data mining, которые в комплексе обозначены как «Evaluation by software». На выходе это обобщается подписью «POLYMEROMICS», что говорит об уровне общедоступности последней для владельцев масс-спектрометрической техники, указанной в схеме (надо сказать, что в ЕС и США масс-спектрометры с такого рода системами ионизации являются рутинными приборами) .  Перечисленные в списке масс-спектрометрические техники являются классическими и для масс-спектрометрического секвенирования: электроспрей как для полипептидов, так и для полинуклеотидов [Ren et al., 2009; Sharma et al., 2012; Wang et al., 2014; Li et al., 2015; Quemener et al., 2015], MALDI - как для «семантид», ДНК [Fitzgerald et al., 1993; Shaler et al., 1995; Monforte and Becker, 1997; Taranenko et al., 1998; Kirpekar et al., 1998; Fu et al., 1998; Edwards et al., 2005; Qui et al., 2012; Mao et al., 2013; Stepanov and Trifonova, 2013; Chen et al., 2013], так и для «эписемантид» полипептидной структуры [Cottrell et al., 1997; Mo et al., 1997; Reiber et al., 1998; Keough, 1999, 2003; Nakagawa et al., 2000; Hettick et al., 2001; Zhang et al., 2003; Salih, 2003; Marekov and Steinert, 2003; Demine et al., 2004; Morgan et al., 2005; Noga et al., 2006; Boersema et al., 2009; Song and Kim, 2012] (формально пептидное и нуклеотидное секвенирование, с аппаратных позиций, для масс-спектрометра эквивалентны [Owens et al., 1997]), химическая ионизация также используется в ряде методов масс-спектрометрического секвенирования (как правило, пептидов) [Mudgett, 1977; Somuramasami and Kenttämaa, 2007].  В связи с этим, становится возможным распространение методов полимеромики и секвенирования синтетических / абиогенных полимеров на широкое множество полимеров, для которых, в силу специфики их биологического использования и селективного взаимодействия с образ-распознающими биогенными системами, последовательность конкретного образца является существенной. Например, на практике, в иммунологии образ-распознающих рецепторов разнообразие форм / структур, с которыми имеет место супрамолекулярное взаимодействие [Meylan et al., 2006; Altenbach and Robatzek, 2007; Lata and Raghava, 2008; Zipfel, 2008; Doster et al., 2008; Kumagai and Akira, 2010; Zhang et al., 2010], явственно указывает на очевидную небесполезность секвенирования не только рецепторов, но и многих субстратов (в терминах супрамолекулярной химии).  С другой стороны, очевидно, что неорганические полифосфаты и аналогичные им гетерополимерные биогенные структуры, в том числе - с чередованием ионов в звеньях цепи (в живых существах полифосфаты наличествуют в виде солей тех или иных ионов металлов), также могут рассматриваться как секвенируемые по принципам полимеромики гетерополимеров системы. Таким образом, граница между органическими и неорганическими полимерами в биологическом ключе снимается полимеромикой. Наличие сильной русской научной школы в области неорганических полифосфатов [Kulaev and Afanasieva, 1969; Kulaev, 1975; Kulaev et al., 1999; Kulaev and Kulakovskaya, 2000; Vagabov et al., 2000, 2008; Lichko et al., 2006; Kulakovskaya et al., 2010; Tomaschevsky et al., 2010; Andreeva et al., 2013, 2014; Kulakovskaya and Kulaev, 2013] позволяет надеяться на реализуемость в условиях России полимеромного подхода к неорганическим структурам.  Имея в руках не семантические (не геномные) или вообще неорганические полимерные сиквенсы, мы сможем говорить о абиогенном или неорганическом секвеноме и, в более отдаленной перспективе, об абиогенной и неорганической секвеномике, что сделает реализуемой задачу исследования абиогенеза кода на органической полимерной основе путем темплатирования на минеральных или искусственных модельных неорганических кристаллических темплатах [Cairns-Smith, 1966, 1977; Cairns-Smith et al., 1972; Holm et al., 1992; Pontes-Buarque et al., 2000; Bullard et al., 2007]. Впервые появляющаяся технологическая возможность решения данной задачи, остро стоящей с 1960-х гг. [Cairns-Smith, 1966], но частично верифицированной только в 2000-х [Pontes-Buarque et al., 2000; Bullard et al., 2007], обусловлена, в частности, примененимостью средств масс-спектрометрии и аналогов стандартной «секвеномики» [Hodgson, 1999; Dorey, 2001; Bradić et al., 2011], физически подобных широко используемым iPLEX / MassARRAY [Gabriel and Ziaugra, 2004; Alcalde et al., 2008; Buggs et al, 2010; Allegue et al., 2010; Lambros et al., 2011; Johansen et al., 2013; Syrims et al., 2013; Trembizky, 2014] (разработанных «Sequenom Inc.» [Cullinan and Cantor, 2008; Cantor, 2012]), в масс-спектрометрическом анализе гетерополимерных структур, отличных от ДНК, РНК и ксенонуклеиновых кислот.  Возникает возможность определения путей дивергенции эписемантид от семантид в молекулярной филогенетике и палеогенетике криптозойского эона (хэдий / азой / преархей / приской), начиная с катархея.  Более того, возможность использования внешних источников ионизации, адекватных энергетическим воздействиям, имевшим место в абиогенетических условиях на первичных этапах предбиологической молекулярной эволюции, автоматически приводит к воспроизведению не технологически-стандартных форм МС-ионизации / МС-десорбции, а конкретных имевших место в нативных условиях, что приводит к формированию весьма характерных для исследуемых условий многозарядных ионов. Вполне возможно, что это могло выступать как один из критериев предбиологического молекулярного отбора. С точки зрения дифференциации семантид и эписемантид в молекулярной филогенетике, рационально исследование методами сиквенс-полимеромики не только полинуклеотидных, но и других потенциальных носителей кода раннего периода молекулярной эволюции.  Рассмотрим последовательно применимость масс-спектрометрических методов в полимеромике эписемантид, сделав косвенный акцент на независимой от химизма носителя (т.е. его формального отнесения к семнатидам или эписемантидам) возможности масс-спектрометрической расшифровки биополимерных, биомакромолекулярных кодов.  Так, например, пользуясь техническими средствами ДНК-секвенирования (в частности - масс-спектрометрического) можно картировать гликомные профили биогенных и абиогенных (биосинтетических и биомиметических) образцов [Laroy et al., 2006]. В общем случае задача полимеромного секвенирования подобных структур может быть генерализована до уровня идентификации и стереохимической сепарации углеводов (в том числе - сложных [Valent et al., 1980]) с использованием инструментария, методов и программных средств секвенирования, как правило - с масс-спектрометрическим детектированием [Nagy and Pohl, 2015].  Действительно, основная часть методов олигосахаридного секвенирования является, по существу, методами масс-спектрометрического анализа, включая:  тандемную масс-спектрометрию [Morelle and Michalski, 2004] (которая применяется для секвенирования и не углеводов, но и их производных, никак не относящихся к генетически-кодирующим элементам, пример чего представляет секвенирование множества липоолигосахаридов [Banoub et al., 2004]);  многостадийное масс-спектрометрическое секвенирование по разным протоколам, представляющим собой, во многих случаях алгоритм аппаратного управления для автоматизированных лабораторных систем [Minamisawa et al., 2006];  секвенирование олигосахаридов с использованием лазерной десорбции-ионизации [Küster et al., 1996; Garozzo, 1997; Spina et al, 2000] (в двух первых цитируемых работах использовался времяпролетный масс-спектрометр; при этом может быть использовано квадрупольное ортогональное ускорение [Hanrahan, 2001]; намного более эффективны в диапазоне больших масс технологии масс-спектрометриии с преобразованием Фурье [Cancilla et al., 1998], например - FT-ICR), в случае инфракрасного диапазона - многофотонной [Pikulski et al., 2007];  секвенирование гетероолигосахаридов, в частности - гетерохитоолигосахаридов, в том числе извлеченных из сложных / сложноразрешимых смесей, с использованием масс-спектрометрии с лазерной десорбцией-ионизацией [Haebel et al, 2007] (это же применимо и к обычным олигосахаридам, в том числе - извлекаемым методами хроматографии [Küster et al., 1997]);  масс-спектрометрия с электроспрей-ионизацией [Thomsson et al., 2000] (в т.ч. - «наноэлектроспрей»), в том числе - в гибридизации с танемной масс-спектрометрией и хроматографией [Thomson et al., 2000; Saad and Leary, 2005];  HPLC-MS [Volpi and Linhardt, 2010; Thanawiroon et al., 2004], в том числе - инверсно-фазная при газофазном секвенировании с использованием методов GONE [Chen and Flinn, 2009], и TLC-MS [Stoll et al., 1990];  спектроскопия ионной подвижности [Schenauer et al., 2009];  определение последовательностей на базе алгоритмов для определения топологии олигосахаридных структур, в частности - по данным тандемной МС [Lapadula et al., 2005] и глубоой аналитики по базам данных [Ashline et al., 2005]. Методы предварительного разделения смесей могут быть различными: как хроматография и электрофорез, в том числе капиллярный (работающие обычно и без масс-спектрометрии как средство полимеромики полисахаридов либо их производных [Prime et al., 1996; Guttman and Ulfeder, 1997; Rudd et al., 2002; Lamari et al., 2002; Mourier and Viskov, 2004]). Указанные методы совместимы с произвольными реагентными реализациями секвенирования, кроме немногих исключительных случаев (см. например, о применимости реагентных методов и техник [Edge et al., 1992; Mizuochi, 1993; Guillaumie, 2005]). Комплементарными дескрипторами для масс-спектрометрических техник секвенирования полисахаридов являются данные магниторезонансных и флуоресцентных методов [Dabrowski et al., 1989; Lee et al., 1991; Drummond et al, 2001], поэтому можно верифицировать результаты данных методов техниками масс-спектрометрии и, наоборот, данные масс-спектрометрического секвенирования, если таковые являются первичными, можно качественно контролировать по флуоресцентным и магниторезонансным методам.  Следует отметить, что все эти методы применимы не только для олигосахаридов, но и для полисахаридов и связанных с ними супрамолекулярных структур. По существу, метод секвенирования таких структур является методом сепарации, а не только микроаналитики биологических сред. Например, более двадцати лет является канонической терминология формата «sequencing of X from Y», которое означает не только источник секвенируемого в рамках данного метода предмета исследования, но и необходимость сепарации Х от иных частей Y, когда Y является также биоорганической надмолекулярной структурой (пример: «sensitive sequencing of oligosaccharides from glycoproteins» [Rudd and Dwek, 1997], где, с семантической или синтаксической точки зрения, можно распознать «секвенирование фрагментов из целого» сопровождающееся отделением их от этого «целого»). Технологии «гетерополимерного» секвенирования представляют, в целом, особый интерес, в то время как количественные (не сопровождающиеся существенным отличием по денотируемым параметрам, которые фиксируются вышеуказанными методами) эффекты не являются критериальными, так как в основе методов олигосахаридного [Rudd et al., 1997], полисахаридного [Mischnik, 2000] и сложно-полисахаридного [Venkataraman et al., 1999] секвенирования лежит один и тот же физико-химический базис, имплементируемый с использованием стандартных проктоколов и аппаратных средств ДНК-секвенирования [Callewaert et al., 2001] и, более того, методы секвенирования ДНК являются частным случаем и производным от общих методов секвенирования олигосахаридов / углеводов и их производных вообще [Jay et al., 1974].  Количество либо номенклатура компонент в рамках данной совокупности приёмов не имеет существенного значения (например - тетрасахариды [Lorences and Fry, 1994, 1995], гексасахариды [Laine, 1994] и т.д. как количественный дескриптор; олигосахариды разного состава и происхождения как «номенклатурный» или качественный дескриптор: разветвленные олигосахариды - продукты физико-химической деградации гликозилированной альдозы [Jäger et al., 1991], секвенирование дрожжевого маннана и иных натуральных продуктов, широко распространенное с 1970-х гг. [Rosenfeld and Ballou, 1975], секвенирование либо расширенный анализ олигосахаридов желез с использованием экзогликозидаз и лектинов [Menghi and Materazzi, 1994]; секвенирование октасахаридных либо декасахаридных последовательностей хондроитинсульфата Е кальмара для определения эпитопной структуры моноклональных антител [Deepa et al., 2007] как пример и количественного, и качественного различия аналитов). В некотором смысле, только учет структуры последовательностей может вывести гликобиологию и возникщую на её основе гликомику из «аддитивного кризиса», определяемого сведением разных форм сахаров и их производных, экстрагируемых из биологических образцов, как максимум, к кластерам, соответствующим их химической классификации либо биологической активности в целом. Поэтому, в некоторой мере, справедливым является выражение Мэя, что сахара / углеводы и т.д. внесены в биологическую науку целиком только с возникновением секвенирования полисахаридов и т.д. [May, 2002]. Исходя из данных автоматизированного библиографического анализа, можно сделать вывод, что при подборе объектов исследования различные авторы придерживаются подбора утилитарно-полезных, широко распространенных в природе или легко синтезируемых в лаборатории углеводов и гликозаминогликанов / мукополисазаридов (являющихся как полисахаридами, так и углеводной частью сложных белков (протеидов или холопротеинов) - протеогликанов): например, наиболее широко распространенным соединением секвенирования в биомедицинской «полимеромике» (хотя на ранних этапах подобных исследований данное название не существовало) является гепарин и, отчасти, его производные и эквиваленты, в частности - гепарансульфат [Ferreira et al., 1993; Tersariori et al., 1994; Turnbull et al., 1999; Nugent et al., 2000; Shriver et al., 2000; Turnbull, 2001; Huang et al., 2013]. Другими распространенными системами в полимеромном секвенировании некодирующих биомолекулярных последовательностей - эписемантид - являются аминосахар хитозан, получаемый из хитина путем удаления ацила, а также собственно хитин и альгинаты, извлекаемые из морепродуктов [Hamer et al., 2014; Aarstad et al., 2012].  Говоря о нахождении секвенируемой структуры в биологической матрице, следует, с точки зрения полимеромики, учитывать не только эффект последовательности звеньев на конформацию секвенируемого полимера, но также и взаимодействие цитоплазматической матрицы с последним, определяемое сольватацией, гидрофобностью, полярностью, что в ряде случае ведет к отбору возможных в данном локусе последовательностей кода [Patel et al., 2008]. На данный момент известно, что молекулярная структура и реология / микрогидродинамика в матрицах для секвенирования, в т.ч. - немонотонных (блок-сополимерных) существенно влияет на результаты и эффективность секвенирования [Sudor et al., 2001]. Гидрофобные линкеры могут, как показано методами масс-спектрометрии, существенно изменять эффективность техник секвенирования высокой специфичности и ресельной чувствительности [Paulick et al., 2006] (one-bead-one-compound). Необходимо учитывать эффекты сополимеризации и ответственные за них молекулярные агенты, фиксируемые масс-спектрометрически [Cerda et al., 2002]. На ультраструктурном уровне при экспрессии в фенотипе в норме и при патологии эти эффекты дают качественно отличный результат, поэтому должны учитываться и на фазовом уровне при рассмотрении механизмов их действия во взаимодействиях семантид со средой и эписемантид со средой и в оценке эффективности и квалиметрической цены и эвристической ценности результата секвенирования [Gradov, 2014; Krukowskikh and Gradov, 2014] эписемантид в данной среде. Это касается не исключительно напрямую кодируемых семантидами полимеромных последовательностей (т.е. - полипептидов и их производных [Carr et al., 1980; Estenne-Bouhtou et al., 1996; Shevchenko et al., 1996; Hoffmann et al., 2002; Kim et al., 2009], анализируемых путём МС-секвенирования), но и регулируемых, в том числе - аллостерически, полимеромных структур. Тектонное секвенирование  при дифференцируемых синтонах Учет регуляции нековалентными взаимодействиями относится к новому направлению потенциальных «полимеромных» исследований: секвенированию координационных / супрамолекулярных структур, формирующихся из тектонов (элементов последовательности или многомерной сети) посредством синтонов (взаимодействий, приводящих к формированию конкретного данного сиквенса) - в том числе с учетом фазовых эффектов среды, влияющих как конкурентные и «шумовые» синтоны на эффективность самосборки и информационную цену / емкость формирующейся последовательности (её «нестохастичность»). Иными словами, возникает возможность перевести полимеромику эписемантид в среде из состояния частично-абстрагированного изучения олигомолекулярной химии (супермолекул / нековалентно-связанных ансамблей из нескольких компонент, по определению Цивадзе) к изучению «полимолекулярной супрамолекулярной химии» - химии супрамолекулярных ансамблей / асссоциатов большого числа компонент (по тому же опредедению), участвующих не только в кодировании, но и в экспрессии в целом, включая аллостерическую и иную опосредованную / многостадийную регуляцию. В каком-то смысле, с точки зрения биофизической химии и физико-химической биологии, более важным является не «тектонное» / «молекулярно-тектоническое», а «синтонное секвенировние», так как силами, определяющими характер взаимодействия в цитоплазме, определяется намного более статистически значимые, на молекулярном и аддитивно-фазовом уровне, события [Gradov, 2016].  Необходимо сказать, что, с молекулярно-геометрической точки зрения, это не является нестандартным направлением, не вытекающим из традиционных в молекулярной и физико-химической биологии направлений. Например: методы секвенирования и тонкой кристаллографии и субмикроаналитики, относящиеся к расшифровке ДНК, в том числе - трехспиральной [Westin et al., 1995; Barone et al., 1998; Chin and Schleifman, 2007; Wan et al., 2009; Papadakis et al., 2009; Wang et al., 2016] и квадруплексной (хорошо формирующей металлокомплексы [Gama et al., 2016], связывающейся с неканоническими основаниями [Virgillo et al., 2005], фрагментами нуклеиновых кислот отличной «спиральности» [Ban et al., 1994] и белковыми компонентами [Kim et al., 2012], что требует учета всего окружения, а не только комплементарно связывающихся кодовых фрагментов), могут быть применены соответственно для триплексных и квадруплексных (4-спиральных) геликоидальных структур в компетенции молекулярной тектоники [Jouaiti et al., 2003; Grosshans et al., 2003; Lin et al., 2010]. Учет всего окружения на пределах длин, определяемых энергией межмолекулярных взаимодействий - синтонов возможен в рамках супрамолекулярной тектоники как для семантид, так и для эписемантид. В строгом смысле слова, полипептиды, аминокислотные последовательности которых сопрягаются синтонами, могут рассматриваться в качестве тектонов, но на более высоком уровне организации фаз белки в целом также могут рассматриваться как тектоны [Ashmead et al., 2015], образуя гели и микрофазы / псевдофазы [Nishimura et al., 2016]. Этот подход действует как для биомакромолекул in vivo, так и для супрамолекулярной и макромолекулярной кристаллографии iv vitro [Marinescu et al., 2013] - на разных масштабах порядка (как ближнего, так и дальнего) / периодичности [Liu et al., 2009]. Необходимо и достаточно отметить, что, несмотря на то, что кодирование информации в цепи тектонов семантид одномерно (что можно анализировать методами тектоники с пониженной размерностью [Ranganathan et al., 2007] - вне зависимости от того, как в трехмерном пространстве ориентирован скелет молекулы), микрофазовый анализ производится в трехмерном пространстве с учетом неориентированных / неориентируемых агентов процесса - в частности ионов металлов [Moon et al., 2004], неизбежно находящихся вокруг геликоидальных структур в более-менее нативных условиях (общеизвестен факт, что, по существу, работая с клеточной ДНК, мы работаем с её солями, в частном случае - натриевыми; в противном случае конформация изменяется вплоть до невозможности выполнения прямых функций носителя). В таких случаях «молекулярной тектоники сложных сетей» [Hosseini, 2005] принято говорить о металлотектонах [Larpent et al., 2014; Xu et al., 2015; Zigon et al., 2015] и, в частных случаях реализации металлотектонных интеркаляций в плотных сетях, сопряженных с формированием множественных металлорганических соединений на принципах нековалентных взаимодействий, о формировании металлорганических двухмерных сетей и трехмерных решеток [Du et al., 2007; El Garah et al., 2014].  Положительным моментом «супрамолекулярно-кристаллографического» и «решеточно-металлорганического» подходов является возможность перехода к решению проблемы кристаллического темплатирования первичных семантид и металлокаталитического анализа формирования кода и дифференциации типов семантид и эписемантид друг от друга (с учётом конформационных параметров и их управляемости металлами), а также - т.н. «перехода от металлопротеинов к металлокаталитическим нуклеиновым кислотам» [Bertini et al., 2007]. Иными словами, только благодаря молекулярной тектонике создается принципиальная возможность комплексного (с учетом металлотектонов, хемособрции, кинетики и динамики конформационных изменений, органоминерального и инверсного к нему металлорганического катализа) решения проблемы происхождения кода и дифференциации его носителей от среды (с сохранением оптимальных типов их взаимодействий в среде), темплатированием на минеральных / неорганических кристаллических темплатах [Cairns-Smith, 1966, 1977; Cairns-Smith et al., 1972; Holm et al., 1992; Pontes-Buarque et al., 2000; Bullard et al., 2007]. Действительно - в рамках концепции CAG (crystals as genes) было бы нелепо игнорировать как химизм CAG, так и их кристаллографическую структуру, поэтому в технологии инжиниринга кристаллов в рамках кристаллографической тектоники [Thalladi et al., 1996; Marinescu et al., 2013], взятой за основу рассмотрения «genogenesis»-a в узком смысле слова (sensu stricto), нет ничего экстраординарного. Рационален базис стратегий молекулярной тектоники в кристаллографической инженерии [Wuest, 2005] и для конкурентного материаловедения, когда две или более фаз, формируясь в синергизме под действием благоприятствующих формированию каждой из них условий, начинают конкурировать и сепарироваться в различные ниши молекулярной эволюции (в случае клетки / протоклетки - компартменты, впоследствии - органеллы), поэтому учет конкурентных отношений синтонов в кристаллографическом инжиниринге [Haynes et al., 2004] является, на практике, подходом к определению путей пространственной фазовой дифференциации в процессах генезиса первичного «полимеромного» кода (произвольного состава) и, как следствие, дифференциации «полимеромных» семантид от эписемантид. Если рассматривать этот процесс в динамике распространения поля синтонов в самоорганизующейся среде на поверхности матрицы и в окрестности, то силы / энергии взаимодействия (кДж/моль) будут определять как скорость движения / распространения поля синтонов (как при самораспространяющемся синтезе, его аналогах [Munir, 1988; Munir and Anselmi-Tamburini, 1989; Subrahmanyam and Vijayakumar, 1992; Merzhanov, 2004; Mossino, 2004]), так и соответствующую, в целом, данным скоростям распространения микрофазовую или псевдофазовую сепарацию семантид от эписемантид (в супрамолекулярной химии достаточно широко известны и распространены факты конкуренции в системах типа гость-хозяин в ходе распространения синтонов с разной характеристической длиной связи и «пропагативной способностью» [Białońska and Ciunik, 2011]).  Генезис кода и дивергенция семантид и эписемантид могут быть поняты в рамках полимеромики как сепарация секвенируемых биомакромолекул в ходе их инициального функционирования и воспроизведения в совместной фазе (как само-, аналогично аналогам ПЦР в предбиологической эволюции [Varfolomeev, 2007], так и кросс- - в процессах, предшествовавших становлению экспрессии). Такое понимание позволяет по-новому взглянуть на известные факты, ранее не совмещавшиеся вместе, но дававшие основание для отдельных несовместимых гипотез / концепций происхождения предбиологических супрамолекулярных и автономных фазовых структур. Так например, известно, что разными авторами предлагались кардинально разные «миры» как генетически-кодирующих, так и некодирующих полимеров: «мир РНК» и pre-RNA world [Larralde et al., 1995; Lazcano and Miller, 1996], DNA-RNA world [Burton and Lehman, 2009], TNA- и GNA- and TNA world [Yang et al., 2007; Yu et al., 2012], sugar world [Weber, 1997, 2001], RNA-protein world [Gordon, 1995; Altman, 2013; de Silva, 2015], DNA-protein world [Robertson and Miller, 1995; Bussière and Perreault, 1995; Tyagi, 1996; Melendez-Hevia, 2009], GADV-protein world [Oba et al., 2005; Ikehara, 2005, 2014] (с самореплицирующимися белками [Ikehara, 2009]), собственно «protein world» и «protein interaction world» [Andras and Andras, 2005; Caetano-Anolles et al., 2009 Chernoff, 2011; Cordes and Stewart, 2012; Finkelstein et al., 2016] и т.д. - не говоря о гибридных мирах и мирах микромолекул, подвижных сурфактантов и прекурсоров (см.: GNC-SNS-world [Ikehara et al. 2001], HCN world [Matthews, 2005] и «lipid world» [Segre, 2001; Fernandez et al., 2016] и т.д., и т.п.). Очевидно, что каждый из данных миров представляет собой одну или две компоненты той или иной протоклеточной модели, но не модель в целом. Учитывая, что методы МС-полимеромного анализа позволяют идентифицировать весь набор структур, указанных выше, а примеры полимеромного секвенирования, перечисленные в более ранней части настоящей работы, включают в себя углеводы / сахара и их производные (для sugar world), нуклеиновые кислоты (для RNA world и других XNA world), полипептиды и белки (для protein world и protein interaction world), гибридные структуры (холопротеины и протеиды), очевидно, что «полимером» протоклетки и доклеточных стадий молекулярной эволюции может достаточно адекватно и комплексно исследоваться эксклюзивно методами полимеромики с позиционной чувствительностью и субпроекцией структурно-функциональных отношений на множества соответствующих реакций в пространстве и времени (в кинетике и динамике биологических процессов) [Orehov, Gradov, 2015, 2016].  Хотелось бы обратить внимание на то, что, в отличие от секвенирования и дешифровки стандартных информационных макромолекул генетического кода, в случае неканонических оснований нуклеиновых кислот [Eschenmoser, 1999] и нестандартных полимеромных последовательностей, невозможно ограничиться только получением сиквенса [Murray, 1996; Köster et al., 1996; Chou et al., 1996], как это было принято ранее, но требуется более глубокая диагностика системы, в том числе - на предмет выполнения полимеромной последовательностью тех или иных регулирующих функций, не сопряженных напрямую с алгоритмикой прочтения сиквенса, но влияющих опосредованно - через конформационные и иные эффекты. Соответственно, необходимо учитывать данные вращательной и колебательной спектроскопии, ядерно-магнитных измерений [Dabrowski, 1989], селективного изотопного или магнито-изотопного мечения [Градов, Панкратов, 2016], спектрально-флуоресцентного декодирования циклических кодов цепей [Orehov, Gradov, 2014] (по аналогии с подходами [Lee at al., 1991; Barone et al., 1998; Drummond et al., 2001], колориметрические спектрозональные измерения в реальном времени [Орехов и др., 2016] и т.д.; иными словами, необходимо в любом секвенировании неопознанных последовательностей и декодировании (с метками или без меток либо с латентными метками, не визуализируемыми для индикации в визуальном диапазоне) заведомо не пурифицированных структур - в случае in vivo / in situ измерений - использовать расширенные технологии с выдачей заведомо большего количества данных (включая контрольные и кросс-методические) и комплементарных дескрипторов, аналогично тому, как в 1980-е гг. использовалось мультиспектральное мультиплексное ДНК-секвенирование [Yang, Yovan, 1983] до внедрения общепринятых протоколов с однозначными и автоматически-интерпретируемыми дексрипторами в результате. Если говорить о взятой в качестве примера потребности в наиболее полном использовании на практике всех преимуществ полимеромики задаче исследования генезиса кода в предбиологической молекулярной эволюции, то, учитывая, что характер кодов и репликаторов не влияет на решение общей задачи кодирования экспрессии в биоматематических моделях происхождения генетических систем [Ratner et al., 1996], в целях моделирования эффектов темплатирования кода на минеральных неорганических кристаллических матрицах при абиогенезе кода [Cairns-Smith, 1966, 1977; Cairns-Smith et al., 1972; Holm et al., 1992; Pontes-Buarque et al., 2000; Bullard et al., 2007], следует рассматривать возможности исследования на технических средствах полимеромики и методами расшифровки полимеромных последовательностей регулярных свойств соответствующих минералогических темплатов [Градов, Градова, 2016]. Потребность секвенирования минеральных «примордиальных матриц» может быть реализована только посредством всего комплекса структурно-аналитических техник супрамолекулярной тектоники (о которой говорилось выше), в особенности - адаптированных для инжиниринга кристаллов и анализа явлений самосборки на подложках [Thalladi et al., 1996; Haynes et al., 2004; Wuest J.D., 2005; Marinescu et al., 2013], определяющих как свойства одномерного («линейного») темплатирования / кодирования, так и их трансляцию в двумерном (планарном) плоскостном варианте [Surin et al., 2007; Ehrhart et al., 2010]. Таким образом, полимеромика выступает здесь как раздел и субординированная дисциплина молекулярной тектоники и супрамолекулярной химии (не олигомолекулярной, но, явно, полимолекулярной, по цитированному выше определению).  Комплексное рассмотрение «надмолекулярной тектоники» полимеромных кодов далее не входит в задачи текущей части обзора, поэтому, позиционируя необходимость сопряжения множества методов для множества объектов / кодов («полимеромов») и следующее из этого сведение полимеромных технологий не к единому универсальному прототипу, но к мульти-омиксному характеру всего процесса расшифровки совокупности потенциальных последовательностей или кодов в целом, мы выносим этот предмет за рамки настоящего материала в ч. II, которая планируется к выходу в 2017 г.
Заказ
Оформите заказ, наш сотрудник свяжется с вами для уточнения деталей.
Ваша заявка успешно отправлена!
Необходимо принять условия соглашения
Вы заполнили не все обязательные поля
Произошла ошибка, попробуйте ещё раз

Обратный звонок
Представьтесь, мы вам перезвоним.
Ваша заявка успешно отправлена!
Необходимо принять условия соглашения
Вы заполнили не все обязательные поля
Произошла ошибка, попробуйте ещё раз