Журнал Компьютерра - Журнал «Компьютерра» N 43 от 21 ноября 2006 года

Об этом Черч говорил в сентябре на конференции Emerging Technologies 2006 в МТИ (см. о ней колонку Левона Амдиляна в «КТ» #659). Однако похоже, что индустрия в целом сконцентрирована на проблеме ускорения/удешевления как таковой - точно так же, как разработчики суперкомпьютеров соревнуются по количеству терафлопсов, а не по новым методам решения задач. В сообщениях о платформах следующего поколения для секвенирования чаще всего мелькают названия компаний Applied Biosystems, Solexa, 454 Life Sciences. Здесь мы не будем вдаваться в описание достоинств и проблем различных технологий (см., например, материал Сергея Борисова в «КТ» #603, а также подборку популярных материалов на www.cbio.ru). Отметим лишь одну новую и очень наглядную идею, которая обещает рекордную производительность: метод нанопор. Молекула ДНК протаскивается через отверстие нанометровых размеров в мембране (см. рис.). Каждый нуклеотид, попадая в отверстие, изменяет электропроводность мембраны, причем на разную величину в зависимости от типа нуклеотида - что и позволяет (в принципе) конвертировать изменения чудовищно слабого электрического сигнала прямо в «буквы» кода. При этом не надо, как в других методах, дробить молекулу ДНК на маленькие фрагменты, а потом многократно дублировать и сопоставлять результаты их обработки. Если удастся преодолеть многочисленные проблемы и добиться расшифровки генома таким методом со скоростью 10 тысяч нуклеотидов в секунду, то небольшой твердотельный массив нанопор обеспечит секвенирование генома человека за 20 часов - по крайней мере, так обещает группа Джина Головченко (Jene Golovchenko), физика из Гарварда, реализующая один из вариантов этой идеи (любопытно, что среди многочисленных авторов других вариантов есть и сам Джордж Черч, уже сотрудничающий на этой почве с мощной компанией из мира полупроводниковых технологий Agilent Technologies, которая, не мелочась, оценивает потенциальную скорость такого секвенирования в миллион пар нуклеотидов в секунду - примерно по геному в час).

Задача получить за 1000 долларов полную информацию о последовательности нуклеотидов в человеческом геноме выглядит вполне реальной. Немного смущает срок в 5-10 лет (X Prize взяла его не с потолка, а со слов самых авторитетных разработчиков быстрых методов секвенирования, но их оптимизм может оказаться немного преувеличенным). Однако рубеж в тысячу у. е. - это только промежуточный финиш. Самое интересное начнется после: полученную информацию надо будет интерпретировать.

Для начала текст можно сразу сократить на порядок, вычеркнув накопившуюся за миллиарды лет явно бессмысленную информацию. Внутри генов можно исключить из рассмотрения интроны - участки, которые вырезаются после синтеза матричной РНК. Зато придется учесть, что некоторые гены разбросаны по хромосомам, другие кодируют сразу несколько белков и т. д. - в общем, до начала анализа надо будет свести объем информации к осмысленным «словам». Большинство из этих примерно 30000 генов (вернее, пар генов) придется исключить из рассмотрения: идентифицировать функции каждого из закодированных в генах белков - задача куда более сложная, чем разработать метод дешевого секвенирования генома, а протеомика - очень молодая наука.

Выявление фенотипических проявлений генного полиморфизма (вариантов структуры генов, существенных для функций их белков) - следующий этап на пути к практическому применению информации об индивидуальном геноме. Обратите внимание: для анализа персонального генома надо исследовать не одну, а обе хромосомы в каждой из 23 пар - поэтому в условиях конкурса и указаны не три, а шесть миллиардов пар нуклеотидов. Даже такие простые признаки, как цвет кожи или глаз, определяются несколькими парами генов.

Организм состоит из сотен типов клеток, и в каждом из них активна только часть генов - и активна по-разному, в зависимости от множества внешних и внутренних факторов. Вспомните школьный учебник биологии с рисунками двух овечек одной породы (у той, которая выросла в холодном климате, шерсть заметно гуще и длиннее) и представьте, сколько сотен разных белков у них функционируют по-разному.

Белки регулируют активность друг друга (а также - своих и чужих генов) множеством прямых и обратных связей, а метаболомика, которая изучает эти связи и их механизмы, - еще более молодая наука, чем протеомика. Только между мужчинами и женщинами в одном из недавних исследований выявили около двух тысяч различий в функциях одних и тех же белков! И это между «мужчинами вообще» и «женщинами в целом».