Крейг Вентер - Жизнь на скорости света. От двойной спирали к рождению цифровой биологии

Телепортация открывает также потенциальную возможность создания компьютера нового типа – квантового, способного выполнять операции и решать задачи в миллионы раз быстрее, чем нынешние компьютеры {238} 238 Awschalom, David D., Bassett, Lee C., Dzurak, Andrew S., Hu, Evelyn L., and Petta, Jason R. “Quantum Spintronics: Engineering and Manipulating Atom-Like Spins in Semiconductors.” Science, vol. 339, № 6124 (2013), стр. 1174–1179. DOI: 10.1126/science.1231364 . Группа из Калтеха в 1998 году сообщила о первой экспериментальной демонстрации телепортации квантового состояния света {239} 239 Furusawa, A., J. L. Sorensen, S. L. Braunstein, C. A. Fuchs, H. J. Kimble, and E. S. Polzik. “Unconditional Quantum Teleportation.” Science 23, октябрь 1998, 282 (5389), стр. 706–709. DOI: 10.1126/science.282.5389.706 . Явление сначала было показано между отдельными фотонами, между фотоном и веществом, потом между отдельными ионами (заряженными атомами). Затем в 2012 году последовало сообщение о телепортации между макроскопическими объектами – достаточно большими, чтобы их видеть, – между двумя блоками атомов (каждый состоял примерно из ста миллионов атомов рубидия и был около миллиметра в диаметре), связанными 150-метровым оптоволокном. Сообщившая о явлении команда во главе с Цзяньвей Паном из Хэфэйской национальной лаборатории физики микромира в Университете науки и технологий Китая в Хэфэе заявила, что эту технику можно будет использовать для передачи и обмена информацией в будущих квантовых компьютерах и сетях, породив рассуждения о «квантовом интернете» {240} 240 http://arxiv.org/abs/1211.2892 .

Как бы ни впечатляли эти продвижения, такая телепортация, как в «Звездном пути», остается делом далекого будущего. В интервью для Scientific American один из авторов первого эксперимента 1998 года, Джефф Кимбл из Калтеха, на вопрос о самом большом заблуждении насчет телепортации ответил: «Представление, что посылается сам объект. Мы не будем рассылать материальное барахло. Если я хочу прислать вам „Боинг-757“, я могу выслать вам все детали, а могу – чертеж всех деталей, и выслать чертеж намного проще. Телепортация – это протокол пересылки из одного места в другое квантового состояния – волновой функции» {241} 241 Scientific American , 14 февраля 2008. http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=why-teleporting-is-nothing-like-star-trek&page=2 . Чтобы успешно телепортировать человека, вам понадобится примерно 10 32бит информации об атомах.

Но, конечно, можно передавать цифровые инструкции или программу, как предлагает Кимбл. Человеческий геном содержит всего около 6×10 9бит информации. Моя команда совершенствует способ посылать оцифрованную версию текста ДНК в виде электромагнитной волны – а потом использовать специфический приемник где-то вдали для воссоздания жизни. Это будет означать переход между двумя важнейшими категориями типов частиц. Вся жизнь, которую мы знаем на Земле, – это химические в своей основе системы, все структурные компоненты которых – ДНК, РНК, белки, липиды и другие молекулы – состоят из отдельных атомов разных химических элементов (углерода, водорода, кислорода, железа и так далее). Атомы и их составные части (например, электроны, окружающие ядро, и кварки, из которых ядро состоит) совокупно называются фермионами {242} 242 «Фермионы» названы в честь великого Энрико Ферми (1901–1954), этот термин введен английским физиком Полем Дираком (1902–1984), поделившим Нобелевскую премию по физике за 1933 год с Эрвином Шрёдингером «за открытие новых плодотворных форм атомной теории». . Другая обширная категория частиц – это бозоны, в том числе бозон Хиггса и все частицы, переносящие взаимодействия, а именно глюоны W и Z и фотон – материя электромагнитных волн. Ключевая разница между фермионами и бозонами – это квантовое свойство, называемое «спин». У бозонов по определению спин целый; у кварков, электронов и всех других фермионов спин равен 1/2. Это приводит к огромной разнице в их поведении и, в случае фермионов, делает возможной всю химию и, следовательно, биологию.

Когда мы читали генетический текст, секвенируя геном, мы превращали химический код ДНК в электронный компьютерный код, который можно преобразовать в электромагнитную волну, передаваемую со скоростью света. Мое внимание к тому, что эта процедура означает переход из одного великого царства частиц в другое, привлек Димитар Сасселов, директор гарвардской инициативы «Происхождение жизни»:

Итак, жизнь, как мы ее знаем и как она вроде бы исторически зародилась на нашей планете, есть фермионный феномен – все ее структуры сделаны из фермионов. Информация, записанная в молекуле ДНК, кодирована с помощью фермионов и читается с помощью фермионов. Наша нынешняя способность представлять эту информацию в цифровом виде и передавать ее на расстояние, используя электромагнитные волны (на скорости света!), отмечает переход жизни от чисто фермионной к бозонной {243} 243 Sasselov, Dimitar, в личной беседе 6 августа 2012. .

В Synthetic Genomics, Inc. (SGI) мы можем ввести перекодированный текст ДНК в программу, которая автоматически планирует, как воссоздать эту последовательность в лаборатории. Программа сама создает перекрывающиеся олигонуклеотиды длиной от 50 до 80 пар оснований, добавляет уникальные места рестрикции и «водяные знаки» и затем вводит их в интегрированный синтезатор олигонуклеотидов. Синтезатор быстро производит олигонуклеотиды, которые автоматически сшиваются вместе и собираются с помощью нашего робота для Гибсоновой сборки.

Хотя синтез олигонуклеотидов можно вести значительно точнее, чем сорок лет назад, этот процесс все еще чреват ошибками, в результате которых образуется фракция незапланированных последовательностей ДНК, и эта фракция растет с ростом размера фрагментов синтетической ДНК. Частота ошибок синтеза при сборке стандартных олигонуклеотидов обычно составляет одну ошибку на тысячу пар оснований. При такой частоте получается, что если ошибки в олигонуклеотидах не отсеять на ранней стадии процесса синтеза – например, путем клонирования и секвенирования или с помощью исправляющего ошибки фермента, – то большинство, если не все фрагменты ДНК длиной больше десяти тысяч оснований будут содержать ошибки. Чтобы решить эту фундаментальную проблему, мы предложили новый подход, который должен проложить путь к высокоточному синтезу ДНК.

Теперь мы можем после сборки олигомеров и ПЦР-амплификации удалять любую ДНК, содержащую ошибки, ферментом, который называется эндонуклеаза. Этот специальный биологический робот был открыт при помощи системы программного обеспечения Archetype , разработанной Тоби Ричардсоном и его командой в SGI для хранения, управления и анализа данных по биологическим последовательностям. Процесс «работы над ошибками» начинается с денатурации и ренатурации ДНК, амплифицированной ПЦР, так что она образует двухцепочечные молекулы. Некоторые из этих молекул имеют во всех позициях «правильные», соответствующие друг другу нуклеотиды, и эндонуклеаза их игнорирует. Однако ДНК, в которой случилась замена, выпадение или вставка, тоже объединится в двойную цепочку с правильной ДНК (просто потому, что правильных молекул в реакционной смеси во много раз больше). Тогда в том месте, где в одной из цепочек ошибка, в двойной цепочке окажутся несовпадающие пары оснований. Такая ДНК (она называется гетеродуплексной) распознается и расщепляется эндонуклеазой.