"Мы не боги, мы программисты". Ученые научились сохранять информацию напрямую в ДНК

"Джиу-джитсу? Меня научат джиу-джитсу?!" — герой Киану Ривза недоверчиво смотрит на оператора. Тот лишь подмигивает в ответ, пробегает пальцами по клавишам — и лицо Избранного искажает гримаса невыносимой боли. Однако приступ оказывается недолгим: уже через пару секунд он с трудом отрывает голову от кресла и восхищенно выдыхает: "Я знаю кунг-фу!"

Знаменитая сцена из фильма "Матрица" может оказаться не так далека от реальности, как всем нам казалось еще каких-то 20 лет назад.

Американские ученые из Колумбийского университета в Нью-Йорке разработали технологию, позволяющую копировать информацию с любого цифрового носителя напрямую в ДНК, фактически превращая клетки живых организмов в миниатюрные устройства для записи и хранения данных.

Конечно, изучать таким образом боевые искусства в ближайшем будущем вряд ли станет возможным, но у новой технологии есть масса других возможных применений.

Например, если загрузить компьютерный код в ДНК какой-нибудь кишечной палочки, это никак не отразится на ее способности к размножению. А значит, такие "ожившие программы" могут самым естественным образом бесконечно штамповать собственные копии в чашке Петри, непрерывно обновляя зашифрованный в них код.

Другими словами — тысячелетия хранить нужную информацию в почти неизменном виде.

Пока что новая технология сильно уступает другим, привычным методам хранения данных — как по скорости, так и по объему записывающих устройств. Однако, по словам ученых, она надежно защищена от ошибок, ведь система записи генетической информации — без всякого преувеличения — стара как сама жизнь.

Как это работает?

Сама по себе технология сборки ДНК не нова. Азотистых оснований, из которых состоит генетический код, всего четыре. В лабораторных условиях их можно собирать в цепочку, нанизывая одно за другим, как бусы, в произвольном порядке.

Делается это при помощи технологии CRISPR-Cas9, более известной как "генетические ножницы". Она была разработана восемь лет назад, а в прошлом году была удостоена Нобелевской премии по химии.

Однако сборка генетического кода на молекулярном уровне — работа кропотливая: она требует массы времени и специального оборудования. Во всяком случае так было до последнего времени, пока группе ученых из Колумбийского университета не удалось автоматизировать этот процесс.

"Нам удалось научить клетки разговаривать с компьютером посредством электронных сигналов и таким образом скачивать информацию с любого электронного носителя", — рассказывает Би-би-си ведущий автор исследования, профессор системной биологии Харрис Ванг (Harris Wang).

Опыты проводились в его лаборатории, с использованием кишечной палочки E. coli. Эта бактерия настолько хорошо изучена, что микробиологи часто использую ее клетки в своих экспериментах в качестве подопытных кроликов.

Однако, подчеркивает профессор, CRISPR отлично подходит и для редактирования человеческого генома. А значит, можно надеяться, что в будущем информацию можно будет копировать из компьютера напрямую в клетки людей. Почти как в "Матрице" или в фильме "Джонни-мнемоник" все с тем же Киану Ривзом в главной роли.

"Двоичный код компьютерной программы (набор нолей и единиц) мы переводим в электрические импульсы, которые посылаем в клетку, — объясняет изобретатель. — На ее поверхности есть рецепторы, которые воспринимают эти сигналы и уже переводят их на язык ДНК, автоматически выстраивая нужную последовательность генома".

В результате к основной цепочке ДНК добавляется дополнительный фрагмент — своеобразный "информационный прицеп". В отличие от цифровой компьютерной информации, он представляет собой набор букв генетического кода (то есть аналоговый шифр), поэтому ученый сравнивает этот отрезок с магнитной лентой.

Зашитая в ДНК бактерии информация становится частью ее генома и автоматически копируется при каждом делении клетки.

"А это значит, что позже, считав эту последовательность, мы сможем восстановить, воссоздать информацию, сохраненную в популяции клеток", — утверждает профессор.

Как два байта записать?

Изначально эксперимент проводился для того, чтобы автоматизировать сложный процесс сборки ДНК и сделать его более доступным — не требующим специальных знаний и оборудования.

Однако, по словам профессора Университета центральной Флориды в Орландо Дмитрия Колпащикова, использовать генетический код для записи компьютерных программ довольно странно: для этого есть другие, куда более простые и эффективные способы.

"Чтобы записать один бит информации, в клетку посылали электрические сигналы на протяжении 14 часов, — недоумевает он. — Чтобы найти этой технологии хоть какое-то практическое применение, процесс необходимо сильно ускорить. Притом что очевидных способов сократить это время нет: на запись одного бита будет уходить в лучшем случае час, а то и несколько".

В ходе эксперимента, продолжавшегося 42 часа, ученым удалось записать в ДНК всего три бита информации.

А ведь чтобы считать эту информацию в будущем, необходимо провести полную расшифровку бактериальной ДНК — что при нынешнем уровне технологий, конечно, не то чтобы сложно, но все же требует значительного времени и средств: секвенирование генома стоит недешево.

Профессор Ванг говорит, что в лаборатории процесс замедляли специально, а плотность записи информации в формате ДНК теоретически может быть даже выше, чем позволяют существующие технологии. Не говоря уже о том, что клеточное строительство едва ли уступает по скорости цифровой записи.

"Время компьютерных операций измеряется в миллисекундах, но некоторые клеточные энзимы могут работать столь же быстро, — уверяет он. — Возможно, в будущем мы сможем разработать какие-то внутриклеточные механизмы, которые позволят сильно ускорить процесс. Теоретически ничто не мешает создать клетку, которая будет полностью копировать свой геном за несколько минут".

Однако, по словам Колпащикова, даже в этом случае предлагаемый американцами метод вряд ли окажется более эффективным, чем уже существующие сегодня способы записи информации. Так что даже развивать новую технологию особого смысла нет — если, конечно, речь только о способе хранения данных.

Однако ей вполне можно найти другое применение.

Неподвластные времени

Искусственно собранные цепочки генетического кода используются для самых разных целей. Например, в лаборатории, которой руководит Колпащиков, из так называемой компьютированной ДНК собирают наномашины для терапии раковых заболеваний, гриппа, а также проведения опытов в области генной инженерии.

Если процесс сборки удастся автоматизировать и ускорить, то разработанная американцами технология может оказаться весьма востребованной. Ведь так или иначе она позволяет установить прямой канал передачи данных между привычными нам компьютерами и живыми клетками.

И хотя пока канал этот и не самый быстрый и надежный, по словам профессора Ванга, у нее есть еще одно очень важное преимущество.

"В ДНК информация записана в трехмерном аналоговом виде, а это наиболее устойчивая форма. В таком виде данные могут храниться сотни тысяч, а то и миллионы лет", — уверяет он.

Уже сегодня иногда не так просто найти способ, чтобы считать данные с лазерного диска или магнитной ленты, не говоря уж о перфокартах.

Все эти носители недолговечны, а любые технологии быстро устаревают, напоминает профессор. А вот генетическому коду эта проблема нипочем.

"Мы знаем, что и через 50 тысяч лет сможем расшифровать ДНК ровно так же, как делаем это сегодня, — уверен Харрис Ванг. — Какая еще форма записи на такое способна?"

С этим Колпащиков не спорит: "Фактически [за счет репродукции] идет биологическая поддержка жизнеспособности бактерий — несмотря на то, что там могут накапливаться ошибки. В целом, я согласен: это хороший аргумент".

По поводу возможных ошибок разработчики настроены оптимистично. По их словам, никто не собирается выпускать бактерии с "информационным прицепом" во внешнюю среду, где им придется бороться за выживание — так что естественный отбор им не грозит.

"Интересная разработка"

Профессор Ванг не спорит, что пока технология находится на самом начальном этапе разработки. В идеале нужно как-то автоматизировать и обратный процесс: сделать так, чтобы клетка могла не только копировать и сохранять информацию, но и самостоятельно передавать ее куда-то. Только тогда она научится полноценно "разговаривать с компьютером" — не только слушать, но и отвечать.

Впрочем до этого, признает разработчик, еще очень и очень далеко. Природа изобрела массу способов, позволяющих создавать и изменять генетический код, а ученые только начинают их осваивать.

"Мы не боги, — улыбается профессор, — Мы лишь используем ДНК для записи информации. Так что мы скорее художники, или писатели, или программисты — создаем генетические программы с каким-то новым полезным функционалом из уже готовых элементов".

Следующий шаг, по его словам, — упростить способ передачи информации из компьютера в клетку. Сейчас для этого используется поток электронов, но в будущем его можно заменить чем-нибудь другим. Например, переменным магнитным полем или температурой внешней среды. Или даже обычным лучом света — ведь фоторецепторы есть у большинства живых организмов.

Тогда, мечтает профессор, копировать информацию в ДНК можно будет куда быстрее — ведь запись можно будет одновременно вести сразу на нескольких частотах.

Впрочем, у Дмитрия Колпащикова есть сомнения по поводу того, насколько надежной будет такая передача данных. По его словам, похожие технологии (когда из одного источника идет параллельная запись на волнах разной длины) уже используются в медицинской диагностике. Но это, как он считает, не самое перспективное направление.

"Почему в компьютерном коде используется двоичная система — нули и единицы? Потому что это самая надежная запись, — размышляет эксперт. — Если мы переходим на другой уровень, то начинают накапливаться ошибки. Именно поэтому в реальных приборах очень сложно уйти от двоичной системы — риск ошибиться слишком велик".

"В общем, хранение данных — не основное направление для [технологий компьютированной] ДНК, — резюмирует он. — Это действительно шаг в сторону. Насколько успешным он будет, неизвестно — но разработка эта, безусловно, интересная и необычная".