Коллектив авторов - На что похоже будущее? Даже ученые не могут предсказать… или могут?

Мы уже видим результаты применения различных технологий, связанных с CRISPR, в нашей повседневной жизни — от серьезных (борьба с вымиранием пчелиных колоний) до курьезных (возможность выбрать цвет своего будущего питомца — собаки, карликовой свиньи или карпа кои). В следующие несколько десятилетий благодаря им могут быть созданы сложные синтетические биоцепочки, превращающие клетки в фабрики по производству биотоплива, а также выведены устойчивые к инфекциям породы домашнего скота. Более того, существуют планы по выведению «CRISPi-кур», в геном которых будут встроены инструменты для CRISPR-редактирования. Наконец, стоит упомянуть о так называемых фармацевтических средствах — например, трансгенных курах, в яйцах которых будет содержаться препарат для борьбы с проблемами, вызванными холестерином.

Еще одна возможная сфера применения геномных технологий — попытки воскресить вымершие виды животных. Уже началась работа по изменению генома эмбрионов слона с целью воссоздания мамонтоподобных шерстистых арктических слонов. Другой вид, который пытаются вернуть к жизни ученые, — странствующие голуби, истребленные нами в XIX в.

Теперь, когда освоены методы расшифровки, мы легко можем провести параллели между ДНК, рассматривая ее как систему кодирования, и вычислительными системами. Последние несколько десятилетий одним из главных факторов геномной революции была революция цифровая. И вот настал черед ДНК участвовать в развитии информационных технологий, выступая в качестве движущей силы инноваций. Запас долговечности у ДНК как носителя, используемого в качестве хранилища данных, вне всякого сомнения, намного больше, чем у любого другого вида носителей за всю историю развития информационных технологий. Причем, в отличие от дискет и компакт-дисков, использовать ее можно будет до тех пор, пока на планете будут люди, располагающие технологией ее расшифровки. Еще одно преимущество ДНК как хранилища данных — размер: весь наш геном умещается в клеточном ядре, диаметр которого обычно составляет 2–10 микрон. Много это или мало? Микрон — это одна миллионная часть метра. Даже человеческий волос имеет толщину около 75 микрон. Чтобы доказать саму возможность использования ДНК в качестве хранилища, не так давно был проведен эксперимент, в ходе которого в нее удалось поместить текстовые файлы и аудиофайлы, включая 154 сонета Шекспира и 26-секундную аудиозапись речи Мартина Лютера Кинга «У меня есть мечта». Для записи использовался двоичный код, аналогичный тому, который применяется в цифровой технике, с той лишь разницей, что в качестве битов (нулей и единиц) в нем выступают основания A, C, G и T в различных комбинациях. Бит — наименьшая единица информации, которая может храниться и обрабатываться на компьютере. Чтобы закодировать сонеты Шекспира с помощью ДНК, потребовалось 5,2 млн битов.

Хранение данных — не единственная сфера применения ДНК: перспективы построения самих вычислительных систем на основе ДНК кажутся даже более захватывающими, хотя в вопросе о возможности реализации этой идеи и сохраняется некоторая неопределенность. Все началось с использования ДНК для решения ряда сложных задач. Это вызвало живой интерес у специалистов в области вычислительных систем, которые ищут пути снижения стоимости и снятия технологических ограничений, связанных с производством все более миниатюрных компонентов для все более компактных компьютеров, смартфонов и планшетов, ставших неотъемлемой частью нашей жизни. Непрерывный процесс миниатюризации устройств вот-вот достигнет своего предела: по прогнозам исследователей из компании Intel, это произойдет уже в ближайшее время. Но в ДНК-компьютерах в качестве входных данных выступают отдельные молекулы, а молекулы белков могут использоваться как процессоры. В отличие от традиционных вычислительных систем, в которых данные обрабатываются последовательно, на что уходит много времени, ДНК-компьютеры способны осуществлять обработку информации в параллельном режиме, а значит, скорость обработки вырастает многократно. Расчеты проводились с использованием свободноплавающих ДНК или РНК в пробирках или на стеклянных пластинах, похожих на предметные стекла для микроскопа, со слоем золота, воспроизводящим разметку системной платы. На этой поверхности создается и закрепляется набор молекул ДНК, кодирующих возможные решения какой-либо вычислительной задачи.

Они также могут использоваться там, где обычные компьютеры просто не поместятся: внутри клетки или в составе тончайших синтетических материалов. Это открывает перед нами новые возможности: мы сможем создавать крошечные биокомпьютеры, которые будут проникать в клетки, находить пораженные болезнью ткани и избирательно запускать ведущую к самоуничтожению последовательность или же перепрограммировать поврежденную ДНК клетки. Например, можно было бы перепрограммировать раковые клетки таким образом, чтобы остановить их распространение и рост опухоли, или заставить стволовые клетки обновлять органы. Кроме того, уже были проведены опыты, показавшие, что с помощью биокомпьютеров можно контролировать процесс введения биологически активных терапевтических молекул, включая некоторые препараты.

Созданы не менее впечатляющие примеры молекулярных цепей на базе ДНК, в том числе кодирующая разновидность игры в крестики-нолики (которая способна составить конкуренцию человеку в интерактивном режиме) и извлекающая квадратный корень, а также искусственные нейронные сети, способные к автономной работе, похожей на работу мозга. Однако пока что попытки повторить логику цифровых компьютеров, к сожалению, не привели к достойному результату, и вычислительная мощность ДНК в выполнении какого бы то ни было алгоритма не идет ни в какое сравнение с существующими кремниевыми компьютерами.

Тем не менее возможностей для практического применения новых технологий в биологии и биомедицине предостаточно. С развитием вычислений на основе ДНК в ближайшие десятилетия появятся новые, более совершенные ДНК-устройства, которые будут использоваться в качестве биодатчиков, при постановке диагноза, в нанопроизводстве и управлении биологическими процессами в наших собственных клетках. Они также будут задействованы в разработке «умных» лекарственных препаратов — веществ, которые способны распознавать и анализировать различные физиологические параметры, а также выполнять логические операции с целью введения препаратов или регуляции экспрессии генов, — и методов доставлять их в то место в теле, где они больше всего нужны. Если не ограничиваться «умными» технологиями, которые будут определять наш образ жизни и самочувствие в будущем, исследования на стыке ДНК и компьютерных вычислений могут приблизить нас к ответу на вопрос о последовательности шагов, приведшей к появлению жизни в известных нам формах.