Molecula filiformă de ADN, care poate ajunge până la o lungime de 2 metri, este asemănătoare cu banda din mașina pe care genialul matematician Alain Turing a proiectat-o în 1936 și care este considerată ca prototipul calculatorului modern, bandă de-a lungul căreia sunt înscrise datele și instrucțiunile lor de prelucrare.
ADN-ul, pe scurt
În cazul omului, datele și instrucțiunile sunt reprezentate de cele 23.000 de gene, care sunt înșiruite de-a lungul moleculei filiforme de ADN. Pentru a avea de-a face cu o mașină Turing, mai trebuia descoperit cititorul datelor, adică al genelor înscrise pe această moleculă filiformă de ADN, cititor care, putând alege de fiecare dată genele corespunzătoare, să poată construi organismul nostru. Care, după cum spunea Norbert Wiener, fondatorul ciberneticii, este „o insulă de ordine și de organizare în universul entropic”.
Cititorul a fost descoperit ceva mai târziu decât banda de ADN și el este reprezentat de mecanismele epigenetice care controlează funcționarea genelor. De aceea, toată povestea geneticii este, de fapt, povestea descoperirii mașinii Turing care este ascunsă în complicata mașinărie chimică a genomului. Este important de remarcat faptul că mașina Turing, care este ignorată de geneticieni, este foarte atent studiată de matematicieni, care visează să construiască niște calculatoare bazate pe ADN, lucru pe care natura l-a făcut încă de acum 3,8 miliarde de ani.
Revenind la structura moleculei de ADN, trebuie să arătăm că, prin legarea între ele a unui număr foarte mare de nucleotide, se poate ajunge în cele din urmă la o moleculă filiformă care poate avea peste 2 metri lungime. Deși, după cum s-a constatat, 98% din ADN nu codifică proteine, totuși de-a lungul moleculei de ADN sunt înșiruite cele 23.000 de gene care codifică cele 100.000 de tipuri de proteine din care este compus organismul uman.
În anul 1953, James Watson și Francis Crick au arătat că molecula de ADN are o structură dublu helicoidală, adică este alcătuită din două lanțuri paralele în care adenina de pe un lanț se leagă, prin intermediul unor legături slabe, cu timina, iar guanina cu citozina de pe lanțul paralel. Principala funcție a ADN este aceea de a stoca și de a transmite informația genetică de la o celulă la alta, sau de la părinți la copii, deoarece ea este cea care indică modul în care să se sintetizeze proteinele din care este constituit organismul nostru.
Proteinele sunt și ele tot niște molecule filiforme formate din înșiruirea a câtorva zeci sau sute din cele 20 de tipuri de aminoacizi. Unele proteine au rol structural, altele au rolul de enzime, adică de a cataliza diferitele reacții biochimice, altele au rolul de mesager chimic, așa cum se întâmplă în cazul mediatorilor sinaptici și al hormonilor, altele au rolul de a recunoaște și de a neutraliza diferitele substanțe străine, așa cum se întâmplă în cazul anticorpilor și așa mai departe.
Prin descoperirea codului genetic s-a demonstrat, de fapt, că nu substanța, ci informația pe care o aduce molecula de ADN reprezintă elementul cel mai important pentru construirea viitorului organism. ADN nu este decât un fel de ștafetă, care transmite informația genetică, sau mai bine zis un fel de stick, care conține o mare cantitate de informație.
Substanța din care este compusă molecula de ADN nu servește decât ca mijloc de transmitere a informației genetice, iar apoi ca matriță pentru copierea informației genetice de pe ADN pe ARN, mesager care o va transporta la ribozomii din citoplasmă, unde se sintetizează proteinele. Dar nici ARN nu este decât un mesager, după cum îi spune și numele, care, după ce a transmis informația genetică corespunzătoare, va fi reciclat pentru a putea fi folosit pentru un nou transport.
Plecând de la cantitatea de informație pe care o poate aduce un nucleotid, din cele 3 miliarde de nucelotide care formează molecula filiformă de ADN, pe care o primim noi de la părinții noștri, s-a ajuns la concluzia că molecula de ADN poate aduce între 1 și 1,5 GB.
Pentru a aprecia mai bine discrepanța dintre infima cantitate de substanță și marea cantitate de informație ar fi suficient să arătăm că, pentru a scrie 1 GB de informație 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 înscrisă informația cuprinsă în cele 7 picograme de ADN, ne-ar trebui o camionetă plină cu cărți!
Francis Collins, conducătorul uneia dintre cele două echipe care au descifrat genomul uman, arată că, pentru a citi fără întrerupere informația adusă de cele 3 miliarde de nucleotide, ne-ar trebui peste 31 de ani.
De ce este nevoie de atâta informație?
Informația genetică este absolut necesară pentru că viitorul organism trăiește într-un mediu foarte variabil și de multe ori chiar foarte ostil, care este dominat de cel de-al doilea principiu al termodinamicii, care se opune ordinii și organizării organismului respectiv. Cu cât mediul va fi mai variabil și mai ostil, cu atât viitorul organism va avea nevoie de mai multă informație, pentru a putea sintetiza câte o proteină, câte o enzimă sau câte un anticorp pentru fiecare situație posibilă.
De aceea, viitorul organism se va putea adapta la un mediu numai dacă dispune de informația genetică necesară.
Pentru a putea explica modul în care apar și se dezvoltă sistemele vii caracterizate de un mare grad de ordine și de organizare, în pofida celui de-al doilea principiu al termodinamicii, unii cercetători au arătat că acesta se referă la sistemele închise, iar sistemele biologice sunt niște sisteme deschise, care își iau din mediul înconjurător substanțele și energia de care au nevoie.
În acest sens, E. Schrodinger, laureat al premiului Nobel pentru fizică cuantică, a arătat că sistemele biologice reușesc să-și extragă ordinea din substanțele pe care le ingeră din mediul înconjurător, deoarece apa și dioxidul de carbon care rezultă după prelucrarea glucozei, spre exemplu, au o ordine mai mică decât glucoza ingerată.
Iar I. Prigoggine, laureat al premiului Nobel pentru lucrările lui de termodinamică, a arătat că sistemele biologice reușesc să-și păstreze ordinea eliminând în mediul înconjurător dezordinea care apare în interiorul lor, așa încât dezordinea globală crește, respectându-se astfel cel de-al doilea principiu al termodinamicii.
Dar, pe lângă faptul că sistemele vii au devenit niște sisteme deschise, care își iau din mediul înconjurător substanțele și energia de care au nevoie, ele au apelat la o mulțime de mecanisme de reglare cu ajutorul cărora reușesc să se opună celui de-al doilea principiu al termodinamicii. Apelând la mecanismele de reglare, ele au trebuit să apeleze și la informație, deoarece informația este cea care asigură eficacitatea proceselor de reglare.
Informația este cea care indică, de fiecare dată, mecanismelor de reglare cum trebuie să folosească substanța și energia de care dispun pentru a-și putea păstra ordinea și organizarea caracteristică în pofida tendințelor perturbatoare ale mediului înconjurător. Apelând la informație, care are alte legi de conservare și de transformare, sistemele biologice au reușit să se sustragă, cel puțin temporar, de sub jurisdicția celui de-al doilea principiu al termodinamicii, care se referă la energie.
Informația genetică nu este suficientă!
Deși este absolut necesară, deoarece în ea este înscris programul viitorului organism, informația genetică nu este suficientă, pentru că noi trăim într-un mediu foarte variabil și de multe ori chiar foarte ostil, în care deciziile trebuie adaptate de fiecare dată variațiilor sau provocărilor respective.
Dacă organismul nostru ar trăi într-un mediu invariabil, în care nimic nu s-ar opune construirii și menținerii lui, care reprezintă, după cum spunea Norbert Wiener, o insulă de ordine și de organizare în universul entropic, atunci informația genetică ar putea construi singură, în mod automat, proteinele pentru care a fost programată, pentru că nimic nu s-ar opune acestui luru.
Dar sistemele vii au apărut și trebuie să evolueze într-un mediu foarte variabil, în care genomul nu știe, de fiecare dată, care anume din proteinele pentru care dispune de genele necesare, trebuie sintetizate pentru a face față provocărilor respective. În această situație informația genetică nu mai este suficientă pentru construirea și întreținerea viitorului organism.
Pentru a putea ști ce proteine trebuie să sintetizeze, pe lângă informația genetică, sistemul mai avea nevoie și de informațiile generate de variațiile mediului înconjurător. Adică, pentru a putea face față numeroaselor solicitări din mediu, sistemele biologice au acumulat o cantitate foarte mare de informație genetică. Astfel ele au ajuns să dispună de foarte multe gene, care să stocheze foarte multe informații necesare sintezei proteinelor respective.
Dar, în situația în care sistemul biologic dispunea de foarte multe gene pentru a putea face față diferitelor provocări ale mediului înconjurător, era evident că nu toate genele din genom trebuiau să funcționeze în permanență. De aceea, pentru a ști ce gene trebuie să acționeze în fiecare moment, sistemele vii mai aveau nevoie și de o informație externă privind variațiile și provocările mediului înconjurător.
Iar dacă informația genetică o primesc de la părinții lor, informația din mediu o primesc prin intermediul organelor de simț, a alimentației, a antigenelor și a tuturor substanțelor care ajung în organism și sunt sesizate de receptorii celulari care o transmit până la mecanismele epigenetice, care reglează activitatea genelor.
Toate aceste informații circulă prin organism fie sub formă de informație moleculară, fie sub formă de semnale nervoase și ajung până la nivelul tuturor celulelor, care le sesizează cu ajutorul receptorilor celulari și apoi le transmit prin intermediul unor mesageri secunzi până la nucleul celulei.
De aceea organismul este de fapt un extrem de complicat sistem de comunicații.
Apariția epigeneticii ca interfață între genom și mediu
Toată această cantitate de informație, moștenită de la părinți sau primită din mediul extern, trebuie gestionată foarte bine pentru ca celulele să poată lua de fiecare dată deciziile cele mai adecvate, adică să aleagă genele cele mai adecvate pentru adaptare, sau chiar supraviețuire, în condițiile foarte variabile și de multe ori chiar foarte ostile ale mediului înconjurător.
De aceea, peste mecanismele genetice a fost nevoie și de niște mecanisme epigenetice, care să adapteze funcționarea genelor conform provocărilor din mediul extern. Iar astăzi se vorbește de o adevărată revoluție epigenetică. După descrierea genomului uman, asistăm la o adevărată explozie de lucrări care arată modul în care mecanismele epigenetice folosesc informația genetică moștenită de la părinții noștri pentru a ne putea adapta cât mai bine la numeroasele provocări ale mediului înconjurător.
Genetica, prin numeroasele gene de care dispune, oferă sistemului o mulțime de posibilități privind sinteza unor proteine care să poată fi folosite la construirea fenotipului, sau a unor proteine care să aibă rol enzimatic, sau a unor proteine care să se lupte cu substanțele străine care au pătruns în organism, așa cum se întâmplă în cazul anticorpilor, sau a unor proteine care să aibă rolul de transmitere a informațiilor prin sistem, așa cum se întâmplă în cazul hormonilor și așa mai departe.
În cazul omului, genetica ne oferă 23.000 de gene cu ajutorul cărora organismul nostru ar putea sintetiza cele peste 100.000 de proteine. Dar el trebuie să sintetizeze de fiecare dată acele proteine care ar putea face față provocărilor respective. Tocmai pentru a putea face această alegere, a apărut epigenetica în calitate de interfață dintre genom și mediu.
Principala funcție a epigeneticii este aceea de a activa sau de a inhiba anumite gene în funcție de nevoi. Activarea și inhibarea diferitelor gene se poate face prin diferite mecanisme, așa cum ar fi metilarea sau demetilarea ADN și a histonelor de care sunt legate genele și așa mai departe. Prin metilare genele vor fi inhibate, iar prin demetilare ele vor fi activate.
Epigenetica a devenit astfel un fel de interfață dintre genom și mediu, stabilind de fiecare dată ce gene trebuie să intre în acțiune pentru ca organismul să poată face față solicitărilor din momentul respectiv. Dar, pentru a-și putea îndeplini funcțiile lor, atât genetica, cât și epigenetica trebuie să prelucreze o cantitate foarte mare de informații. Este evident că genetica lucrează cu informația genetică primită de la părinții noștri, iar epigenetica lucrează cu informația primită din mediu, prin intermediul receptorilor celulari.
De aceea, în spatele reacțiilor biochimice, se desfășoară de fapt niște procese informaționale extrem de complicate. Celula nu este numai o mașinărie chimică foarte complicată, ci și un calculator biologic foarte complicat. Și anume o mașină Turing epigenetică.
Nevoia de gestionare a informației
Genetica s-a ocupat mai ales de structura ADN, de nucleotidele din care este compusă molecula de ADN, de modul în care este copiată informația genetică de pe ADN de către ARN mesager, de modul în care se sintetizează proteinele și așa mai departe. Dar în spatele acestor reacții biochimice foarte complicate se află de fapt informația.
Iar, după cum spunea Norbert Wiener, fondatorul ciberneticii, informația nu este nici materie și nici energie. Informația reprezintă un alt aspect al realității, care are alte legi de conservare și de transformare. Adică în timp ce substanța reprezintă masa sau volumul, iar energia reprezintă forța sau câmpul care intervin în desfășurarea fenomenelor, informația reprezintă expresia ordinii și a organizării, sau mai bine zis a noutății pe care o reorganizare o poate aduce.
Această noutate este indisolubil legată de substanța sau de energia care o generează și o transportă, așa cum se întâmplă și în cazul informației genetice care este indisolubil legată de ADN care o conține și o transportă. Totuși, informația nu poate fi confundată cu substanța sau cu energia care o conține, deoarece ca măsură a noutății ea poate trece foarte ușor de pe un substrat pe altul.
Informația a devenit astfel partea cea mai comunicabilă a realității. Ea poate trece foarte ușor de pe ADN pe ARN și de pe ARN pe proteine. De aceea informația nu poate fi confundată cu semnalul care o transportă, deoarece semnale diferite vor putea transmite informații identice, așa cum se întâmplă în cazul informației genetice trecută de pe ADN pe ARN și chiar pe proteine. Proteinele vor avea aceeași informație genetică din ADN, dar scrisă într-un alt cod.
Spre deosebire de substanță și de energie, informația nu se pierde în momentul în care este emisă sau este copiată. Dimpotrivă, informația se multiplică proporțional cu numărul de destinatari, așa cum se întâmplă în cazul diviziunii celulare prin intermediul căreia informația genetică se multiplică în funcție de numărul de celule care au luat naștere și așa mai departe.
Aceasta înseamnă că, pe lângă procesele fizico-chimice, în genomul nostru trebuie să se petreacă o mulțime de procese informaționale, care se bazează pe alte legi de conservare și de transformare. Genomul nostru este, de fapt, o mașină informațională, un calculator biologic: mai exact, o mașină Turing epigenetică.
Ce este o mașină Turing?
După cum se știe, genialul matematician Alain Turing a imaginat în 1936 o mașină care a reprezentat, după cum arată foarte mulți autori, prototipul calculatoarelor noastre de astăzi. Dar se pare că natura a construit cu mult înaintea noastră, încă de acum 3,8 miliarde de ani, adică de când a apărut viața pe pământ, niște mașini Turing biologice foarte performante.
Căutând să răspundă la întrebarea formulată de David Hilbert, dacă se poate elabora un procedeu algoritmic care să rezolve toate problemele matematicii, genialul matematician Alain Turing și-a imaginat o mașină formată în esență dintr-o bandă, de-a lungul căreia sunt înscrise datele și instrucțiunile necesare și un cititor care poate citi, accepta sau schimba, simbolurile respective, în funcție de nevoi, pentru a-și atinge scopul propus.
Dar epigenomul, adică genomul împreună cu mecanismele epigenetice, poate fi asemănat foarte bine cu o mașină Turing. El este format, ca și mașina Turing, din:
- o bandă, reprezentată de molecula filiformă de ADN;
- un cititor, reprezentat de mecanismele epigentice care pot activa sau inhiba diferitele gene de pe molecula filiformă de ADN;
- din două surse de informație, una genetică, cuprinsă în molecula de ADN, respectiv una din mediul extern, reprezentată de receptorii celulari;
- un program genetic sau, mai bine zis, epigenetic.
Mașina Turing epigenetică este formată deci din următoarele componente:
1) O bandă formată din rubrici, sau din pătrățele, cărora în genetică li se spune loci, adică niște porțiuni din ADN, care conțin un simbol dintr-un alfabet finit, sau genă, așa cum se întâmplă în cazul moleculei de ADN care este formată din succesiunea celor 3 miliarde de nucleotide și a celor peste 23.000 de gene, în care este înscrisă informația genetică a viitorului organism.
Deoarece în mod normal genele primite de la părinți nu pot fi modificate în timpul vieții, ci doar activate sau inhibate în funcție de nevoi, ele se vor nota cu 0 dacă sunt inhibate sau cu 1 dacă sunt activate.
2) Un cap de citire, care poate citi, accepta sau schimba simbolurile din celulele benzii respective, așa cum se întâmplă în cazul mecanismelor epigenetice, care pot activa sau inhiba diferitele gene.
3) Un registru de stocare a stărilor mașinii, care ar reprezenta memoria genetică a organismului.
4) Un repertoriu de acțiuni, adică un program sinonim cu programul genetic, sau mai bine zis epigenetic, care îi spune mașinii cum să deplaseze capul și ce simbol, adică ce gene, să accepte sau să inhibe, pentru a putea atinge scopul propus și anume acela de a construi o insulă de ordine și de organizare în universul entropic.
Programul după care funcționează capul de citire, adică mecanismele epigenetice, reprezintă codul epigenetic, după care ele inhibă sau activează diferitele gene, în funcție de provocările mediului înconjurător.
Structura mașinii Turing epigenetice
Prima corespondență dintre mașina Turing și genomul uman este reprezentată de faptul că molecula de ADN, ca și mașina Turing, este formată dintr-o bandă foarte lungă, care poate atinge o lungime de 2 metri formată din succesiunea a peste 3 miliarde de nucleotide. Aceste nucleotide sunt de patru tipuri și anume două tipuri de baze purinice, adenina și guanina, respectiv două tipuri de baze pirimidinice, timina și citozina. Aceste 4 tipuri de nucleotide reprezintă de fapt literele alfabetului genetic, care are 4 litere, A, C, G și T.
S-a constatat că, prin combinarea a câte trei nucleotide, se poate ajunge la o silabă, care a fost denumită codon deoarece fiecare combinație de câte trei nucleotide codifică câte unul din cei 20 de aminoacizi care intră în compoziția proteinelor din care este format organismul uman. Iar înșiruirea mai multor codoni va da naștere unei gene, sau unui cuvânt, care ar putea însemna insulină sau angiotensină.
Deoarece gena este unitatea funcțională a organismului, care indică sinteza unor proteine cu rol structural, cu rol enzimatic, cu rol de antigen sau de transmitere a informațiilor, gena este cea care va fi citită, activată sau inhibată de cititorul reprezentat de factorii epigenetici. Deci molecula de ADN este formată, ca și mașina Turing, dintr-o înlănțuire de gene, corespunzătoare rubricilor din mașina Turing.
Dar cercetările au arătat că genele nu funcționează simultan cu aceeași intensitate. Dimpotrivă, cu excepția unor gene care asigură funcționarea bazală a celulelor, majoritatea genelor sunt silențioase și nu intră în activitate decât atunci când este necesar. Așa spre exemplu, genomul nu va sintetiza lactoza decât atunci când organismul ingeră lapte care conține lactoză. De aceea fiecare genă va fi notată cu 0 sau 1 în funcție de starea de inhibiție sau de activitate a genei în momentul respectiv.
Pentru a face față în timp util numeroaselor variații ale mediului înconjurător, adică pentru a sintetiza în timp util numeroasele proteine de care organismul are nevoie, molecula de ADN a fost împărțită în 46 de cromozomi, care pot funcționa simultan ca niște mașini 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 codifică structura proteinelor din care este format organismul nostru. Iar pe de altă parte niște mecanisme epigenetice care primesc informații din mediul extern și care indică modul în care aceste gene trebuie să intre în acțiune, în funcție de condițiile extrem de variabile ale mediului înconjurător.
Așa se poate explica modul în care, pornind de la aceeași informație genetică, mecanismele epigenetice vor reuși să ajungă, prin activarea anumitor gene și prin inhibarea altor gene din genomul pe care l-au primit de la părinți, 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, adică peste 100 de trilioane de mașini Turing epigenetice. Spre deosebire de calculatoarele electronice, cele 100 de trilioane de mașini Turing epigenetice din care este compus organismul uman nu sunt identice între ele. Mașina Turing din neuron nu este identică cu mașina Turing din celula hepatică. Fiecare dintre ele are anumite funcțiuni.
De aceea, pentru a-și putea atinge scopul propus și anume acela de a construi și întreține un organism viu, caracterizat de un mare grad de ordine și de organizare, în universul entropic, cele peste 100 de trilioane de mașini Turing epigenetice vor trebui să comunice între ele. Astfel apare un internet biologic, care trebuie să poarte un joc strategic cu mediul înconjurător. Dar despre asta vom vorbi cu altă ocazie.
