Знание-сила, 2008 № 01 (967)

Наши компьютеры этого ждали

Кажется, решения Нобелевского комитета ждали все компьютеры мира, на экранах которых вдруг высветились фамилии «крестных отцов» современной цифровой техники. Ведь премия по физике была присуждена именно за разработку технологии, которая позволила значительно увеличить плотность хранения информации на жестких дисках.

Начиналось же все с фундаментальных исследований. Как известно, количество информации, содержащейся на магнитных носителях, будет тем больше, чем чувствительнее окажутся сенсоры, считывающие эту информацию. Именно разработкой особо чувствительных сенсоров и занимались двадцать лет назад немецкий физик Петер Грюнберг и его французский коллега Альбер Ферт.

В 1988 году они независимо друг от друга обнаружили, что электрическое сопротивление тонких магнитных слоев резко меняется при самом незначительном изменении внешнего магнитного поля, а потому подобные материалы могут служить идеальными сенсорами. Этот физический эффект — гигантское магнитосопротивление, или GMR-эффект, можно использовать, например, при разработке считывающих головок жестких дисков.

Открытие пришло не случайно. В конце 1980-х годов многие исследователи искали новые способы уплотнения информации, наносимой на магнитные носители. Грюнберг сразу же запатентовал свое открытие, опередив коллегу из Франции, а в 1997 году компания IBM начала выпуск по лицензии компьютеров, в конструкции жестких дисков которых использовался GMR-эффект. Благодаря этому емкость дисков стала исчисляться многими гигабайтами. В настоящее время созданы модели дисков, способные хранить уже 1000 гигабайт информации.

Принято считать, что именно данный эффект стал первым практическим применением нанотехнологии в современной электронной промышленности. Ведь он был открыт при исследовании так называемых «микроскопических сэндвичей», которые представляли собой два слоя ферромагнитного материала (железа или кобальта), разделенных тончайшей прослойкой немагнитного материала (хрома); толщина последнего составляла всего несколько рядов атомов.

В наши дни это чисто фундаментальное научное открытие приносит миллиардные прибыли. Жесткими дисками, изготовленными на основе GMR-эффекта, оснащены персональные компьютеры, МР3-плейеры, DVD-техника. Все пользователи современной цифровой аппаратуры должны быть благодарны Грюнбергу и Ферту за их открытие, так облегчившее нам повседневную жизнь.

В последние годы оба ученых были удостоены ряда международных премий, в частности в 2006 году Петер Грюнберг был назван «европейским изобретателем года». Грюнберг любит вспоминать один школьный эпизод, определивший всю его последующую жизнь. «Ребенком я заинтересовался, почему планеты вращаются вокруг Солнца». Школьный учитель объяснил Петеру, что все дело — в силе притяжения, и установил это Исаак Ньютон. Так в мальчике пробудился интерес к физике, к тому, как устроен мир, окружающий нас. Так знание стало силой.

Нобелевской премии по медицине и физиологии 2007 года удостоены трое биохимиков, создавших в 1970-е годы метод изучения функций генов путем их нокаутирования — американцы Оливер Смитис и Марио Капекки и англичанин сэр Мартин Эванс.

Как нокаутировать ген? Гены находятся в молекулах ДНК, которые свернуты в виде хромосом. Хромосомы существуют попарно, одна от матери, другая от отца, и на хромосомах данной пары (кроме половых) набор генов одинаков, то есть хромосомы каждой пары «гомологичны». Эти гомологичные пары есть во всех клетках данного организма. Как же добраться до нужного единичного гена и выключить его? Чтобы полностью выключить какой-нибудь ген во всем организме, нужно добраться до каждой его клетки. Как это сделать?

Организм зарождается из встречи двух половых клеток, материнской и отцовской. Возникшая в результате их слияния первая эмбриональная клетка вскоре делится на две и потом еще на две, и еще, и еще. Образуется первоначальная стадия эмбриона — бластоциста. Часть ее клеток уже на этой стадии отделяется от остальных и откладывается «про запас», в виде так называемых эмбриональных стволовых клеток (ЭСК). ЭСК остаются настолько незрелыми, что сохраняют способность при необходимости трансформироваться в клетки любого органа или ткани взрослого организма.

Капекки, Эванс и Смитис придумали, как использовать ЭСК для целей нокаутирования генов. Если изъять одну ЭСК из бластоцисты в пробирку, нокаутировать в ней нужный ген, затем размножить получившуюся «нокаутированную» ЭСК и вернуть всех ее потомков в бластоцисту, то он получится «мозаичный». В части его клеток данный ген будет работать, в другой нет. Следующий шаг — бластоцисту подсаживают в «суррогатную» мышку-мать, там она развивается до состояния зародыша и рождается в виде «мозаичной мыши», у которой часть клеток имеет данных ген в активном состоянии, а часть — в нокаутированном. Третий шаг — знакомим мозаичную мышь с нормальным партнером и получаем их потомство.

Часть половых клеток мозаичной мыши будет нормальной и понесет с собой к потомкам работающий ген; другая часть понесет тот же ген, но нокаутированный. От второго партнера все половые клетки будут нормальные. Берем двух таких мышей и скрешиваем друг с другом. Часть потомков получится из слияния половой клетки мамы-мыши с нокаутированной хромосомой и отцовской клетки папы-мыша тоже с нокаутированной хромосомой — и вот тут-то, наконец, мы получим мышей, у которых нужный ген будет нокаутирован в обеих гомологичных хромосомах — и во всех клетках организма.

Осталось еще понять, как нокаутировать нужный ген в выделенной ЭСК. Эту часть «проекта» реализовали — независимо от Эванса — Капекки и Смитис. Они тоже использовали возможность, дарованную природой, и опять же — в иных целях. Природа, «стремясь» увеличить разнообразие особей внутри вида (чем они разнообразней, тем скорей среди них найдутся носители новых полезных свойств), «придумала» для этого так называемую «гомологическую рекомбинацию» хромосом (ГР). Этот процесс состоит в том, что перед делением клетки гомологичные хромосомы каждой пары переплетаются и обмениваются частями — генами. Гены материнской и отцовской хромосом слегка различны, поскольку предки матери и отца прошли долгий разный путь и могли обрести на этом пути несколько разные «генетические поправки», а то и мутации. Поэтому гомологическая рекомбинация (ГР) действительно создает потомка с несколько новыми свойствами сравнительно с отцом и матерью.

Капекки показал, что ГР — обмен участками между гомологичными хромосомами — может происходить не только между двумя хромосомами одной и той же пары, но также между одной из них и «внешней» молекулой ДНК, специально для этого введенной в клетку. Капекки экспериментировал с клетками млекопитающих, у которых один какой- то ген был испорчен мутацией. Вводя в клетку (в пробирке) «здоровую» ДНК, он создавал возможность обмена генами (то есть ГР) между этой ДНК и «больной» хромосомой, в результате чего больной ген переходил на «внешнюю» ДНК, а здоровый — на хромосому. Смитис обнаружил, что этот метод позволяет нокаутировать любой ген, не взирая на его функцию и степень активности. Однако и Капекки, и Смитис работали с клетками взрослых организмов, поэтому они не могли продвинуться к нокаутированию всех клеток, то есть к созданию «нокаутированного организма». И тут появились работы Эванса по эмбриональным стволовым клеткам, которые эту возможность открывали. В 1989 году Капекки и Смитис, соединив обе половинки пазла — ГР и ЭСК, — создали первую в истории нокаутированную мышь, то есть мышь, во всех клетках которой был выключен один и тот же ген. В дальнейшем Капекки усовершенствовал метод, придумав способ эффективного различения нокаутированных и не-нокаутированных ЭСК в пробирке (так называемых позитивно-негативный отбор).

Сергей Смирнов