01.07.09
ДНК-компьютеры плохо показали себя в математике. Теперь их создатели пытаются взять реванш в медицине
Эта черная пластмассовая пластинка легко поместилась бы на ладони ребенка. Ее поверхность усеяна множеством лунок, заполненных бесцветной жидкостью - сложной смесью ДНК. Устройство называется Maya II, и биологи создали его под конкретную задачу - играть в крестики-нолики. Построенный на ДНК аппарат пока работает медленно - один ход занимает целых полчаса. Зато он не делает глупых ошибок и почти никогда не проигрывает.
Биологические вычислители, подобные Maya, ученые строят уже 15 лет. Такие автоматы прекрасно решают несложные задачи. Дальше простейших игр и головоломок дело пока не шло, но, возможно, скоро все изменится: кибернетик из Вейцмановского института Эхуд Шапиро и биотехнолог из Университета Бостона Джеймс Коллинз работают над биологическими автоматами, которые будут действительно полезны. С помощью вычислителей Коллинза можно будет обнаруживать опасные инфекции. А построенные из ДНК автоматы Шапиро смогут сами лечить людей.
ИГРЫ В ПРОБИРКЕ
История первого ДНК-вычислителя началась летней ночью 1993 года. Математик из Университета Южной Калифорнии Леонард Адлеман вскочил со своей кровати, не выпуская из рук открытую книгу. Это был труд по молекулярной биологии, написанный нобелевским лауреатом Джеймсом Уотсоном. «Разглядывая схему взаимодействия ДНК с одним из белков, я внезапно сообразил, что уже много раз видел нечто подобное, - вспоминает Адлеман. - Причем не в книгах по биологии, а в работах основоположника кибернетики Алана Тьюринга».
В одном из своих трудов Тьюринг описал воображаемый компьютер. Машина Тьюринга состоит из головки, двигающейся вдоль ленты, на которую записана информация. Считывая программу с ленты, такой компьютер шаг за шагом выполняет требуемые от него математические операции. Многие белки, которые связываются с ДНК, могут перемещаться по ее цепям совсем как головка по ленте в машине Тьюринга. Это сходство навело Адлемана на неожиданную мысль: почему бы не приспособить для вычислений биологические молекулы?
Идея оказалась плодотворной. Уже через год ученый описал принцип действия своего ДНК-вычислителя в престижном журнале Science. Детище математика помещалось всего в одной пробирке. Молекулярный компьютер решал классическую задачу о поиске кратчайшего пути, соединяющего несколько городов на карте. В эксперименте Адлемана таких городов было семь. Все возможные варианты перемещения из одного пункта в другой Адлеман закодировал в виде коротких блоков ДНК.
В ходе расчета эти фрагменты случайным образом объединялись между собой в протяженные цепочки - маршруты. На то, чтобы получить правильные ответы, у Адлемана ушла одна минута и одна неделя. За одну минуту вычислитель перебрал все возможные варианты пути. А вот чтобы расшифровать ответ, записанный вычислителем в ДНК, ученому пришлось провозиться семь дней.
Несмотря ни на что работа Адлемана произвела сенсацию. Научные коллективы из разных стран бросились строить свои ДНК-вычислители. В 1999 году профессор химии Университета Висконсин Ллойд Смит решил задачу по оптимизации доставки пиццы нескольким адресатам. Год спустя Лаура Лендвебер из Принcтона приспособила РНК для решения шахматной задачи. Она искала путь, позволяющий коню обойти девятиклеточную доску, побывав на каждом поле только один раз. Для этого Лендвебер перебрала в пробирке 512 вариантов движения фигуры. Maya - едва ли не самый известный ДНК-компьютер - появилась в 2006 году.
Все эти вычислители унаследовали от своего предка одну досадную особенность - они приспособлены для решения весьма специфических проблем. Им трудно отыскать практическое применение. Этого недостатка лишены биологические автоматы, над которыми работает группа Джеймса Коллинза. Недавно ученые описали устройство своих вычислителей в журнале Science.
ВСЕ ПОСЧИТАНО
Биологические вычислители Коллинза - не просто набор молекул ДНК, а настоящие живые клетки. С помощью генной инженерии ученые наделили обычную кишечную палочку арифметическими способностями. Клетки стали счетчиками, которые реагируют на определенные события и ведут их учет.
Выглядит это так. Лаборант добавляет в стеклянную колбу с бактериями несколько капель раствора арабинозы - это простой углевод. Через несколько минут он повторяет эту операцию. Так происходит еще один раз. Наконец, в колбе начинает медленно разгораться зеленое свечение. Клетки кишечной палочки сосчитали до трех и выполнили заложенную в них программу - стали вырабатывать флуоресцентный белок.
В основе живых счетчиков Коллинза лежит система трех чувствительных к арабинозе генов. Первый ген управляет активностью второго, а тот, в свою очередь, «включает» третий. Последний ген в эксперименте биологов как раз и отвечает за образование сигнального светящегося белка. Используя нужные гены, можно заставить кишечную палочку делать на «раз-два-три» практически все что угодно.
Коллинз уверен: в будущем клетки смогут подсчитывать не только капли арабинозы. «Наши результаты помогут создавать биосенсоры», - объясняет он. Такие датчики будут регистрировать все свои контакты с опасными вирусами или вредными химическими веществами. А после того как количество срабатываний превысит допустимый уровень, сенсор начнет бить тревогу. Например, раствор в ампуле окрасится в предупреждающий красный цвет.
«Это очень изящная работа, - говорит сотрудник лаборатории биомолекулярных компьютеров Вейцмановского института Григорий Линшиц. - У биологических систем, способных автономно производить расчеты, большое будущие». В своей лаборатории Григорий Линшиц и Эхуд Шапиро пытаются создать именно такую систему.
СТРОГО ПО РЕЦЕПТУ
Биологический вычислитель, над которым работает группа Шапиро, способен выполнять только очень простые логические операции. Зато он делает это, находясь внутри человеческой клетки. «Маловероятно, что ДНК-вычислители когда-нибудь смогут сравниться по производительности с классическими компьютерами, - рассуждает Шапиро. - Но это совсем не приоритетная задача. Их главное преимущество в том, что организм для них - естественная среда». К тому же, как считает его коллега Григорий Линшиц, для решения многих проблем совсем не обязательно создавать полный аналог электронного компьютера. Вполне достаточно позаимствовать из кибернетики несколько наиболее важных идей.
ДНК-компьютер Шапиро пригодится скорее медикам, чем математикам. Система из нескольких молекул ДНК и разрезающего их фермента способна поставить клетке медицинский диагноз. А в случае неутешительного результата генетический автомат самостоятельно начнет курс лечения.
Система реагирует на изменение концентрации определенных молекул - с этим связано течение заболевания. Вычислитель одновременно анализирует сразу несколько таких химических сигналов. Если все показатели одновременно находятся вне нормы, в клетку высвобождается активное вещество. Это может быть лекарство - если клетка поражена вирусом, или яд - если речь идет об опухоли. В здоровой клетке ДНК-автомат будет бездействовать и через некоторое время просто прекратит существование.
В первых опытах этот медицинский компьютер работал только в пробирке при строго определенном содержании солей и уровне кислотности. Сейчас его удалось сделать менее требовательным, и он может функционировать внутри клеток опухоли простаты. «Традиционные методы диагностики требуют изъятия тканей и их сложного химического анализа, - говорит Шапиро. - Наши ДНК-компьютеры ставят диагноз прямо на месте и быстро распространяются по всему организму через кровь». Доставку «деталей» автомата в клетки обеспечат вирусы. Генные инженеры уже давно используют такой подход, чтобы переносить в клетки чужеродную ДНК. Через пару лет Шапиро собирается перейти от клеток к опытам над грызунами.
Никита Максимов
Источник: «Русский Newsweek»
