Центральной проблемой молекулярной биологии является процесс самоорганизации живой материи. Именно здесь скрыты основные тайны и загадки биологической формы материи. В этом направлении сейчас развернуты дискуссии и идёт соревновательный процесс различных идей и гипотез.

Уже давно существует мнение, что процесс самоорганизации непосредственно связан с информационными идеями самоорганизации живого. К сожалению, современная наука пока ещё не определила пути прохождения генетической информации и её использования в процессах самоорганизации как в белковых, так и в других биологических макромолекулах.

Например, в молекулярной генетике смысл выявленных информационных фрагментов сводится к тому, что «наследственная информация, закодированная в нуклеотидной последовательности, переводится в аминокислотную последовательность белков…белковые молекулы представляют своего рода «ловушку» в потоке генетической информации».

Таким образом в молекулярной биологии и генетике сложилось представление, что в дальнейших биохимических процессах информация не участвует. «Гены контролируют клеточный метаболизм за счёт содержащейся в них информации о структуре белков, а ферменты выступают в роли биологических катализаторов, управляющих всеми химическими процессами в живых организмах». Однако эти туманные рассуждения не раскрывают ни сущности, ни механизмов биологических явлений.

В биохимии уже давно господствует ложное представление, что управлением химическими процессами в живых клетках занимаются химические катализаторы, но никак не управляющая информация. Такое упрощенное преставление явно не соответствует действительности. Поэтому до сих пор не ясно, почему исследования прохождения генетической информации в живых системах остановилось на этапе синтеза белковых молекул.

Между тем, игнорирование биологами информационной составляющей биомолекул до крайности тормозит изучение и исследование живой материи.

Отсюда, как результат, наблюдается мировоззренческое отставание и топтание на месте. По всей вероятности, это следствие господствующего влияния культа физико-химического направления, традиционно доминирующего в молекулярной биологии. Многие исследования уже давно интуитивно чувствуют, что без информационной составляющей существование живого немыслимо. Поэтому сейчас можно найти различные теории и гипотезы существования информации живого: от синергетической теории до голографической; от лазерной, квантовой, волновой концепций и до обычной двоичной, шифруемой единицами и нулями.

Самой актуальной задачей в молекулярной биологии становятся не поиск переносчика информации, но и определение средств её хранения, обработки, передачи и реализации.

На сегодняшний день существует несколько концепций информации. Рождением одной из первых считается 1948 год. Основы концепции были изложены К. Шенноном в статье «Математическая теория связи». Причиной её появления стало бурное развитие технических средств связи и необходимость количественной оценки объёмов передаваемых данных.

Математики объясняют информацию и информационные процессы степенью, мерой упорядоченности и организации внутренней структуры объекта, то есть энтропией и негэнтропией.

В теории информации по её классическому определению, информация есть устранённая неопределенность для достижения цели. Информация рассматривается как неотъемлемое внутреннее свойство у каждого материального объекта, атрибут всей материи от элементарных частиц до галактик.

Предполагается, что материальный и нематериальный мир соткан только из информации, являя собой единую информационную систему, которая неоднородна и может быть структурирована в так называемых информационных структурах.

Другое предположение, что информация характеризуется как мера неоднородности распределения материи и энергии в пространстве и во времени как мера изменений, которыми сопровождается все протекающие в мире процессы.

Исследование геномов дали много данных, которые не могут быть объяснены только структурой генов и белков, но информационные свойства живого упорно продолжают связывать со структурами ДНК, РНК, а не с информационной составляющей.

С позиции современных знаний не поддаются объяснению одновременное и весьма согласованное в пространстве и во времени протекание в каждой живой клетке тысяч и тысяч сложнейших биохимических реакций и биофизических процессов.

Разобщающий принцип изучения живого, используемый в биологии, не учитывает информационные каналы и направления взаимодействия, разрушает их на разных уровнях и не позволяет получить целостного представления о живом, даже о циклах того или иного биологического процесса.

Информация в функциональной концепции определяется как функциональное свойство особого класса высокоорганизованных систем, неразрывно связанное с управлением, функционирования самоорганизующихся и самоуправляемых систем.

Информация возникла вместе с жизнью.

По определению, информация – это физическая категория, это отображение причинно-следственных связей в субстрате физического материального мира, связей, обусловливающих его структурную дифференциацию и трансформацию структурных элементов физического мира, соответствующую физическим процессам в нём, а также отображение какого-либо состояния причинно-следственных связей, обусловливающего формирование какого-либо определённого мгновенного состояния объектов или физических процессов материального мира.

Информация – это основа, движущая сила объективных явлений мира. Информация является фундаментальной организующей категорией, в отличие от материи.

СОМ раскрывает потенциал клеточных механизмов управления процессами обновления человеческого организма на биоинформационном уровне.

СОМ через комплекс сигнальных молекул осуществляет программируемый морфогенез многоклеточных систем.

Сложная трёхмерная структура тканей, органов и организмов определяется скоординированным поведением клеток в ходе процесса, называемого морфогенезом (формирование формы). Многие годы учёные пытались понять, как форма живых структур, определяется геномом.

Было показано, что гены в основном кодируют сигнальные пути, определяющие судьбу клеток, а не контролируют непосредственно клеточную и тканевую форму — «паттерн» расположения клеток. Для понимания процессов развития и регенерации необходимо определить как группа изначально однородных клеток организует себя в структуры и ткани.

В ходе регенерации межклеточные взаимодействия опосредуют восстановление ткани, однако ни одна клетка не имеет чёткого плана как окончательная ткань должна выглядеть в глобальном масштабе. Клеточные «паттерны» определяются не изначально заложенным планом строения формируемых структур, а алгоритмами поведения клеток.

Такие алгоритмы в ходе межклеточных взаимодействий позволяют из изначально однородной клеточной популяции получить различные типы клеток с точным расположением компонентов друг относительно друга. Каждые новые межклеточные взаимодействия приводят ко всё более отчётливой информации о взаимном расположении клеток.

Этот процесс является скоординированным и самоорганизованным; каждая отдельная клетка имеет молекулярные механизмы, позволяющие ощущать микроокружение и правильно реагировать на повреждения, воссоздавая здоровую ткань.

Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки способны дифференцироваться в любую ткань тела. Воздействуя на них факторами СОМ, управляющие органогенезом в ходе эмбрионального развития, можно получить тот или иной органоид или конкретный тип клеток.

Под действием СОМ органоиды образуются для большинства органов человека. В том числе для головного мозга, печени, поджелудочной железы, лёгких и т.д. Сформированные кишечные органоиды включают элементы эпителия, соединительной ткани, гладкой мускулатуры и нервных сплетений. Клетки молочной железы образуют полые сферические структуры, напоминающие молочные ацинусы.

Бронхиально-альвеолярные эпителиальные органоиды имеют просвет в центральной части, образующей ветвящиеся полости, в целом напоминающие лёгочный эпителий с бронхиальными и альвеолярными доменами. Образующиеся органоиды почки содержат смесь эпителиальных и мезенхимальных клеток-предшественников, образующих трубчатые структуры и формируют зачатки сети нефронов.

Органоиды мозга имеют слоистую структуру, которая соответствует самым ранним этапам развития мозга. Под действием сигнальных молекул СОМ образование органоидов можно представить как процесс закодированной самосборки тканей. Он сопровождается активацией генетических паттерн-формирующих систем, образуя различные группы клеток, которые взаимодействуют друг с другом, создают (ремоделируют) ткани.

В развивающемся организме изменение клеток происходит через последовательные стадии, а сформированный орган приобретает функциональную нагрузку. Во взрослом организме под действием сигнальных молекул СОМ в различных органах происходит формирование полноценной зрелой ткани, способной полноценно выполнять свою функцию.

Понимание процессов, лежащих в основные самоорганизации клеток в тканевые структуры позволило создать препарат СОМ.

Формирование паттернов в организме человека определяется морфогенами препарата СОМ, представленными малыми молекулами. Эти молекулы образуют диффузионные градиенты в тканях, регулирующих судьбу клеток. В таких условиях каждая отдельная клетка в ткани ощущает своё положение вдоль градиента концентрации морфогена. Морфогены активируют генно-регуляторные сети, разграничивающие определённые участки и определяющие судьбу клеток внутри них.

Состояние и судьба клеток под действием компонентов СОМ регулируется сетью факторов транскрипции, которые реагируют на внешние сигналы СОМ. Эти регуляторы тканевой дифференцировки экспрессируются с изысканной пространственно-временной специфичностью и точностью и определяют, когда и где будет происходить процесс ремоделирования ткани.

Контроль морфогенетических процессов определяется регуляторными сетями. В этих сетях сигнал переходит от входного к целевому гену разными путями в зависимости от уровня входного сигнала. При этом экспрессия целевого гена возможна лишь при средних значениях концентрации активирующих компонентов СОМ.

Трудной и важной задачей в тканевой инженерии является формирование упорядоченного паттерна клеток denovo, без ранее существовавших сигналов и структур. Именно синтетическая биология направлена на установление сложного, программируемого контроля над клеточным поведением.

Синтетически генные схемы способны обнаруживать метаболическое состояние, биохимические сигналы, свет, и даже электрические и магнитные поля. Они используют эту информацию для изменения формы, подвижности, программы дифференцировки клетки.

Сигнальные молекул СОМ воздействуют на несколько вариантов формирования паттернов denovo в первом варианте на основе принципа отрицательной обратной связи действие одной молекулы приводит к осцилляционным процессам. В ходе этих процессов концентрации вещества то уменьшаются, то увеличиваются. При осцилляционных процессах длительность цикла определяется внутренними задержками ответа обратной связи и чувствительностью системы.

Второй вариант включает сочетание влияния отрицательной обратной связи с положительной обратной связью. Такой принцип характерен для систем, использующих латеральное торможение. Изначально идентичные клетки усиливают экспрессию того же самого гена в прилегающих клетках.

Под действием сигнальных молекул СОМ пространственные закономерности могут также возникать на основе реакционно-диффузных моделей, которые способны генерировать различные паттерны-клетки. В этом контексте одна молекула-активатор объединяет положительную обратную связь для активации собственного синтеза с отрицательной обратной связью, активируя синтез молекулы, которая подавляет действие активатора.

Под действием сигнальных молекул СОМ клетки воспринимают сигналы окружения своими рецепторами, обрабатывающими внешнюю информацию внутриклеточными молекулярными сетями, что ведёт к изменению экспрессии генов, перестройке цитоскелета и процессам секреции. Межклеточный сигнальный путь NOTCH-DELTA регулирует экспрессию генов, которые опосредуют дифференцировку клеток.

Когда рецептор NOTCH распознаёт лиганд DELTA на соседней клетке, он претерпевает конформационные изменения и расщепляется трансмембранными протеазами, что приводит к освобождению внутриклеточного домена NOTCH (NICD) в цитоплазму. Затем, NICD перемещается в ядро и регулирует экспрессию целевого гена.

Благодаря огромному разнообразию транскрипционных доменов с применением сигнальных молекул СОМ, возможно программировать практически любые межклеточные взаимодействия под действием большого числа сигналов. Используя СОМ возможно контролируемо обеспечить формирование самоорганизующихся многослойных структур из изначально однородной популяции клеток.

Одним из важных принципов формирования паттернов заключается в том, что поведение клеток может определяться местными концентрациями морфогена, которые создают в ткани градиент. Поддержание этих градиентов возможно при условии, что период полураспада молекул достаточен для распространения их на нужное расстояние.

Возрастание количества морфогена приводит к увеличению градиента, тогда как снижение концентрации не влияет на клетки, которые уже подверглись воздействию высоких концентраций. Градиенты устанавливают довольно грубые паттерны, которые в последствии корректируются с помощью межклеточной сигнализации и регуляторных сетей.

В биологических системах развивающиеся органы и ткани изначально симметричны, а клетки однородны. В ходе развития происходит нарушение симметрии в расположении клеток, и однородная клеточная популяция становится разнородной.

На основе принципов морфогенеза и метода СОМ появляется возможность самоорганизации однородной популяции клеток в многообразие клеточных типов. Компоненты СОМ способствуют возникновению пространственных генетических асимметрий в популяции стволовых клеток. Субпопуляции эктодермальных, эндодермальных и мезодермальных клеток под действием СОМ развиваются дальше с структурированную тканью. Например, в тканях печени появляются не только гепатоцитоподобные клетки, но и стромальные клетки, трубчатые структуры, а также происходят гематопоэтические процессы.

Возможность создания тканей (ремоделирование) denovo в различных органах и системах обеспечивается применением СОМ. Биологические структуры являются иерархическими, возникающими из взаимодействий на молекулярном, клеточном, тканевом и органном уровнях. Природные межклеточные сигнальные пути переплетены друг с другом. Для оптимизации контроля над синтетическими генными сетями используются сигнальные молекулы СОМ.

СОМ – это инструмент для контроля молекулярных сетей морфогенеза. СОМ – это инструмент для восстановления тканей в организме. СОМ даёт возможность расширить нормальную функцию всех тканей. СОМ даёт возможность контролируемо формировать архитектуру нужных тканей и органов для последующего восстановления организма человека.