Максим Никитин: Молекулярный нетворкинг
Максим Никитин открыл, как молекулы ДНК хранят информацию ранее неизвестным способом, заметив их «общительность». Заодно у него появились гипотезы, как зародилась жизнь и зачем человеку жар
Есть обычные компьютеры, есть — в перспективе — квантовые. А что такое ДНК-компьютер и зачем он нужен?
Тут вопрос многогранный, давайте по порядку. Во-первых, ДНК — самое надежное и емкое хранилище информации, известное человечеству. Один грамм ДНК теоретически может хранить 450 эксабайтов, то есть 450 миллионов терабайтов. И хранит тысячелетиями.
Это же органика, разве за тысячу лет она не разложится?
Мы откапываем мамонтов — и у них есть ДНК. Да, порванная на куски, но сделать так, чтобы она не рвалась, легко: например, заключить ее в металлический или кремниевый контейнер. ДНК — строка из букв «а», «т», «г», «ц». По сути, это четверичный код: обычный компьютер пишет всё нулями и единицами, а здесь четыре знака вместо двух. Естественно, человечество думает: раз природа использует ДНК для хранения и обработки информации, это хороший инструмент.
Сейчас есть две ветки. Первая — долгое хранение. Этим, например, интересуются большие корпорации: многие из них обязаны хранить архив данных лет 20–50. Записал — и, может быть, через 30 лет кто-нибудь один раз захочет это прочитать. А вот как сделать на ДНК какое-то быстрое хранилище вроде флешки, пока неясно.
Вторая ветка — полноценное вычислительное устройство на ДНК. Образно говоря, это набор молекул в пробирке, который не просто хранит запись, а сам с ней что-то делает: получает на вход одни молекулы и по заданным правилам выдает другие.
То, чем занимаетесь вы.
На самом деле я начинал с белков. В 2014 году в Nature Nanotechnology вышла наша статья, как проводить вычисления с помощью белков на наночастицах, чтобы научить частицу с лекарством точнее находить клетку-мишень и точнее доставлять терапевтические препараты, например, в опухоль. Это была первая в мире полноценная вычислительная система на белковых молекулах, способная решать полный набор булевых функций. Потом я перешел к ДНК. И там удалось сделать суперинтересное открытие: я обнаружил принципиально новый механизм передачи информации в природе. Осознал я его году в 2013-м, а статья вышла в 2023-м. Делал всё это, как говорится, в свободное от основной работы время (а ее было очень много). К тому же в научном мире придумать что-то интересное для статьи недостаточно — надо показать в эксперименте, что это работает и насколько масштабно. Самое интересное, что у этого открытия много граней: оно помогает понять, как живая материя обрабатывает информацию и как этот механизм может участвовать в развитии сложных заболеваний. Это важно для биотехнологий и, думаю, позволит создать биологический компьютер, который будет не только хранить информацию, но и обрабатывать ее. Я вполне допускаю, что в перспективе людям не придется смотреть в монитор, чтобы узнать сегодняшние новости: мы сможем прикоснуться к ДНК-флешке или съесть ее, и биологический компьютер внутри нас эту информацию обработает и осознает.
Мы сможем загрузить любые знания в любом объеме? Как-то странно ограничиваться новостями…
Это мы с вами сейчас фантазируем о далеком будущем — в науке это называется спекуляцией, ругательным словом. Но фундаментальных запретов я не вижу. Сейчас нам не хватает одного компонента: мы еще не научились передавать сигнал от одного созданного нами вычислителя к другому. Внутри одной пробирки уже можем обрабатывать информацию суперсложным образом — это как целая микросхема. Но микросхема передает результат следующей, а мы пока не умеем передавать его из одной пробирки в другую. Как только научимся, получится полноценный биологический компьютер.
А организм как это делает?
Через нейроны: каждый нейрон что-то посчитал. Как у нейрона входная информация превращается в выходную, люди пока точно не знают. Есть шанс, что процессом руководит как раз молекулярная коммутация. Мы этого не доказали, но ясно, что это был бы очень эффективный механизм.
Самое время рассказать про коммутацию. Сначала школьная биология: ДНК — это две цепочки, закрученные в спираль. Буквы одной цепочки держатся за буквы другой строго по парам: «а» с «т», «г» с «ц». Это называется комплементарностью. А вы показали, что общаться могут и цепочки, которые друг другу не подходят, и назвали это коммутацией. Всё верно?
Уотсон и Крик в 1953 году в своей великой статье о двойной спирали ДНК сказали: если дана последовательность букв на одной цепи, то последовательность на второй предопределена (правилом комплементарности). Видимо, им было важно это произнести: так они сразу показывали, что открыли механизм наследования информации. Но надолго это стало своего рода постулатом: чтобы одна цепь передала информацию другой, цепи должны быть комплементарны — почти идеально подходить друг другу. Конечно, возможны единичные замены: прилетела космическая частица, фермент ошибся при копировании. Так накапливаются мутации, и это один из механизмов эволюции.
А я задался вопросом: что будет происходить в бульоне из одиночных цепей ДНК, у которых нет идеальных пар? Неужели ничего полезного? Приведу аналогию из жизни. Понятно, что, если наблюдать за людьми, большую часть жизни они проводят и общаются с родственниками. Но это не значит, что люди, которые идут на работу и мимолетно встречаются со множеством других, не обмениваются полезной информацией. Более того, запуск человека в космос, скорее всего, планировали «на работе», а не «в кругу семьи».
Так и с молекулами. «В кругу семьи» они делают много полезного — это как раз изучали биологи 70 лет. Но мне удалось показать, что во множестве суперслабых взаимодействий со многими другими молекулами можно очень эффективно и хранить, и передавать информацию.
Можете объяснить на пальцах, как это работает?
Представьте комнату, в ней много людей. Входит человек с карточкой, на которой написано число, и передает ее другому. Тот по какому-то правилу переписывает число и передает карточку следующему. И в какой-то момент из комнаты выходит человек с табличкой, на которой написан синус этого числа. Никто в комнате синус считать не умеет, но все вместе они его посчитали.
В эксперименте это выглядит так. В пробирке много молекул, все взаимодействуют со всеми с разной силой: одна прилипает к другой на пять минут, к третьей — на пять секунд. Одну молекулу, входную, я добавляю в концентрации, которая кодирует число x, — это число мы и «вводим». Другая молекула — выходная: она «выходит из комнаты», то есть остается ни к кому не прилипшей, и ее концентрация кодирует ответ. В модели силы прилипания можно подобрать так, чтобы выходной сигнал приближенно соответствовал, скажем, x в квадрате или синусу x.
Когда мне пришла в голову эта идея, я понимал, что она точно работает, но года два никак не мог подобрать молекулы с нужными «силами прилипания», чтобы получился синус. Но в какой-то момент понял, что можно сделать простейший логический элемент «да» — самую простую деталь любого компьютера: есть сигнал на входе — есть и на выходе, нет на входе — нет и на выходе. В комнате находятся промежуточные и выходные молекулы, которые держатся друг за друга. Никто не вошел — все выходные заняты. Вошли входные молекулы — отодрали на себя часть промежуточных, какое- то количество выходных освободилось и вышло. Выход определяется входом — вот и передача сигнала. Всего три коротких кусочка ДНК. Если добавить в эту цепочку еще один элемент, получится функция «не». Дальше я понял, как подобным образом реализовать все функции булевой логики — операции «и», «или» и другие, из которых собран любой компьютер. То есть показал, что это полноценное вычисление.