Molecula filiforma de ADN, care poate ajunge pâna la o lungime de 2 metri, este asemanatoare cu banda din masina pe care genialul matematician Alain Turing a proiectat-o în 1936 si care este considerata ca prototipul calculatorului modern, banda de-a lungul careia sunt înscrise datele si instructiunile lor de prelucrare.
ADN-ul, pe scurt
În cazul omului, datele si instructiunile sunt reprezentate de cele 23.000 de gene, care sunt însiruite de-a lungul moleculei filiforme de ADN. Pentru a avea de-a face cu o masina Turing, mai trebuia descoperit cititorul datelor, adica al genelor înscrise pe aceasta molecula filiforma de ADN, cititor care, putând alege de fiecare data genele corespunzatoare, sa poata construi organismul nostru. Care, dupa cum spunea Norbert Wiener, fondatorul ciberneticii, este „o insula de ordine si de organizare în universul entropic”.
Cititorul a fost descoperit ceva mai târziu decât banda de ADN si el este reprezentat de mecanismele epigenetice care controleaza functionarea genelor.
De aceea, toata povestea geneticii este, de fapt, povestea descoperirii masinii Turing care este ascunsa în complicata masinarie chimica a genomului.
Este important de remarcat faptul ca masina Turing, care este ignorata de geneticieni, este foarte atent studiata de matematicieni, care viseaza sa construiasca niste calculatoare bazate pe ADN, lucru pe care natura l-a facut înca de acum 3,8 miliarde de ani.
Revenind la structura moleculei de ADN, trebuie sa aratam ca, prin legarea între ele a unui numar foarte mare de nucleotide, se poate ajunge în cele din urma la o molecula filiforma care poate avea peste 2 metri lungime. Desi, dupa cum s-a constatat, 98% din ADN nu codifica proteine, totusi de-a lungul moleculei de ADN sunt însiruite cele 23.000 de gene care codifica cele 100.000 de tipuri de proteine din care este compus organismul uman.
În anul 1953, James Watson si Francis Crick au aratat ca molecula de ADN are o structura dublu helicoidala, adica este alcatuita din doua lanturi paralele în care adenina de pe un lant se leaga, prin intermediul unor legaturi slabe, cu timina, iar guanina cu citozina de pe lantul paralel.
Principala functie a ADN este aceea de a stoca si de a transmite informatia genetica de la o celula la alta, sau de la parinti la copii, deoarece ea este cea care indica modul în care sa se sintetizeze proteinele din care este constituit organismul nostru.
Proteinele sunt si ele tot niste molecule filiforme formate din însiruirea a câtorva zeci sau sute din cele 20 de tipuri de aminoacizi.
Unele proteine au rol structural, altele au rolul de enzime, adica de a cataliza diferitele reactii biochimice, altele au rolul de mesager chimic, asa cum se întâmpla în cazul mediatorilor sinaptici si al hormonilor, altele au rolul de a recunoaste si de a neutraliza diferitele substante straine, asa cum se întâmpla în cazul anticorpilor si asa mai departe.
Prin descoperirea codului genetic s-a demonstrat, de fapt, ca nu substanta, ci informatia pe care o aduce molecula de ADN reprezinta elementul cel mai important pentru construirea viitorului organism.
ADN nu este decât un fel de stafeta, care transmite informatia genetica, sau mai bine zis un fel de stick, care contine o mare cantitate de informatie.
Substanta din care este compusa molecula de ADN nu serveste decât ca mijloc de transmitere a informatiei genetice, iar apoi ca matrita pentru copierea informatiei genetice de pe ADN pe ARN, mesager care o va transporta la ribozomii din citoplasma, unde se sintetizeaza proteinele. Dar nici ARN nu este decât un mesager, dupa cum îi spune si numele, care, dupa ce a transmis informatia genetica corespunzatoare, va fi reciclat pentru a putea fi folosit pentru un nou transport.
Plecând de la cantitatea de informatie pe care o poate aduce un nucleotid, din cele 3 miliarde de nucelotide care formeaza molecula filiforma de ADN, pe care o primim noi de la parintii nostri, s-a ajuns la concluzia ca molecula de ADN poate aduce între 1 si 1,5 GB.
Pentru a aprecia mai bine discrepanta dintre infima cantitate de substanta si marea cantitate de informatie ar fi suficient sa aratam ca, pentru a scrie 1 GB de informatie pe hârtie ne-ar trebui aproximativ 4.000 de volume de câte 1.000 de pagini fiecare. Iar, pentru a transporta aceste volume în care este înscrisa informatia cuprinsa în cele 7 picograme de ADN, ne-ar trebui o camioneta plina cu carti!
Francis Collins, conducatorul uneia dintre cele doua echipe care au descifrat genomul uman, arata ca, pentru a citi fara întrerupere informatia adusa de cele 3 miliarde de nucleotide, ne-ar trebui peste 31 de ani.
De ce este nevoie de atâta informatie?
Informatia genetica este absolut necesara pentru ca viitorul organism traieste într-un mediu foarte variabil si de multe ori chiar foarte ostil, care este dominat de cel de-al doilea principiu al termodinamicii, care se opune ordinii si organizarii organismului respectiv. Cu cât mediul va fi mai variabil si mai ostil, cu atât viitorul organism va avea nevoie de mai multa informatie, pentru a putea sintetiza câte o proteina, câte o enzima sau câte un anticorp pentru fiecare situatie posibila.
De aceea, viitorul organism se va putea adapta la un mediu numai daca dispune de informatia genetica necesara.
Pentru a putea explica modul în care apar si se dezvolta sistemele vii caracterizate de un mare grad de ordine si de organizare, în pofida celui de-al doilea principiu al termodinamicii, unii cercetatori au aratat ca acesta se refera la sistemele închise, iar sistemele biologice sunt niste sisteme deschise, care îsi iau din mediul înconjurator substantele si energia de care au nevoie.
În acest sens, E. Schrodinger, laureat al premiului Nobel pentru fizica cuantica, a aratat ca sistemele biologice reusesc sa-si extraga ordinea din substantele pe care le ingera din mediul înconjurator, deoarece apa si dioxidul de carbon care rezulta dupa prelucrarea glucozei, spre exemplu, au o ordine mai mica decât glucoza ingerata.
Iar I. Prigoggine, laureat al premiului Nobel pentru lucrarile lui de termodinamica, a aratat ca sistemele biologice reusesc sa-si pastreze ordinea eliminând în mediul înconjurator dezordinea care apare în interiorul lor, asa încât dezordinea globala creste, respectându-se astfel cel de-al doilea principiu al termodinamicii.
Dar, pe lânga faptul ca sistemele vii au devenit niste sisteme deschise, care îsi iau din mediul înconjurator substantele si energia de care au nevoie, ele au apelat la o multime de mecanisme de reglare cu ajutorul carora reusesc sa se opuna celui de-al doilea principiu al termodinamicii.
Apelând la mecanismele de reglare, ele au trebuit sa apeleze si la informatie, deoarece informatia este cea care asigura eficacitatea proceselor de reglare.
Informatia este cea care indica, de fiecare data, mecanismelor de reglare cum trebuie sa foloseasca substanta si energia de care dispun pentru a-si putea pastra ordinea si organizarea caracteristica în pofida tendintelor perturbatoare ale mediului înconjurator. Apelând la informatie, care are alte legi de conservare si de transformare, sistemele biologice au reusit sa se sustraga, cel putin temporar, de sub jurisdictia celui de-al doilea principiu al termodinamicii, care se refera la energie.
Informatia genetica nu este suficienta!
Desi este absolut necesara, deoarece în ea este înscris programul viitorului organism, informatia genetica nu este suficienta, pentru ca noi traim într-un mediu foarte variabil si de multe ori chiar foarte ostil, în care deciziile trebuie adaptate de fiecare data variatiilor sau provocarilor respective.
Daca organismul nostru ar trai într-un mediu invariabil, în care nimic nu s-ar opune construirii si mentinerii lui, care reprezinta, dupa cum spunea Norbert Wiener, o insula de ordine si de organizare în universul entropic, atunci informatia genetica ar putea construi singura, în mod automat, proteinele pentru care a fost programata, pentru ca nimic nu s-ar opune acestui luru.
Dar sistemele vii au aparut si trebuie sa evolueze într-un mediu foarte variabil, în care genomul nu stie, de fiecare data, care anume din proteinele pentru care dispune de genele necesare, trebuie sintetizate pentru a face fata provocarilor respective.
În aceasta situatie informatia genetica nu mai este suficienta pentru construirea si întretinerea viitorului organism.
Pentru a putea sti ce proteine trebuie sa sintetizeze, pe lânga informatia genetica, sistemul mai avea nevoie si de informatiile generate de variatiile mediului înconjurator. Adica, pentru a putea face fata numeroaselor solicitari din mediu, sistemele biologice au acumulat o cantitate foarte mare de informatie genetica. Astfel ele au ajuns sa dispuna de foarte multe gene, care sa stocheze foarte multe informatii necesare sintezei proteinelor respective.
Dar, în situatia în care sistemul biologic dispunea de foarte multe gene pentru a putea face fata diferitelor provocari ale mediului înconjurator, era evident ca nu toate genele din genom trebuiau sa functioneze în permanenta. De aceea, pentru a sti ce gene trebuie sa actioneze în fiecare moment, sistemele vii mai aveau nevoie si de o informatie externa privind variatiile si provocarile mediului înconjurator.
Iar daca informatia genetica o primesc de la parintii lor, informatia din mediu o primesc prin intermediul organelor de simt, a alimentatiei, a antigenelor si a tuturor substantelor care ajung în organism si sunt sesizate de receptorii celulari care o transmit pâna la mecanismele epigenetice, care regleaza activitatea genelor.
Toate aceste informatii circula prin organism fie sub forma de informatie moleculara, fie sub forma de semnale nervoase si ajung pâna la nivelul tuturor celulelor, care le sesizeaza cu ajutorul receptorilor celulari si apoi le transmit prin intermediul unor mesageri secunzi pâna la nucleul celulei.
De aceea organismul este de fapt un extrem de complicat sistem de comunicatii.
Aparitia epigeneticii ca interfata între genom si mediu
Toata aceasta cantitate de informatie, mostenita de la parinti sau primita din mediul extern, trebuie gestionata foarte bine pentru ca celulele sa poata lua de fiecare data deciziile cele mai adecvate, adica sa aleaga genele cele mai adecvate pentru adaptare, sau chiar supravietuire, în conditiile foarte variabile si de multe ori chiar foarte ostile ale mediului înconjurator.
De aceea, peste mecanismele genetice a fost nevoie si de niste mecanisme epigenetice, care sa adapteze functionarea genelor conform provocarilor din mediul extern.
Astazi se vorbeste de o adevarata revolutie epigenetica. Dupa descrierea genomului uman, asistam la o adevarata explozie de lucrari care arata modul în care mecanismele epigenetice folosesc informatia genetica mostenita de la parintii nostri pentru a ne putea adapta cât mai bine la numeroasele provocari ale mediului înconjurator.
Genetica, prin numeroasele gene de care dispune, ofera sistemului o multime de posibilitati privind sinteza unor proteine care sa poata fi folosite la construirea fenotipului, sau a unor proteine care sa aiba rol enzimatic, sau a unor proteine care sa se lupte cu substantele straine care au patruns în organism, asa cum se întâmpla în cazul anticorpilor, sau a unor proteine care sa aiba rolul de transmitere a informatiilor prin sistem, asa cum se întâmpla în cazul hormonilor si asa mai departe.
În cazul omului, genetica ne ofera 23.000 de gene cu ajutorul carora organismul nostru ar putea sintetiza cele peste 100.000 de proteine. Dar el trebuie sa sintetizeze de fiecare data acele proteine care ar putea face fata provocarilor respective. Tocmai pentru a putea face aceasta alegere, a aparut epigenetica în calitate de interfata dintre genom si mediu.
Principala functie a epigeneticii este aceea de a activa sau de a inhiba anumite gene în functie de nevoi. Activarea si inhibarea diferitelor gene se poate face prin diferite mecanisme, asa cum ar fi metilarea sau demetilarea ADN si a histonelor de care sunt legate genele si asa mai departe. Prin metilare genele vor fi inhibate, iar prin demetilare ele vor fi activate.
Epigenetica a devenit astfel un fel de interfata dintre genom si mediu, stabilind de fiecare data ce gene trebuie sa intre în actiune pentru ca organismul sa poata face fata solicitarilor din momentul respectiv. Dar, pentru a-si putea îndeplini functiile lor, atât genetica, cât si epigenetica trebuie sa prelucreze o cantitate foarte mare de informatii. Este evident ca genetica lucreaza cu informatia genetica primita de la parintii nostri, iar epigenetica lucreaza cu informatia primita din mediu, prin intermediul receptorilor celulari.
De aceea, în spatele reactiilor biochimice, se desfasoara de fapt niste procese informationale extrem de complicate. Celula nu este numai o masinarie chimica foarte complicata, ci si un calculator biologic foarte complicat. Si anume o masina Turing epigenetica.
Nevoia de gestionare a informatiei
Genetica s-a ocupat mai ales de structura ADN, de nucleotidele din care este compusa molecula de ADN, de modul în care este copiata informatia genetica de pe ADN de catre ARN mesager, de modul în care se sintetizeaza proteinele si asa mai departe. Dar în spatele acestor reactii biochimice foarte complicate se afla de fapt informatia.
Dupa cum spunea Norbert Wiener, fondatorul ciberneticii, informatia nu este nici materie si nici energie.
Informatia reprezinta un alt aspect al realitatii, care are alte legi de conservare si de transformare.
Adica în timp ce substanta reprezinta masa sau volumul, iar energia reprezinta forta sau câmpul care intervin în desfasurarea fenomenelor, informatia reprezinta expresia ordinii si a organizarii, sau mai bine zis a noutatii pe care o reorganizare o poate aduce.
Aceasta noutate este indisolubil legata de substanta sau de energia care o genereaza si o transporta, asa cum se întâmpla si în cazul informatiei genetice care este indisolubil legata de ADN care o contine si o transporta.
Totusi, informatia nu poate fi confundata cu substanta sau cu energia care o contine, deoarece ca masura a noutatii ea poate trece foarte usor de pe un substrat pe altul.
Informatia a devenit astfel partea cea mai comunicabila a realitatii. Ea poate trece foarte usor de pe ADN pe ARN si de pe ARN pe proteine.
De aceea informatia nu poate fi confundata cu semnalul care o transporta, deoarece semnale diferite vor putea transmite informatii identice, asa cum se întâmpla în cazul informatiei genetice trecuta de pe ADN pe ARN si chiar pe proteine. Proteinele vor avea aceeasi informatie genetica din ADN, dar scrisa într-un alt cod.
Spre deosebire de substanta si de energie, informatia nu se pierde în momentul în care este emisa sau este copiata. Dimpotriva, informatia se multiplica proportional cu numarul de destinatari, asa cum se întâmpla în cazul diviziunii celulare prin intermediul careia informatia genetica se multiplica în functie de numarul de celule care au luat nastere si asa mai departe.
Aceasta înseamna ca, pe lânga procesele fizico-chimice, în genomul nostru trebuie sa se petreaca o multime de procese informationale, care se bazeaza pe alte legi de conservare si de transformare.
Genomul nostru este, de fapt, o masina informationala, un calculator biologic: mai exact, o masina Turing epigenetica.
Ce este o masina Turing?
Dupa cum se stie, genialul matematician Alain Turing a imaginat în 1936 o masina care a reprezentat, dupa cum arata foarte multi autori, prototipul calculatoarelor noastre de astazi. Dar se pare ca natura a construit cu mult înaintea noastra, înca de acum 3,8 miliarde de ani, adica de când a aparut viata pe Pamânt, niste masini Turing biologice foarte performante.
Cautând sa raspunda la întrebarea formulata de David Hilbert, daca se poate elabora un procedeu algoritmic care sa rezolve toate problemele matematicii, genialul matematician Alain Turing si-a imaginat o masina formata în esenta dintr-o banda, de-a lungul careia sunt înscrise datele si instructiunile necesare si un cititor care poate citi, accepta sau schimba, simbolurile respective, în functie de nevoi, pentru a-si atinge scopul propus.
Dar epigenomul, adica genomul împreuna cu mecanismele epigenetice, poate fi asemanat foarte bine cu o masina Turing. El este format, ca si masina Turing, din:
- o banda, reprezentata de molecula filiforma de ADN;
- un cititor, reprezentat de mecanismele epigentice care pot activa sau inhiba diferitele gene de pe molecula filiforma de ADN;
- din doua surse de informatie, una genetica, cuprinsa în molecula de ADN, respectiv una din mediul extern, reprezentata de receptorii celulari;
- un program genetic sau, mai bine zis, epigenetic.
Masina Turing epigenetica este formata deci din urmatoarele componente:
1) O banda formata din rubrici, sau din patratele, carora în genetica li se spune loci, adica niste portiuni din ADN, care contin un simbol dintr-un alfabet finit, sau gena, asa cum se întâmpla în cazul moleculei de ADN care este formata din succesiunea celor 3 miliarde de nucleotide si a celor peste 23.000 de gene, în care este înscrisa informatia genetica a viitorului organism.
Deoarece în mod normal genele primite de la parinti nu pot fi modificate în timpul vietii, ci doar activate sau inhibate în functie de nevoi, ele se vor nota cu 0 daca sunt inhibate sau cu 1 daca sunt activate.
2) Un cap de citire, care poate citi, accepta sau schimba simbolurile din celulele benzii respective, asa cum se întâmpla în cazul mecanismelor epigenetice, care pot activa sau inhiba diferitele gene.
3) Un registru de stocare a starilor masinii, care ar reprezenta memoria genetica a organismului.
4) Un repertoriu de actiuni, adica un program sinonim cu programul genetic, sau mai bine zis epigenetic, care îi spune masinii cum sa deplaseze capul si ce simbol, adica ce gene, sa accepte sau sa inhibe, pentru a putea atinge scopul propus si anume acela de a construi o insula de ordine si de organizare în universul entropic.
Programul dupa care functioneaza capul de citire, adica mecanismele epigenetice, reprezinta codul epigenetic, dupa care ele inhiba sau activeaza diferitele gene, în functie de provocarile mediului înconjurator.
Structura masinii Turing epigenetice
Prima corespondenta dintre masina Turing si genomul uman este reprezentata de faptul ca molecula de ADN, ca si masina Turing, este formata dintr-o banda foarte lunga, care poate atinge o lungime de 2 metri formata din succesiunea a peste 3 miliarde de nucleotide. Aceste nucleotide sunt de patru tipuri si anume doua tipuri de baze purinice, adenina si guanina, respectiv doua tipuri de baze pirimidinice, timina si citozina. Aceste 4 tipuri de nucleotide reprezinta de fapt literele alfabetului genetic, care are 4 litere, A, C, G si T.
S-a constatat ca, prin combinarea a câte trei nucleotide, se poate ajunge la o silaba, care a fost denumita codon deoarece fiecare combinatie de câte trei nucleotide codifica câte unul din cei 20 de aminoacizi care intra în compozitia proteinelor din care este format organismul uman. Iar însiruirea mai multor codoni va da nastere unei gene, sau unui cuvânt, care ar putea însemna insulina sau angiotensina.
Deoarece gena este unitatea functionala a organismului, care indica sinteza unor proteine cu rol structural, cu rol enzimatic, cu rol de antigen sau de transmitere a informatiilor, gena este cea care va fi citita, activata sau inhibata de cititorul reprezentat de factorii epigenetici.
Deci molecula de ADN este formata, ca si masina Turing, dintr-o înlantuire de gene, corespunzatoare rubricilor din masina Turing.
Dar cercetarile au aratat ca genele nu functioneaza simultan cu aceeasi intensitate. Dimpotriva, cu exceptia unor gene care asigura functionarea bazala a celulelor, majoritatea genelor sunt silentioase si nu intra în activitate decât atunci când este necesar. Asa spre exemplu, genomul nu va sintetiza lactoza decât atunci când organismul ingera lapte care contine lactoza. De aceea fiecare gena va fi notata cu 0 sau 1 în functie de starea de inhibitie sau de activitate a genei în momentul respectiv.
Pentru a face fata în timp util numeroaselor variatii ale mediului înconjurator, adica pentru a sintetiza în timp util numeroasele proteine de care organismul are nevoie, molecula de ADN a fost împartita în 46 de cromozomi, care pot functiona simultan ca niste masini Turing, sintetizând simultan foarte multe molecule de proteine.
Deci avem pe de o parte un mecanism genetic, reprezentat de succesiunea nucleotidelor în molecula de ADN, care codifica structura proteinelor din care este format organismul nostru. Iar pe de alta parte niste mecanisme epigenetice care primesc informatii din mediul extern si care indica modul în care aceste gene trebuie sa intre în actiune, în functie de conditiile extrem de variabile ale mediului înconjurator.
Asa se poate explica modul în care, pornind de la aceeasi informatie genetica, mecanismele epigenetice vor reusi sa ajunga, prin activarea anumitor gene si prin inhibarea altor gene din genomul pe care l-au primit de la parinti, la cele peste 200 de tipuri de celule din organismul nostru.
Organismul uman este un internet biologic!
Organismul uman este format din peste 100 de trilioane de celule, adica peste 100 de trilioane de masini Turing epigenetice.
Spre deosebire de calculatoarele electronice, cele 100 de trilioane de masini Turing epigenetice din care este compus organismul uman nu sunt identice între ele. Masina Turing din neuron nu este identica cu masina Turing din celula hepatica. Fiecare dintre ele are anumite functiuni.
De aceea, pentru a-si putea atinge scopul propus si anume acela de a construi si întretine un organism viu, caracterizat de un mare grad de ordine si de organizare, în universul entropic, cele peste 100 de trilioane de masini Turing epigenetice vor trebui sa comunice între ele. Astfel apare un internet biologic, care trebuie sa poarte un joc strategic cu mediul înconjurator. Dar despre asta vom vorbi cu alta ocazie.
