Геном человека: Энциклопедия, написанная четырьмя буквами - Вячеслав Тарантул

И, наконец, принципиально изменилось взаимодействие между учеными разных стран. С помощью компьютера исследователи из многочисленных научных лабораторий мира осуществляют обмен идеями, результаты их работ быстро появляются в Интернете, там же ученые ищут интересующие их сведения, публикуемые коллегами. Всемирная паутина позволяет специалистам не только обмениваться сообщениями, но и за считанные минуты просматривать специализированные базы данных международных центров, в то время как в обычной библиотеке без специальных программ на это ушли бы дни и месяцы. Уж не говоря о том, что на такие полные библиотеки пришлось бы в каждом научном учреждении тратить гигантские средства. В России, под руководством профессора А. А. Александрова, создана большая и весьма полезная база знаний, в которой любой желающий, имеющий доступ к Интернету, может найти сведения обо всех аспектах, связанных с биологией человека (сайт http://obi.img.ras.ru).

В значительной мере потенциал био- и геноинформатики определяется техническими возможностями. Недавно появилось сообщение, что корпорация IBM продала свой самый мощный в мире коммерческий компьютер компании NuTec Sciences, которая будет использовать его в исследованиях генома человека. Производительность этого компьютера составляет 7,5 трлн. операций в секунду. Он построен на базе 5000 процессоров. И это один из важных путей совершенствования геноинформатики.

Если заглянуть в материал, хранящийся в наиболее полном архиве PubMed, то на конец 2002 года там можно найти свыше 10,5 тыс. научных публикаций, в которых упоминаются слова «геном человека». Сейчас очень трудно уследить за всей информацией, которая появляется ежедневно по данной проблеме. В этой связи одним из перспективных путей развития биологии и генетики в XXI веке сейчас считается создание полной компьютерной модели клетки. Только сверхмощные компьютеры способны обеспечить хранение, систематизацию и переработку той огромной фактической информации, которая накопилась учеными за последнее столетие. Такие клеточные модели теоретически способны не только анализировать существующие базы данных, но и предсказывать ученым пути поиска недостающих звеньев. И здесь для биоинформатики еще предстоит работа на многие десятилетия.

Один из впечатляющих результатов био- и геноинформатики — создание методов и подходов для выявления новых узконаправленных лекарств на основании анализа генов и пространственных структур кодируемых ими белков. Поиском лекарств нового поколения сейчас активно заняты многочисленные фирмы. Приемы и методы современной биоинформатики позволяют с помощью компьютерного моделирования очень быстро проводить проверку огромного числа химических соединений (в распоряжении исследователей сейчас имеется свыше 2 миллионов таких соединений) с целью выбора тех из них, которые специфически действуют на различные белки-мишени, участвующие в развитии определенных патологий у человека. Такой анализ осуществляют с помощью специальных компьютерных программ на базе известных пространственных структур белков. Этот подход получил специальное название «дизайн лекарств» (англ. drug-design). Сначала идут от гена через мРНК к белку, а затем к его сложной пространственной структуре. Далее путем компьютерного анализа оценивается возможность целенаправленного взаимодействия белков-мишеней с различными химическими компонентами и среди последних отбирают такие, которые теоретически должны влиять тем или другим образом на мишени. На заключительном этапе все-таки требуется помощь экспериментаторов: в специальных опытах из небольшого уже числа отобранных теоретиками соединений вычленяют окончательно такие, которые оказывают ожидаемое биохимическое и физиологическое действие в живых системах.

Не вызывает сомнения, что в ближайшее время вместо всего нескольких сотен белков-мишеней, на которые направлено действие лекарств сегодня, биоинформатика на базе расшифрованного генома человека даст медицине десятки тысяч новых мишеней. А затем будут подобраны новые направленные на них лекарственные средства.

Компьютеры на основе ДНК

Молекула ДНК привлекла к себе внимание с разных, порой совершенно неожиданных сторон. Так, когда выяснилось, что в молекуле ДНК может храниться намного больше информации, чем в любом из микрочипов, заметный интерес вызвала возможность использования ДНК для обработки информации и решения математических задач.

Сама идея использовать ДНК для создания биокомпьютера возникла из сходства между процессами, происходящими в природе при синтезе ДНК, и работой вычислительных машин. Первые работы по созданию ДНК-компьютеров начались около 10 лет назад в Америке. Но сейчас уже в нескольких странах мира есть лаборатории, где пытаются «скрестить» компьютер с живыми организмами. Ученые, работающие над проблемой создания ДНК-компьютера, считают, что со временем он составит сильную конкуренцию теперешним компьютерам, благодаря своей сверхминиатюрности и сверхбыстродействию. Информационная емкость ДНК гораздо больше, чем у любых современных носителей: в кубическом сантиметре ДНК содержится больше информации, чем на триллионе CD-дисков. Вероятно, в будущем компьютер на основе ДНК может работать и внутри человеческих клеток. В результате этого он будет, например, отслеживать опасные для здоровья изменения в организме человека, рекомендовать набор лекарственных средств для лечения патологий и др. Все это пока еще далеко от реального воплощения. Тем не менее, уже появились сообщения о создании первых нанокомпьютеров, в которых роль программ, входных данных и результатов играют цепочки молекул ДНК, а роль символов — составляющие их буквы (А, Т, Г и Ц). Вместо обычного представления данных в виде нулей и единиц и использования математических формул для решения задач, вычисление с помощью ДНК использует данные, представленные в виде шаблонов молекул ДНК. Специфические ферменты (рестриктазы и лигазы) действуют как программные средства, обеспечивающие чтение, копирование и манипулирование кодом.

Поскольку каждый «символ» в ДНК занимает 0,35 нанометра, то плотность данных в цепочке составляет 18 мегабайт на дюйм, а если говорить о двумерном расположении ДНК, — то более миллиона гигабайт на квадратный дюйм. Для сравнения обычный винчестер содержит лишь около 7 гигабайтов на квадратый дюйм, то есть в 100 000 раз меньше.

Некоторыми учеными постулируется, что использование молекул ДНК станет будущим компьютерной техники и придет на смену полупроводниковым микросхемам. Однако исследования в этой области пока находятся в самом начале и их перспектива до конца не ясна. По мнению журнала «Science», отметившего лучшие достижения в мировой науке за 2001 год, возможности молекулярных компьютеров станут реальностью именно с появлением нанопроводов, в тысячи раз более тонких, чем проводники, используемые в современных микросхемах.

Мелодии человеческого генома

Имеют место и весьма экзотические подходы к проблеме генома человека. Сообщалось, например, что японский ученый Нобуо Мунатака попытался записать ДНКовый текст генома человека с помощью музыкальных нот. Он решил воспеть геном человека, полагая, что музыка проще выражает формулу жизни, чем цифры и символы. Изобретатель так прокомментировал свою попытку: «Тайны человеческой ДНК действительно сложно понять простым людям. Сегодня медицина уже способна определить предрасположенность человека ко многим заболеваниям, например, раку или диабету. Почти всегда за это отвечают наши гены, теперь люди об этом знают. Что такое генетическая карта человека, мы постарались показать музыкой». Найденные в геноме основные группы генов человека Мунатака попытался переложить на ноты. И в результате, как он утверждает, получились многометровые партитуры. Они, по мнению автора, позволяют еще до рождения ребенка на стадии эмбриона определить его предрасположенность к тем или иным серьезным заболеваниям и даже предсказывать его умственные способности. Пока все это кажется фантастикой или шуткой. Но кто знает, может быть, и композиторы внесут свой вклад в разгадки тайн человеческого генома.