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

В 1973 г. группа ученых из Стэнфорда под руководством Пола Берга сумела перенести ген из одного вируса в другой. Можно сказать, что с этого эксперимента по биологическому семплированию началась современная биология. Тогда были заложены основы биотехнологии, которая постепенно заняла ведущие позиции. Сегодня среди наук о жизни нет ни одной, которая бы не пользовалась этими методами. Работа по выявлению дефектных генов, приводящих к развитию заболеваний, а затем расшифровка всех наших генов в рамках проекта «Геном человека» были бы невозможны, если бы мы не умели выделять гены и переносить в бактерии, где их можно было бы комбинировать, описывать и изучать. В той области научных исследований, которой я занимаюсь, а именно — генетике развития, чтобы понять, что гены делают, они также выделяются из одного организма и встраиваются в другой, который лучше изучен или с которым проще работать. Мы брали гены человека и переносили их в бактерии, а потом, повозившись с кодом, внедряли в геном мышей. За два десятка лет с начала 1980-х гг. рекомбинация стала обычным инструментом в биологии.

С наступлением XXI в. младенческий период в развитии генетики, генной инженерии и молекулярной биологии закончился, сменившись детством. То время, прошедшее под знаком проекта по расшифровке генома человека, казалось сумасшедшим, насыщенным находками и открытиями. Наверное, такое ощущение появляется у всех, кто работает в научной области, переживающей революцию. Но сейчас, оглядываясь назад, я понимаю, что мы все работали слишком медленно и неэффективно — главным образом из-за того, что многие манипуляции, которые мы проделывали с ДНК и на которых были основаны наши эксперименты, приходилось изобретать каждый раз заново. Мы словно разрезали пленочные записи звуков каллиопы всякий раз, когда хотели использовать семплирование. Это был мир исключительно ручного рекомбинирования.

Так бывает со всеми новыми технологиями. Сначала их нужно изобрести. На этом этапе проводится множество экспериментов, а сам процесс разработки выглядит немного хаотичным. Затем они доводятся до ума и внедряются повсеместно, благодаря чему все получают к ним доступ. К новым технологиям быстро привыкают. Работать с ними становится легче. Они перестают быть чем-то необычным. Сегодня семплирование в музыке — простейшая операция, которую вы можете проделать даже на смартфоне. Я набираю эти слова с помощью технологии, которую невозможно было представить себе еще 50 лет назад, технологии, которую я едва понимаю, но которая практически всегда работает так, как ожидаешь, и основана на принципах электроники и определенных свойствах материалов. Ударяя по кнопкам, я заставляю электроны бежать по цепям через логические элементы и транзисторы в светоизлучающие диоды. Процесс этот настолько сложен, что я вряд ли смогу до конца понять, как это все на самом деле работает. Буму в электронике способствовала всеохватная торговля компонентами электронных схем. В результате они все больше и больше стандартизировались. Так что вам не нужно изобретать диод каждый раз, когда вы хотите его использовать. Достаточно просто купить его и соединить с другими компонентами. При этом вы прекрасно понимаете, что получите на выходе.

Компоненты становились все меньше, и создание все более сложных схем упрощалось. Сегодня полупроводниковая электроника используется практически во всех сферах жизни людей.

Все это хорошо известно тем, кто стоял у истоков синтетической биологии. Это были инженеры-электротехники и математики главным образом из Стэнфорда и Массачусетского технологического института в США, которые заметили, что по сути своей генетика — это закодированная цепь микросхем, которую можно собирать и разбирать, но сами генетики тратят полжизни на то, чтобы раз за разом заново изобретать эти микросхемы. Если бы компоненты, используемые в генной инженерии, удалось стандартизировать так же, как это произошло с компонентами электронных схем, это бы позволило многократно ускорить процесс внедрения наработок биологов в условиях промышленного производства.

Как раз это они и сделали. В 2006 г. основали некоммерческую организацию BioBricks Foundation, в задачу которой входило создание общедоступного хранилища стандартных частей ДНК, слегка измененных для того, чтобы их можно было комбинировать и складывать вместе, как лего. В итоге получился самый настоящий конструктор: гены и генные переключатели выделялись в виде нитей ДНК, а их концы формировались таким образом, чтобы они могли соединяться с концами других элементов, образуя биологически правильную последовательность. Любую из этих генетических деталей можно было взять из хранилища и разослать по всему миру на небольшом кусочке фильтровальной бумаги. При добавлении раствора ДНК просто открепляется от бумаги и присоединяется к следующему компоненту по принципу домино. Свести генную инженерию к такой простой операции — вещь немыслимая не только для науки прошлого, но даже и для современной науки.

Несмотря на недюжинную прозорливость и способность предсказывать будущее технологий, никто из классиков научной фантастики не сумел распознать потенциал новой науки. Эволюция с ее доведенным до совершенства за 4 млрд лет методом проб и ошибок обеспечила планету мощнейшим ресурсом для построения форм жизни — генами во всем их бесконечном разнообразии, обеспечивающем выживание внутри организма-хозяина в условиях меняющейся внешней среды. С появлением синтетической биологии мы получили систему, которая позволяет брать эти кирпичики эволюции и комбинировать их не так, как требуется для выживания организма-хозяина, а как нужно нам.

Существует много направлений синтетической биологии. Ряд исследователей не просто переписывают генетический код для определенной цели, но дополняют язык ДНК буквами, которых не существует в природе, или скорректированными версиями ДНК, которых никогда прежде не было. Другие делают упор на использование ДНК в качестве хранилища данных — собственно, в этом и заключается ее главная функция в естественных условиях. Гены — информация, а ДНК как формат данных отличается исключительно высокой степенью устойчивости, благодаря чему мы можем восстановить геномы людей и организмов, которые умерли десятки или даже сотни тысяч лет назад. Поскольку это не просто данные, а ДНК, мы точно не потеряем интерес к этому формату. Например, в мире цифровых носителей информации целостность данных нарушается, а форматы устаревают даже не за десятилетия — за считаные годы. Помните 5-дюймовые дискеты? Или видеокассеты? В рамках нескольких проектов в разных странах мира были успешно проведены опыты по сохранению на ДНК видеороликов, сонетов Шекспира, книг и иных цифровых данных. При этом ДНК в настоящее время имеет самую высокую плотность записи информации, на несколько порядков превышающую плотность записи на Blu-ray. Пока у ДНК как носителя цифровой информации есть один большой недостаток — невысокая скорость записи и чтения, из-за которой она подходит только для долгосрочного архивирования. Однако не исключено, что в будущем мы будем пользоваться компьютерами с ДНК вместо жесткого диска.