:: главная страница ::

Идеи Румера


Кодоны, адроны и редкие земли.
О некоторых “нефизических” работах Ю.Б.Румера.

Б.Г.Конопельченко

“Надо же, даже на Берегу Слоновой Кости интересуются проблемами генетического кода” – говорил Юрий Борисович Румер, держа в руках открытку из этой экзотической африканской страны. Дело происходило в конце шестидесятых годов, и эта открытка была одной из более чем сотни других, в которых Юрия Борисовича просили прислать оттиски его статей по генетическому коду. Эти работы Румера были, по-видимому, самыми яркими из тех его трудов, которые трудно отнести к физике.

Молекулярной биологией Юрий Борисович начал интересоваться, скорее всего, задолго до этих событий. И поэтому, как только Ниренберг с соавторами опубликовали в 1965 году полный словарь генетического кода, Румер немедленно погружается в эту тематику. К тому времени уже было известно, что белковые молекулы состоят из 20 основных аминокислот (аланин, аргинин и т.д.). В ДНК эти аминокислоты кодируются наборами из трех нуклеотидов – кодонами. Всего нуклеотидов четыре. Это аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц). Так что в случае генетического кода алфавит состоит всего из четырех букв – А, Г, Т и Ц, а все слова (кодоны) являются трехбуквенными. Каждый кодон соответствует определенной аминокислоте, например, ЦГА – аланин, ГЦГ – аргинин. Полный список этого соответствия и был опубликован в упомянутой выше статье Ниренберга.

Поскольку основных аминокислот всего 20, а возможных кодонов гораздо больше – 64, то проблема вырожденности генетического кода (неоднозначности соответствия “аминокислота – кодон”) является, очевидно, фундаментальной. Подход к этой проблеме, предложенный Юрием Борисовичем Румером, с блеском сочетает “физические” идеи с фамильными румеровскими способностями и любовью к лингвистике.

Как было видно из словаря генетического кода Ниренберга, различные аминокислоты кодируются (за исключением двух аномалий) либо двумя, либо четырьмя, либо шестью кодонами. Основываясь на этом, Юрий Борисович в первой же работе [1], написанной в 1965 году, формирует основной результат:

“Рассмотрение группы кодонов, относящихся к одной и той же аминокислоте, показывает, что в каждом кодоне (XYZ) целесообразно отделить двухбуквенный корень /XY/ от окончания /Z/. Тогда каждой аминокислоте, в общем случае, будет соответствовать один определенный корень, а вырожденность кода является следствием изменения окончания.

Шестнадцать возможных корней распадаются на два октета (с заменой тимина Т на урацил У для РНК):

Сильные корни Слабые корни
ГГ УУ
ГУ УГ
АЦ ЦА
ЦЦ АГ
УЦ ГА
ЦГ АУ
ГЦ УА
ЦЦ АА

Первый октет включает восемь “сильных “ корней, каждый из которых при любом из окончаний Ц, Г, У, А кодирует одну и ту же аминокислоту. Второй октет включает восемь “слабых” корней, каждый из которых при окончаниях Ц, У кодирует одну аминокислоту, а при окончаниях Г, А – другую.

Содержащаяся в словаре Ниренберга информация может быть в компактной форме представлена в виде таблицы корней. Идея о разбиении корней кодонов на два октета “сильных” и “слабых” корней была совершенно новой и неожиданной для специалистов, работавших в этой области. Оказалось, что анализ многих свойств аминокислот (полярности, полярной зависимости и т.д.) четко подтверждает разбиение всех аминокислот на две группы, соответствующие разбиению корней на два октета. Исследованию разнообразных следствий этой идеи были посвящены три последующих работы Румера [2-4]. В частности, подход Румера к проблеме с однозначностью приводил к следующему порядку “букв” [3]:

  • Ц – очень сильная
  • Г – сильная
  • У – слабая
  • А – очень слабая

Этот канонический порядок букв (Ц, Г, У, А) в алфавите дает возможность сформулировать простые правила, определяющие силу корня:

  • сила корня, содержащего в качестве второй буквы Ц или А,
    определяется силой второй буквы;
  • сила корня, содержащего в качестве второй буквы Г или У,
    определяется силой первой буквы.

Классики этой науки предпочитали другой порядок букв в генетическом алфавите. Ф.Крик (один из первооткрывателей двойной спирали ДНК) в письме Румеру доказывал преимущества порядка У, Ц, А, Г, но Юрий Борисович стоял на своем. Алфавит Румера позволял, в частности, видеть поразительные симметрии внутри генетического кода. В одной из последних работ Юрия Борисовича [5] по генетическому коду была введена количественная характеристика силы нуклеотидов, что позволило придать сформулированному выше правилу количественную форму.

В середине семидесятых годов Румер был полон идей и энтузиазма по поводу генетического кода. В работе [6] была предпринята попытка понять корреляции между вырожденностью кода и молекулярной структурой аминокислот. А в последней работе [7] была предложена интерпретация осцилляционной гипотезы Крика об узнавании кодон – антикодон, в которой, по существу, вводилась концепция вероятностного характера узнавания кодонов. Юрий Борисович инициировал исследования по поиску корреляций между одномерной и трехмерной структурами белков. Их не удалось довести до конца по причине существенной неполноты экспериментальных данных, отсутствия хороших компьютеров, а в основном, по-видимому, из-за недостатка энтузиазма и знаний у молодых участников проекта.

Весь подход Румера к проблемам генетического кода был настолько симметрийно-лингвистический, что, хотя и вызывал большой интерес у исследователей генетического кода того времени, всё же казался им чересчур формальным. Они не пережили еще период, аналогичный буму унитарных симметрий в физике элементарных частиц в шестидесятых годах. Для Юрия Борисовича, главные интересы которого в шестидесятые годы были связаны с унитарными симметриями (типа группы SU(3) с ее октетами, декуплетами и т. д.) [8], такой подход был естественным. Симметрия правит бал в физике. А почему бы не в молекулярной биологии?

Чутьё у Румера было поразительным. То, что увлекало его в молекулярной биологии 30 лет назад, сейчас является передним краем исследований. В последние годы наблюдается явный рост числа публикаций, в которых проблемы генетического кода анализируются с привлечением симметрий и методов теории групп. Предлагаются разные подходы, основанные на разных типах групп, включая квантовые группы (например, в работах [9-15]). В основном этим занимаются физики, не слышавшие о работах Юрия Борисовича. Когда они таки знакомятся с работами Румера, то поражаются их изяществу, глубине и тому, что идеи симметрии уже более тридцати лет назад играли центральную роль при подходе к проблемам генетического кода. Некоторые пытаются понять место результатов Румера в своих новейших теориях (например, [15]).

Другая группа интереснейших “нефизических” работ Румера относится к совершенно другой области – к химии. Всем нам хорошо известна периодическая таблица химических элементов, созданная Менделеевым еще до рождения Юрия Борисовича. Со школьных уроков химии мы помним, что в ней имеют место периодичность и множество разнообразных замечательных свойств. Но, с другой стороны, в стандартной таблице Менделеева есть и явные недоработки. Например, имеет место ничем не прикрытая дискриминация по отношению к большим группам редкоземельных элементов (лантанидов) и актинидов (включающих уран). Им досталось всего по одной клетке и их приходится выносить за пределы таблицы. Квантовая теория, конечно же, объясняет свойства химических элементов, хотя получение точных количественных результатов для элементов с большим атомным номером до сих пор затруднительно.

В конце шестидесятых годов Румер задается вопросом: не управляет ли закономерностями химических элементов какая-либо группа, подобно тому, как группа SU(3) управляет закономерностями адронов [8]? При таком подходе надо отказаться от того, чтобы рассматривать атомы как структурные объекты, состоящие из более элементарных частиц (ядер и электронов). Ответ оказался удивительно простым: достаточно взять специальные мультиплеты (неприводимые представления) группы SO(4) – группы ортогональных преобразований в четырехмерном евклидовом пространстве, расположить их один за другим и заполнить химическими элементами [16]. Порядок собирания мультиплетов группы SO(4), а точнее – группы Spin4, в таблицу и способ ее заполнения просты и наглядны. В результате возникает таблица, в которой есть место для всех известных и еще не открытых химических элементов; редкие земли (лантаниды) и актиниды свободно, без притеснения, заполняют два мультиплета, элементы, расположенные по одной горизонтали, являются химическими аналогами и так далее [16].

В целом, таблица химических элементов, предложенная Румером, дает оригинальное симметрийное обоснование хорошо известных свойств химических элементов [16-20]. И управляет всем этим простая группа SO(4). Симметрия всегда была для Румера не только главным инструментом, позволяющим проникать в самое сердце проблемы, но, собственно, и центром всего.

:: Работы Ю.Б. Румера по генетическому коду ::

1. Ю.Б.Румер. О систематизации кодонов в генетическом коде/ Доклады Академии Наук СССР, том 167, №6, 1939-1394 (1966); G.Rumer. Some remarks on the regularities in the genetic code \\ reprint \ Institute of Mathematics, Novosibirsk, 1965.
2. М.В.Волькенштейн и Ю.Б.Румер. О систематике кодонов \\ Биофизика \\ том XII , выпуск 1, 10-13, 1967.
3. Ю.Б.Румер. Систематизация кодонов в генетическом коде \\ ДАН СССР \\ том 183, №1, 225-226, 1968.
4. Ю.Б.Румер. О систематизации кодонов в генетическом коде \\ ДАН СССР \\ том 187, №4, 937-938, 1969.
5. Б.Г.Конопельченко и Ю.Б.Румер. Классификация кодонов в генетическом коде \\ ДАН СССР \\ том 223, №2, 471-474, 1975.
6. B.G.Konopelchenko and Yu.B.Rumer. On the correlation between the structure of amino acids and the degeneracy of the genetic code \\ reprint 75-25 \ Институт ядерной физики, Новосибирск, 1975.
7. B.G.Konopelchenko and Yu.B.Rumer. The wobble hypothesis and the sequence of nucleotides \\ reprint 75-26 \ Институт ядерной физики, Новосибирск, 1975.

:: Унитарные симметрии элементарных частиц ::

8. Ю.Б.Румер, А.И.Фет. Теория унитарной симметрии, Москва, “Наука”, 1970.
9. Мультипольная теория адронов. - Ядер.физ., 1969, т.9, №5, с.1077-1085. (Совместно с А.И. Фетом)
10. Атом водорода и конформная группа. - ДАН СССР, 1970, т.191, №1, с.64-66.
11. Алгебра О(2,1) и атом водорода. - Теор. и мат. Физ.,1970, т.5, №2, с.276-280.

:: Недавние работы по групповому подходу к генетическому коду ::

12. Y.E.Hornos, Y.Hornos. Algebraic model for the evolution of the genetic code. Phys. Rev. Lett. , 71, 4401-4404, 1993.
13. M.Forger, Y.M.M.Hornos, Y.E.M.Hornos. Global aspects in the algebraic approach to the genetic code. Phys. Rev. E. , 56, 7078-7082, 1997.
14. Y.D.Bashfold, I.Tsohantjis, P.D.Yarvis. Codon and nucleotide assignments in a supersymmetric model of the genetic code. Phys. Lett. , A 233, 481, 1997.
15. L.Frappat, A.Sciarrino, P.Sorba. A crystal base for the genetic code. Phys. Lett., A 250, 214, 1998.
16. M.Forger, Y.M.M.Hornos, Y.E.M.Hornos. Symmetry and symmetry breaking: an algebraic approach to the genetic code. Intern. Journal Mod. Phys. , 1313, 2795-2885, 1999.
17. Y.D.Bashfold, P.D.Yarvis. The genetic code as a periodic table: algebraic aspects \ electronic preprint. Physics \ 0001066, 2000.
18. L.Frappat, A.Sciarrino, P.Sorba. Crystalizing the genetic code \ electronic preprint. Physics \ 0003037, 2000.

:: Работы Ю.Б.Румера по таблице химических элементов ::

19. Ю.Б.Румер, А.И.Фет. Группа Spin(4) и таблица Менделеева \\ Теор. и мат. физика, том 9, 203-210, 1971.
20. V.M.Byacov, Yu.I.Kulakov, Yu.B.Rumer and A.I.Fet. Group – theoretical classification of chemical elements.1. Physical foundations \\ preprint ITEP-26, Institute of theoretical and experimental physics (ITEP), Moscow, 1976.
21. V.M.Byacov, Yu.I.Kulakov, Yu.B.Rumer and A.I.Fet. Group – theoretical classification of chemical elements. 2. Description of applied group \\ preprint ITEP-90, ITEP, Moscow, 1976.
22. V.M.Byacov, Yu.I.Kulakov, Yu.B.Rumer and A.I.Fet. Group – theoretical classification of chemical elements. 3. Comparison with the properties of elements \\ preprint ITEP-7, ITEP, Moscow, 1977.
23. Б.Г.Конопельченко и Ю.Б.Румер. Атомы и адроны (проблемы классификации) \\ Успехи физических наук, том 129, выпуск 2, 339-345, 1979.



:: главная страница ::

Дизайн и программирование: Сергей Клишин

:: ассоциация выпускников ::