Ученым удалось создать систему хранения информации внутри микроорганизма
Группа японских исследователей объявила об открытии метода использования бактериальной ДНК в качестве долговременного носителя информации. Специальная методика позволяет осуществлять операции копирования и вставки внутри геномных последовательностей живых микроорганизмов, являющихся, таким образом, своеобразными системами хранения данных. Изобретение открывает прямой путь к созданию биокомпьютеров, работа которых будет основана на химических, а не на физических реакциях.
Как известно, в живых клетках генетическая информация закодирована в молекуле ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Молекула ДНК представляет собой информационную последовательность, состоящую всего из четырех «букв» — азотистых оснований: аденина, тимина, гуанина и цитозина. Последовательность этих оснований в цепи ДНК и определяет генетический код. Уточним: в сущности, механизм кодирования информации в ДНК построен на использовании в качестве «буквы» значимой единицы информации не одного, а сразу трех, расположенных один за другим нуклеотидов — так называемого кодона, из которого и состоят фрагменты молекулы, определяющие те или иные черты клетки или многоклеточного организма, — гены.
В сущности, «книга», написанная генами, учеными до сих пор не прочитана. «Выражение «Расшифрован геном человека», часто всплывающее в заголовках малограмотных квазинаучных новостей, истине не соответствует: лишь 10% генома различных видов, в том числе и человека, можно считать действительно расшифрованными, ведь это слово предполагает, что мы понимаем, какие признаки вида определяет тот или иной ген, — рассказал РБК daily Александр Баранов, президент Общенациональной ассоциации генетической безопасности. — Геном человека полностью прочитан — установлена последовательность всех кодонов входящих в его состав молекул ДНК — но не расшифрован полностью». Примечательно, что для целей создания постоянно запоминающего устройства из органических молекул такое понимание и не нужно. Произвольно изменяя последовательность нуклеотидов, можно закодировать в молекуле ДНК хоть «Войну и мир», хоть программное ядро Windows.
Синтезировать произвольные последовательности нуклеотидов современная молекулярная аппаратура позволяет довольно быстро. «Формирование произвольной последовательности нуклеотидов осуществляется при помощи специальных ферментов, вырезающих нужный фрагмент цепочки ДНК, который впоследствии можно вставить в другую цепочку, — рассказал РБК daily сотрудник Института биологии развития РАН генетик Алексей Куликов. — Именно так, например, можно изготовить генетически модифицированный сорт растения — вклеить нужный ген в одну из его молекул ДНК. Выросшее из измененного семени растение сможет, скажем, не бояться тех гербицидов, которые убивали сорт, не подвергавшийся модификации. Операции подобного рода вполне можно назвать точечными, а процесс выделения и переноса фрагмента занимает минуты».
Первые попытки ученых по примеру природы использовать молекулы ДНК для хранения и обработки данных имели место более десятилетия назад. Еще в 1994 году Леонард Эдлмен из Южнокалифорнийского университета решил при помощи «биохимического калькулятора» несложную математическую задачу, состоящую в том, чтобы найти маршрут движения с заданными точками старта и финиша между несколькими городами, в каждом из которых путнику разрешается побывать только один раз. Обычный компьютер решает задачи прямым перебором всех возможных вариантов. Как удалось это сделать биохимическому собрату привычной нам умной машины? Исследователь кодировал каждый город и каждый путь между двумя любыми городами уникальной последовательностью из 20 нуклеотидов, а затем поместил в пробирку около 100 трлн молекул ДНК, содержащих все возможные 20-нуклеотидные последовательности. За счет эффекта склеивания, возникающего между аденином и тимином, а также между гуанином и цитозином, отдельные цепочки ДНК соединились друг с другом случайным образом. Подобный процесс лежит в основе синтеза молекул ДНК, без которого невозможно существование органической жизни. Хитроумный исследователь использовал его для изготовления молекул, воспроизводящих все возможные маршруты между городами, а затем, опять-таки биохимическими методами, удалил те из них, которые не соответствовали условиям задачи. Оставшиеся молекулы и представляли собой ее решение. Сложно? Но ведь принцип обработки данных обычным компьютером едва ли проще.
Полученной технологией воспользовались другие любители несложных математических вычислений, кое-кому удалось решать при помощи «варки первобытного бульона» даже простые шахматные задачки. Для решения действительно сложных задач этих скоростей пока явно недостаточно, но не будем забывать, что мощность кремниевых процессоров всего лишь десятилетней давности показалась бы нам теперь смехотворной — так быстро шагает прогресс в области информатики.
Любопытно, что уже сейчас существует возможность изготовления нужных цепочек ДНК буквально с нуля: для задач кодирования информации биохимическими методами это более чем важное достижение. «Есть и методы химического синтеза цепочки ДНК: в случае если нужна короткая последовательность кодонов, возможно нарастить цепочку, выстраивая нуклеотиды в нужном порядке», — говорит г-н Куликов. Одним из важных вопросов, связанных с использованием ДНК в качестве носителя информации в вычислительных системах, является ее нестабильность вне клетки. «Продолжительность жизни ДНК сопоставима со сроком жизни клетки.
Другое дело, что в цепочке ДНК время от времени происходят мутации — непроизвольная замена или разрушение отдельных фрагментов, — поясняет Алексей Куликов. — Однако генетический текст постоянно контролируют специальные ферменты — репаразы, вовремя устраняющие в нем нестыковки и несоответствия. Если количество мутаций достигает критической массы и репаразы уже не могут с ними справиться, включаются механизмы саморазрушения клетки — кстати, именно этот процесс в организмах животных вызывает рак. У молекулы рибонуклеазы (РНК), при помощи которой и осуществляется копирование и сборка ДНК, срок жизни намного меньше. Разумеется, он определяется стохастическими, случайными процессами, но средняя его продолжительность колеблется в рамках от нескольких секунд до нескольких часов». Совершенно ясно, что разработчикам биокомпьютера придется решить вопрос о среде, в которой будут находиться молекулы ДНК; биокомпьютер, таким образом, скорее всего будет построен из элементов, напоминающих настоящие клетки целым рядом функций. И здесь открытие японских ученых ставит методику использования ДНК в качестве носителя произвольной информации на новый уровень.
Впрочем, создание биокомпьютера — задача отнюдь не ближайшего будущего, определены лишь самые общие методы его конструирования. Да и количество специалистов, занимающихся проблемой, до обидного ничтожно. «В России эксперименты в области построения биокомпьютеров не ведет никто, — рассказали РБК daily в Институте проблем информатики. — Пока что это скорее фантастика, чем практика. Существуют отдельные работы, посвященные системам передачи информации в клетках человеческого мозга, но до конструирования биокомпьютеров еще далековато».
Ученым удалось создать систему хранения информации внутри микроорганизма