Знание-сила, 2001 № 12 (894)

Живые компьютеры

Итак, мы вступили в двадцать первый век и иростились с двадцатым. Мы простились с веком физики, в котором расшепили атом и превратили обычный песок во всемогущие компьютеры, и вступили в век биотехнологии. Определяющим событием двадцатого века стало открытие электрона в 1897 году. Такой же ключевой момент для века наступающего – догадка Джеймса Уотсона и Фрэнсиса Крика в 1953 году о том, как происходит самокопирование молекулы ДНК. Теперь совершено, возможно, важнейшее научное открытие всех времен – расшифровка генома человека, состоящего из десятков тысяч генов.

Из века физики мы переходим в век биологии и компьютерных технологий. А вот и сюжет, объединяющий две эти области знания.

Компьютерные журналы поместили новость о том, что исследователи университета в Принстоне разработали компьютер, в основе которого лежит молекула РНК. Преимущества генетических молекул ДНК и РНК заключаются в их возможности запоминать намного больше информации на единицу объема, чем это характерно для традиционных компьютерных технологий. В одном литре раствора могут находиться миллиарды миллиардов таких молекул (точнее, 10 в 17-й степени). Кроме того, биомолекулярный компьютер может параллельно выполнять тысячи и миллионы операций.

Идея молекулярного вычислителя состоит в представлении машинного слова в виде состояний А, Т, С и G, которые можно сравнить с «0» и «1» в обычной компьютерной логике. Этими четырьмя буквами латинского алфавита обозначаются четыре азотистых соединения – аденин, тимин, цитозин и гуанин, которые располагаются на ДНК в определенной последовательности, а их порядок определяет закодированную информацию. Фундаментом системы хранения биологической информации является способность атомов водорода, входящих в эти соединения, при определенных условиях притягиваться друг к другу, образуя связанные пары А=Т и C=G. Именно благодаря этому притяжению и образуется знаменитая двойная спираль, обеспечивающая возможность удвоения нитей ДНК при размножении клетки. Кстати, первым идею биокомпьютера предложил в 1994 году известный криптограф Леонард Адельман.

Сегодня генетические компании научились быстро синтезировать молекулы с любыми последовательностями оснований. Потом молекулы можно резать в определенных местах, потом – сшивать их с другими молекулами, при желании – размножать в большом количестве. Методы молекулярной биологии позволяют даже прицеплять к молекулам ДНК крошечные металлические шарики, а потом отбирать их при помощи большого магнита снаружи.

Процесс вычисления в биокомпьютере – это поиск молекул, состояние которых ближе к ожидаемому. На выходе такой машины получаются молекулы ДНК с определенной последовательностью элементов, которые можно считывать, подобно музыке с магнитофонной кассеты. Для реальных экспериментов использовалась капсула, содержащая 1024 различных состояний РНК, позволяющих просчитывать простые варианты классических шахматных задач. Пока новая система не может заменить традиционные компьютеры на основе кремниевых микросхем, но заставляет задуматься о том, что же такое компьютер XXI века?

Главное преимущество, которое дает ДНК-компьютер, – это беспрецедентная параллельность вычислений. Производительность отдельной ДНК оценивается в одну операцию за тысячу секунд или 0,001 операций в секунду, то есть упомянутый выше литр раствора сможет делать больше 10 в 14-й степени операций в секунду. Сегодня самые мощные компьютеры имеют быстродействие 10 в 12-й степени операций в секунду. Однако не надо забывать, что эти компьютеры – огромные шкафы с тысячами процессоров. Еще одно важнейшее свойство – экономный расход энергии: ДНК-компьютер сможет совершать 10 в 19-й степени операций на джоуль израсходованной энергии – это в миллиард раз экономнее, чем в кремниевых системах.

К сожалению, жизнь гораздо сложнее, чем самые красивые теоретические построения. Основная проблема – сложность и трудоемкость всех операций, совершаемых с ДНК. По идее, их можно автоматизировать, но это пока сделано лишь частично. Очень трудно считывать результат: за один раз можно проанализировать цепочку лишь в несколько тысяч элементов, вдобавок это весьма дорогостоящая операция.

Следующая проблема – ошибки в вычислениях. Для биологов точность в один процент при синтезе и определении последовательностей оснований (так биологи называют А,Т,С и G) считается очень хорошей. Для компьютерных вычислений она абсолютно неприемлема. Появление ошибок возможно и на всех других операциях с ДНК (например, ее разрезании). Решения задачи Moiyr теряться во время выведения результатов – молекулы просто прилипают к стенкам сосудов и т.д. Кроме того, в ДНК самостоятельно могут происходит точечные мутации.

Есть у биокомпьютера и еще одно неприятное свойство: ДНК со временем распадаются. Ученые ищут сейчас средства борьбы с этим явлением.

1866 – австрийский ботаник и монах Грегор Мендель открыл основные законы наследственности в ходе экспериментов с фасолью. Он опубликовал их в журнале естественной истории, но более тридцати лет на них никто не обращал внимания.

1882 – изучая клетки ящериц под микроскопом, немецкий эмбриолог Вальтер Флеминг заметил там маленькие «ниточки», которые делились на части. Позднее оказалось, что это хромосомы.

1910 – американский биолог Томас Хант Морган во время своих экспериментов с фруктовыми тлями обнаружил, что некоторые генетически определяемые черты связаны с полом. В результате его работ стало ясно, что гены, определяющие эти черты, расположены в хромосомах.

1926 – американский биолог Герман Меллер открыл влияние рентгеновских лучей на генетические изменения в организме тлей – мутации.

1944 – Освальд Эвери, Колин МакЛеод и Маклин МакКарти доказали, что именно ДНК, а не белки отвечают за наследственность.

1953 – открытие двойной спирали ДНК Уотсоном и Криком.

1964 – генетик из Стэнфорда Чарльз Яновский с коллегами доказали, что последовательность элементов ДНК в точности соответствует последовательности аминокислот в белке.

1973 – первый успех генной инженерии: американские биохимики Стэнли Коэн и Герберт Бойер встраивают ген африканской жабы в ДНК бактерии, при этом ген начинает успешно работать.

1976 – в Сан-Франциско создана первая компания генной инженерии «Genetech».

1978 – исследователи из «Genetech» совместно с учеными из медицинского центра «Дуарте» клонировали ген человеческого инсулина.

1980 – Мартин Клайн с коллегами перенесли гены от одной мыши к другой. 1982 – американское правительство одобрило первое лекарство, созданное при помощи генной инженерии, – человеческий инсулин, выработанный бактерией.

1984 – Алекс Джеффри из Британского университета Лейчестера разработал систему «генетических отпечатков», которая использует уникальные последовательности ДНК для идентификации личности.

1986 – американское правительство одобрило первую вакцину для человека (от гепатита В), созданную методами генной инженерии.

1988 – Гарвардский университет получил первый патент на генетически измененную мышь.

1990 – американский генетик Френч Андерсон провел первую генетическую операцию на четырехлетней девочке с нарушениями функций иммунной системы.

1992 - американские и британские ученые разработали технику генетического тестирования человеческих эмбрионов на наличие генетических нарушений, вызывающих такие заболевания, как гемофилия и некоторые другие.

1997 – исследователи из шотландского института Рослина под руководством Яна Вильмута клонировали овечку по кличке Долли.

1998 – исследователи университета на Гавайях, используя методику Вильмута, клонировали мышей, создав не только добрый десяток копий одного и того же существа, но и три поколения клонов.

1998 – главным аргументом Моники Левински в ее претензиях к президенту США Биллу Клинтону был ДНК-анализ спермы с ее платья.

1998 – ДНК-тест доказал, что один из президентов США Томас Джефферсон имел как минимум одного ребенка от своей рабыни Салли Немингс.

1998 - в японском университете Кинки созданы восемь одинаковых телят из клеток, взятых от одной взрослой коровы.

Подготовил Алексей Еленин (#mailto:elemn@bizon.ru ) по материалам Интернета.