I. 13 / A DNS – a számítógépekét messze felülmúló tárolási technika

Mélyen a sejt belsejében, a mikroszkopikusan kicsi sejtmagban tárolódik az emberi test legértékesebb anyaga – a genom, a genetikai információ. Tudta-e, hogy ez az információmennyiség betűkkel leírva 1000 darab ezeroldalas, oldalanként 3000 betűt tartalmazó könyvet töltene meg? Az emberi genom (öröklődési anyag) tehát 3 milliárd genetikai betűből áll. Ha ezeket egy írógéppel egyetlen sorba írnánk, a betűlánc az Északi-sarktól az egyenlítőig érne. Ha egy jó titkárnő percenként 300 leütéssel, évente 220 nyolcórás munkanapon keresztül szünet nélkül gépelne, egész munkában töltött élete sem lenne elég, hogy legépelje. Ez ugyanis 95 évig tartana!

Egy tudományos programozó naponta átlag 40 karakternyi programkódot tud létrehozni, ha hozzászámítjuk a rendszertervezéstől a rendszerkarbantartásig eltelt időt. Ha most az emberi genomban levő karakterek számát tekintjük, erre a programozási feladatra egy 8000 programozóból álló seregre volna szükség, akik egész életükön keresztül csak ezen a projekten dolgoznának. Azonban egyetlen emberi programozó sem tudja, hogyan kell megírni ezt a programot, amelynek számára egy kiterített DNS-szálon csupán egy méternyi ¹ hely van.

Tárolási sűrűség: A genetikai információt tároló médium a kettős szálú DNS (kémiai neve: dezoxiribonukleinsav; lásd az ábrát). A DNS az embernél csak rendkívül kicsi, mindössze három milliárdod köbmilliméternyi (3 · 10-9 mm3) térfogatot ² tölt ki. Itt roppant nagy tárolási sűrűség valósult meg, amitől a legmodernebb számítógépek chipjei nagyságrendekkel elmaradnak. Ez a legnagyobb ismert tárolási sűrűség! Megpróbáljuk ezt szemléltetni:

Képzeljük el, hogy veszünk egy 2 mm átmérőjű gombostűfejet, és egy olyan vékony drótot húzunk belőle, mint a DNS-molekula átmérője. Vajon milyen hosszú lenne ez a drót? Nos, írd és mondd: 33-szor érné körbe az egyenlítőt! Gondoltad volna?

Ha az emberi genomban lévő információmennyiséget egyenként 160 oldalas könyvekben papírra vetnénk, ehhez 12 000 kötetre lenne szükség.

Szeretnénk a DNS-molekula csaknem elképzelhetetlen információsűrűségéről szemléletes képet alkotni. Képzeljük el, hogy annyi DNS-anyagunk van, amennyi egy gombostűfej térfogatában elférne. Vajon hány darab 160 oldalas könyvet lehetne ebben tárolni? A számítás eredménye: 15 billió (= 15 · 1012) kötet. Ha ezeket egymásra raknánk, akkora könyvrakást kapnánk, melynek magassága 500-szorosa a föld-hold távolságnak, ami 384 000 km. Másképpen kifejezve: Ha ezt a könyvmennyiséget szétosztanánk a föld lakói között (kb. 6 milliárd ember), mindenki 2500 kötetet kapna.

Strukturáltság: Az egész genetikai információ egy könyvtárhoz hasonlítható. Az egyes köteteket kromoszómáknak nevezik, fejezeteiket pedig géneknek. A gének olyanok, mint a cím-szavak egy gigantikus lexikonban. Az emberi sejtmagok 46 kromoszómát tartalmaznak (diploid kromoszómakészlet a testsejtekben; gör. diplóosz = megkettőzött) 23 kromoszómapár formájában (23-23 apai, ill. anyai kromoszóma). Az egyes kromoszómák összhosszúságuk, a kromoszómakarok hosszúsága, valamint a befűződések száma szerint különböztethetők meg. A nemi kromoszómák kivételével az apai és anyai kromoszómák megfelelnek egymásnak az öröklött tulajdonságok típusában és elrendezésében. Míg a nők két nagy nemi kromoszómával (XX) rendelkeznek, a férfiaknak egy nagy és egy kis nemi kromoszómájuk (XY) van.

A baktériumoknak olyan DNS-molekuláik vannak, amelyek kiterített hossza az egy milliméteres nagyságrendbe esik, és ez kb. 3 · 106 nukleotid-párnak felel meg. A legismertebb baktérium, az Escherichia coli esetén ez 7,3 · 106 nukleotid-pár.

Az emberi testsejtekben ellenben az egymáshoz fűzött DNS-molekulák hossza kb. 2 méter, ill. 6 · 109 nukleotid-pár. Világosan különbséget kell tenni csírasejtek (az ember genomja, azaz örökítő anyaga) és a testsejtek között. A csírasejteknek (a spermiumban és a női petesejtben) csak egyszeres (haploid; görögül haploeidész = egyszeres) kromoszómakészletük van. A DNS-szál összhosszúsága 1 méter, ami 23 kromoszómára osztható fel. Ez 3 · 109 nukleotid-párnak felel meg. 3 · 109 nukleotid-párból 109 szó (három kémiai betűből álló triplett) képezhető. Nukleotid-nak nevezzük a négy előforduló kémiai betűt, melyek neve adenin, guanin, citozin és timin. Ezek alkotják a genetikai ábécét. Az ember testsejtjei két készletben tartalmazzák az öröklési információt – egyik az apától, másik az anyától származik. Tehát a testsejtek 2 · 23 = 46 kromoszómát tartalmaznak, ami 2 méter DNS-hosszúságnak ill. 6 · 109 nukleotid-párnak felel meg.

A lehetséges öröklési faktorok (cisztronnak vagy génnek is nevezik) száma hozzávetőlegesen megbecsülhető. Ehhez egy közepes nagyságú géntermékből indulunk ki, és az aminosavak számát összefüggésbe hozzuk a kódoláshoz szükséges DNS-építőkövek (nukleotidok) számával. Vizsgálódásunkhoz az emberi hemoglobint, a vörös vértestek színezőanyagát választjuk modellül. Az alfa-láncban 141, a béta-láncban pedig 146 aminosav található. Mivel egy aminosav kódolásához három nukleotid szükséges, a két lánchoz 3 · (141 + 146) = 861 nukleotid-pár kell. Elméletileg tehát 3 · 109 / 861 = 3,5 millió génnel számolhatunk, ami megfelel a hemoglobinhoz szükséges információmennyiségnek. Valójában azonban a DNS-információ nagy része nem fehérje-kódoló szekvenciákból áll, amelyek funkciója a mai napig ismeretlen. Másképpen kifejezve: A genomnak csak kis hányada felelős a hemoglobinhoz vagy az inzulinhoz hasonló különböző fehérjék kódolásáért. Az effajta programutasítások minden embernél azonosak. Figyelemre méltó továbbá, hogy egy ismertetőjegyért (pl. a szem színe) nem egyetlen, hanem több gén felelős.

El kell fogadnunk, hogy a DNS-ben a fehérje-kódoló részek mellett számtalan struktúra- és funkcióterv is található. Az ilyen tárolt tervek éppúgy szükségesek a legkisebb organellumok (szervecskék), mint a mitokondriumok és riboszómák kialakításához, mint a nagy szervek (pl. szív, vesék, agy) és a teljes föléjük rendelt organizmus felépítéséhez. Ezt a kódrendszert eddig senki sem tudta megfejteni. Talán a következő évek kutatásai jobban megvilágítják majd ezt a komplex területet.

Ha a teljes apai öröklési anyag egyetlen spermiumban, az anyai pedig egyetlen petesejtben található, akkor ez nemcsak az ember komplett fiziológiájára vonatkozik, hanem a számos adottságra is, mint például a muzikalitás, agresszivitás vagy nyelvtehetség. Vajon az ember olyan nem-anyagi tulajdonságai, mint a szeretetre vagy örömre való képesség, leírhatók-e egyáltalán nukleotidok segítségével? Ezen a téren még nagy tudományos rejtélyek előtt állunk.

Információfeldolgozás: Kereken 30 000 genetikai ismertetőjegyünk a sejtnek precíz információkat nyújt ahhoz, hogy minden szükségeset elő tudjon állítani, amire programozva van: hormonokat,enzimeket, nyálkát, faggyút, az immunrendszer fegyvereit, egészen a központi idegrendszer idegsejtjeiben terjedő impulzusokig. Feltehetjük a kérdést, hogyan történik a kódolt információ megfejtése és ennek az absztrakt szóírásnak konkrét fehérjemolekulákká alakítása. Ez szünet nélküli folyamat, amely egy hihetetlenül kis térben megy végbe, nevezetesen a sejtekben, amelyek átmérője csupán néhány századmilliméter. Hogyan történik ez? Speciális fehérjemolekulák kikeresik az információ egy darabját – egy gént –, lemásolják, és elkészítenek egy közvetítőt, a DNS kémiai rokonát, amelynek neve RNS. Ezt a sejtmagban levő vezérlőközpontból a riboszómákhoz küldik. Ezek kis szemcsék, amelyek a sejt citoplazmájában találhatók, és a fehérjeszintézis színhelyei. A követek ide érkeznek, és megmondják, mit kell tenni, vagyis milyen sorrendben kell összerakni a fehérjék építőköveit, a 20 aminosavat. A fehérjemolekulák – mint a házak – kőről kőre épülnek fel, majd szétküldik őket, hogy megvalósítsák az egyes életfolyamatokat. A következő fontos lépés, amelyben az így elkészített különálló molekulákból strukturált és sajátos formával rendelkező egységek (pl. sejtek és szervek) keletkeznek, nagyon bonyolult folyamat. Ezt a folyamatot a mai napig nem értjük teljesen. De az biztos, hogy kódolva van az öröklődési információnkban, ami az alapja annak, amik vagyunk. A gének gondoskodnak arról, hogy emberek legyünk és ne állatok. Speciális genomunk meghatározza a nemünket, a szem-, bőr- és hajszínünket. Vezérli az intelligenciánkat, és egyszeri, megismételhetetlen személyiségekké tesz minket. Mindezek a tulajdonságok abban a pillanatban eldőlnek, amikor a férfi ondósejtjének kromoszómái találkoznak a nő petesejtjéivel. A megtermékenyülés pillanata – a gének ellenőrizhetetlen összeolvadásával – életünk kezdete.

Egy figyelemre méltó összehasonlítás: Minden ember kb. 100 billió (= 1014) sejtből áll. Egy sejt a következő fő alkotórészeket tartalmazza: egy sejtmembrán, sok pórus és csatorna a sejtmembránban, sok mitokondrium az energiaellátáshoz, sok riboszóma, melyek az öröklési információt lefordítják fehérjékre, és egy sejtmag, mely az öröklési információt DNS formájában tárolja. Sokan jól ismerik a személyi számítógépek (PC) egységeit, és a merevlemez, az olvasófej, az interfész és a hálózati egység ismerős fogalmak számukra.

Hogy helyesen felbecsülhessük és méltányolhassuk egy biológiai sejt teljesítményét és működésmódját, Takács Zoltán biofizikus analógiákat keresett a sejtben történő információfeldolgozás és –tárolás, valamint a mai számítógépek között. Ha a sejtet leegyszerűsítve úgy tekintjük, mint egy számítógépet, a következő megfeleltetések adódnak:

• A sejtmembrán a számítógép háza, bár vastagsága csupán 10 nanométer (= 1 milliméter százezred része).

• A pórusok és a csatornák a számítógép interfészei (interface – angol).

• A mitokondriumok alkotják a számítógép hálózati egységét, bár a sejtnek 800 hálózati egysége van.

• A riboszómák alkotják a központi egységet (CPU = Central Processing Unit), bár a biológiai számítógép több mint 6 millió CPU-val rendelkezik.

• A sejtmag a merevlemez háza. Egy biológiai számítógépben 23 különböző merevlemez (kromoszóma) van installálva, és mindegyik rendelkezik még egy tartalék merevlemezzel is. A 23 különböző merevlemez információtároló kapacitása kb. 1 gigabájt. A biológiai számítógép lemezei tulajdonképpen nem „merevlemezek”, hanem „puhalemezek”, hiszen nem merevek és nem forgathatók, hanem az összesen 46 DNS-szál laza gombolyagként lebeg a sejtmagban.

• A biológiai számítógép átmérője 20 mikrométer (20 μm = két századmilliméter).

A biológiai számítógépeknek már e néhány adata is jól mutatja, milyen fokú miniatürizálás, komplexitás és csúcstechnika valósul meg ebben a rendszerben, összehasonlítva az ehhez képest egyszerű mesterséges számítógépekkel.

Minden sejtünk ugyanazt az információt tartalmazza függetlenül attól, hol található (pl. vese, máj, kar). A különbség abban van, hogy a sejtek típusuktól függően különböző információkat olvasnak le és dolgoznak fel. Akárcsak a mesterséges számítógépeknél, itt sem az eredeti információ kerül a CPU-hoz, hanem annak másolatai. A számítógépnél egy olvasófej rááll a merevlemezen levő felhasználói program (applikáció) kezdőpozíciójára, és létrehoz egy másolatot. Itt több ilyen olvasófej állhat rá egymás után az applikációra, és hozhat létre egyidejűleg másolatokat. Így egyszerre az összes merevlemezről leolvasásra kerülnek a különböző információk a mindenkori sejt számára. A biológiai számítógép két fontos „számítási feladatot” hajt végre: A már leírt információfeldolgozást a fehérjék előállításához, és a biológiai számítógép megkettőzését (sejtosztódás).

A genom-projekt: Egy nagyszabású, 15 évre tervezett közös projekt keretében a világ minden részén dolgozó tudósok nekiláttak, hogy feltérképezzék és betűről betűre megfejtsék (szekventálás) az ember teljes öröklési információanyagát. A külön erre a célra alapított „Human Genom Organisation” nevű szervezetnek már kb. 1000 tagja van 50 országból. A projekt hivatalos kezdete 1990. október 1. volt. A DNS betűsorozatának kiderítésére fordítandó munkát akkor sok ezer évre becsülték. A teljes sorozatról azóta már számszerű ismereteink is vannak. Génjeinkben kódolt formában le van írva az ember teljes építési terve, például hogyan kell felépíteni a szemet vagy a fület, vagy hogyan kell megkonstruálni a szívet, és rögzítve van testünk minden egyéb fiziológiai részlete, valamint adottságaink is.

Már 2000 vége felé eufórikus beszámolók jelentek meg a sajtóban a teljes szekventálásról. Vastag betűs címeket lehetett olvasni minden variációban, például: „Megfejtették az élet építési tervét”. Ezzel együtt felrajzolták egy szép új világ képét, amelyben minden lehetséges lesz: AIDS elleni mesterséges öröklési anyagokat juttatnak a vérbe, az Alzheimer-kórban szenvedőkbe manipulált agysejteket ültetnek, a ráksejtek az új öröklési minta bejuttatását követően egyszerűen felfalják önmagukat, a gén-injekciózott átültetett szervek a befogadónál többé nem váltanak ki kilökési reakciókat.

Ezek a jelentések, bár feltűnőek és jó a reklámhatásuk, nem igazak. Mi a kutatás valódi állása? 2001 végéig a genom betűinek csak 90 százalékát fejtették meg. A többi nem áll rendelkezésre a kívánt pontossággal. Korábban abból indultak ki, hogy az embernek 100 000 génje van, amelyek 23 kromoszómára oszthatók. A mai becslések szerint ez az érték 30 000 és 40 000 között van.

Mit nyerünk azzal, ha a mostani becslések szerint 2003-ig ismertté válik az emberi genom ACGT-betűinek áttekinthetetlen sorozata? Ezáltal vajon megismerjük az élet programját? Tudni fogjuk, hogy a Teremtő miként kódolta például az agyat? Semmiképpen sem! Ami akkor a rendelkezésünkre fog állni, az a Biblia egy általunk nem ismert indián nyelven leírt, pontok és vesszők nélküli szövegéhez hasonlítható, tehát egy olyan könyvhöz, amelyet senki sem ért. A szöveg értelmének (szemantika) fordítási munkája csak akkor kezdődik el. Hogy valaha sikerül-e a genom szemantikai megfejtése, az ma még teljesen nyitott kérdés. Az egyiptomi hieroglifák esetében a dekódolás csak azért sikerült, mert megtalálták az ún. Rosette-i követ, melyen egy görög, egy demotikus ³ és egy hieroglifikus szöveg volt látható. Az olvasható görög szöveg jelentéséből kiindulva hosszadalmas kutatómunkát követően sikerült dekódolni a hieroglifákat. A genom esetében azonban teljes egészében hiányzik egy ilyen „Rosette-i kő”.

Egy fontos felismerés azonban már most a birtokunkban van: A DNS molekulában található a legnagyobb ismert információsűrűség. Abból, hogy az információ nem anyagi, hanem szellemi mennyiség, fontos következtetés vonható le: Ez az információ nem keletkezhetett magától az anyagban; feltétlenül megköveteli egy rendkívül intelligens Alkotó létét.

A DNS-molekula struktúrájáról: Kémiailag és strukturálisan a DNS az egyik legsokoldalúbb molekula. Erre szüksége is van, hogy összes feladatát elláthassa. Külső alakja egy kettős csigavonalnak (kettős spirál) felel meg, amelynek gerincét két egymás köré tekeredő szál alkotja. Mindkét szál egy hosszú láncmolekula, és a két párhuzamosan futó lánc határozott irányítást mutat. A kettős spirálban egymással szemben futva, jobbmenetes csavarként tekerednek egymás köré. A négy kémiai betű – adenin (A), guanin (G), timin (T) és citozin (C) – képezi a genetikai információ ábécéjét. Figyelemre méltó, hogy sok gén nem egyetlen összefüggő DNS-szakaszból áll, hanem mozaikszerűen kell őket összerakni több különálló szakaszból. A DNS minden sejtben tárolja a fehérjék előállításához szükséges genetikai információt, és az információt egy másik nukleinsav, a ribonukleinsav (RNS) közvetíti. Általában egy szervezet összes sejtje azonos DNS-molekulákat tartalmaz, de nem minden gén aktív egyidejűleg minden sejtben.

Fehérjék (proteinek): A fehérjék az élet legfontosabb anyagai. Ha a DNS-molekulát az élet konstrukciós tervének tekintjük, úgy a sokféle fehérje az építéshez szükséges téglákat és maltert jelenti. Sőt, a fehérjék egyben a sejtek és a szervezet összeszereléséhez szükséges szerszámok. Igen, ők játsszák a mesteremberek szerepét is, akik az építést kivitelezik. Génjeink alkotják a koncepcionális alapot (ők tárolják a „szoftvert”), de fehérjéink által vagyunk azok, akik vagyunk (a „hardver”). A DNS-molekulákban és a fehérjékben közös, hogy egymáshoz fűzött alegységekből álló hosszú láncmolekulákat alkotnak. Funkciójukban azonban alapvetően különböznek. A DNS-molekulák alkotják a genetikai archívumot. A fehérjék ellenben elképzelhetetlenül változatos háromdimenziós alakzatokká fejlődnek, és ez a sokféleség a funkcióikban is tükröződik. Így a fehérjék lehetnek többek között a test felépítéséhez szükséges szerkezeti elemek, hírnök-molekulák, receptorok az ilyen hírnökök számára, egyedi sejtazonosítók és védőanyagok olyan sejtek ellen, melyek idegen azonosítókat tartalmaznak. Talán a legfontosabb fehérjék az enzimek, amelyek katalizátorként szabályozzák a biokémiai folyamatok sebességét. Egy megfelelő enzim egy reakció sebességét akár a milliószorosára gyorsíthatja. Végül a fehérjék nélkülözhetetlenek a genetikai információnak elvégzendő műveletekbe való áttételében.

A fehérjék szerkezete és kémiája: Bár sokféle aminosav létezik, a Teremtő közülük csak húszat választott ki, hogy belőlük az összes elképzelhető fehérjét és így az élet struktúráit is felépítse. A genetikai kódban három betű jelöl egy aminosavat. Mindegyik fehérje aminosavak egy pontosan rögzített sorozata (szekvenciája). A láncok hossza és az aminosavak jellemző sorrendje a fehérje összes fizikai és kémiai tulajdonságát meghatározza. Különösen fontos, hogy milyen a fehérje térbeli elrendezése. Egy fehérje éppen úgy hajtogatódik össze, hogy szabad energiája a lehető legkisebb legyen; vagyis a fehérje a „legkényelmesebb” helyzetet veszi fel. Elvileg egyedül az aminosav-szekvenciából meg tudnánk határozni egy fehérje háromdimenziós szerkezetét, ha ismernénk az összes erőt, amelyek sok ezer atomjára, valamint az oldószer környező molekuláira hatnak. Egy ilyen számítás ismereteink mai állása szerint nem lehetséges – még a legnagyobb számítógépekkel sem. Az élőlények megalkotásakor a Teremtő mégis úgy tervezte meg a felhasznált fehérjék mindegyikét, hogy a kívánt tulajdonságokat eredményezzék.

¹ A DNS-szál összhosszúsága:L = 3 · 109 betű x 0,34 · 10-9 m betűtávolság = 1,02 m

² A DNS-szál térfogata:V = (π/4) x (2 · 10-9 m)2 x 1,02 m = 3,2 · 10-18 m3 = 3,2 · 10-9 mm3 = 3,2 μm31 m3 (köbméter) = 109 mm3 (köbmilliméter)1 mm3 = 109 μm3 (köbmikrométer)

³ Újegyiptomi, egyszerűsített

előző

következő