Это особенно редкий случай для журнала такого уровня: статья написана всего двумя российскими авторами и имеет исключительно российские аффилиации, тогда как в последние годы полностью российские работы в Nature Communications выходили лишь единично.
В 2023 году российский учёный, заведующий лабораторией МФТИ, Максим Никитин открыл принцип молекулярной коммутации — новый фундаментальный механизм хранения и обработки информации в ДНК и других молекулярных системах. Работа стала заметным событием: фактически был обнаружен фундаментальный механизм работы с молекулярной информацией, который оставался незамеченным около 70 лет — со времени открытия структуры двойной спирали ДНК.
Необычной была и сама публикация. Большую экспериментальную биологическую работу в одном из ведущих мировых научных журналов — Nature Chemistry — Никитин опубликовал как единственный автор, что чрезвычайно редко для современной экспериментальной науки, где исследования такого масштаба обычно выполняются коллективами. Более того, работа была полностью российской: единственный автор — российский учёный, а все указанные в статье аффилиации — российские. Для публикаций такого уровня это само по себе достаточно редкая история.
Новая работа 2026 года показывает, что открытый в 2023 году механизм молекулярной коммутации обладает гораздо более фундаментальными возможностями, чем было известно раньше: он может обеспечивать живым системам сверхустойчивость к огромным изменениям внешней среды — или, наоборот, позволять программировать сам закон, по которому они будут на эти изменения реагировать.
Практически все химические реакции сильно зависят от температуры. Биохимические — тоже. Но тогда возникает простой вопрос: как вообще живут организмы, температура которых постоянно меняется? Бактерия может попасть из холодной внешней среды в тёплое тело человека, а некоторые рыбы способны жить и почти в ледяной, и в очень тёплой воде. При этом их сложнейшие молекулярные системы продолжают передавать правильные сигналы, хотя параметры отдельных химических реакций резко меняются. Почему молекулярная «логика» живого организма при изменении температуры не сходит с ума?
В новой работе Коренков и Никитин показывают, что молекулярная коммутация способна решать эту проблему удивительным образом: общий сигнал молекулярной системы может оставаться практически неизменным даже тогда, когда при изменении температуры сила отдельных взаимодействий внутри неё меняется более чем в миллиард раз. В работе показано, что такой режим может сохраняться в огромном диапазоне температур — от 0,1 до 50 °C.
Секрет кроется в самом способе, которым при молекулярной коммутации передаётся информация. В первой работе Никитин показал, что сложные молекулярные сигналы могут возникать и передаваться благодаря множеству слабых обратимых взаимодействий между молекулами. Теперь выяснилось, что их кажущаяся «слабость» может быть как раз преимуществом.
При изменении температуры каждое такое взаимодействие меняется по-своему, а значит, их можно организовать так, чтобы изменения одних компенсировались изменениями других. В результате отдельные молекулярные связи могут очень сильно меняться, а передаваемый ими сложный сигнал — оставаться практически прежним. То есть устойчивость обеспечивает не одна абстрактная «волшебная» молекула, а сама организация множества слабых взаимодействий.
Но ещё интереснее, что тот же механизм позволяет сделать прямо противоположное: не убрать влияние температуры, а запрограммировать, как именно молекулярная система должна на неё реагировать. С ростом температуры сигнал может увеличиваться, уменьшаться или изменяться по практически любому заранее заданному математическому закону. То есть температура из помехи превращается в программируемый управляющий сигнал. Аналогичную возможность в работе показали и для изменения ионной силы среды (концентрации ионов).
Из этого может следовать особенно интересная возможность: температура тела может быть одним общим сигналом для организма, а разные молекулярные системы — извлекать из него совершенно разные команды. При заболевании, сопровождающемся изменением температуры, одна система может плавно усиливать свой ответ, другая — ослаблять его, третья — менять сигнал по гораздо более сложному профилю. То есть речь не просто о привычном принципе «стало горячее — включился какой-то процесс».
Один физический параметр потенциально может кодировать множество разных и сложных профилей молекулярного ответа. В работе, например, показано, что выходной молекулярный сигнал можно заставить следовать даже синусоидальной зависимости от температуры; через регуляцию мРНК такие сигналы потенциально могут влиять и на уровень синтеза белков.
Это существенно расширяет фундаментальное значение молекулярной коммутации. В 2023 году было показано, что сеть слабых взаимодействий сама по себе способна хранить и обрабатывать сложную информацию. Теперь у этой системы появляется ещё одно измерение: условия окружающей среды могут становиться частью самой молекулярной «программы». Температуру или ионную силу можно не только компенсировать, но и использовать так, чтобы один и тот же параметр вызывал разные заранее заданные профили ответа в разных молекулярных сетях.
Такая свобода возникает именно благодаря слабым и обратимым взаимодействиям. С сильными молекулярными связями добиться подобной гибкости крайне сложно: они слишком жёстко связывают молекулы друг с другом, тогда как для температурной компенсации системе, наоборот, нужно по мере изменения температуры перераспределять взаимодействия — кто с кем и насколько сильно связан.
Поэтому новая работа даёт другой способ смотреть на регуляцию живых систем: искать не только отдельные сигнальные молекулы, но и целые программы ответа, записанные в архитектуре слабых взаимодействий и в том, как эта архитектура реагирует на физико-химические условия среды.
Есть и прямой прикладной смысл. Сегодня биотехнологический реактор во многом похож на завод, за которым приходится непрерывно следить извне: поддерживать температуру, состав среды, концентрации веществ и множество других параметров, которые сами меняются по мере роста клеток и накопления продуктов их жизнедеятельности. Живой организм устроен иначе: растение или бактерия способны долго существовать в меняющейся среде, потому что значительная часть регулирования уже встроена в саму биологическую систему.
Молекулярная коммутация открывает путь к похожему принципу и в искусственных биотехнологических системах. В перспективе можно представить биореактор, у которого значительная часть контроля встроена непосредственно в молекулярные сети: они сами компенсируют изменения среды, сами перестраивают работу системы и продолжают производить нужный продукт без постоянной внешней подстройки каждого параметра.
Пока в работе этот принцип непосредственно показан для температуры и ионной силы, но сама идея ведёт к созданию своего рода биореактора с внутренней молекулярной саморегуляцией — системы, которая по степени автономности начинает немного напоминать живой организм. Это может сделать производство белков и другие сложные биотехнологические процессы устойчивее, проще и менее зависимыми от дорогостоящего непрерывного контроля внешних условий.
