Коллектив авторов - На что похоже будущее? Даже ученые не могут предсказать… или могут?

Хранение данных — не единственная сфера применения ДНК: перспективы построения самих вычислительных систем на основе ДНК кажутся даже более захватывающими, хотя в вопросе о возможности реализации этой идеи и сохраняется некоторая неопределенность. Все началось с использования ДНК для решения ряда сложных задач. Это вызвало живой интерес у специалистов в области вычислительных систем, которые ищут пути снижения стоимости и снятия технологических ограничений, связанных с производством все более миниатюрных компонентов для все более компактных компьютеров, смартфонов и планшетов, ставших неотъемлемой частью нашей жизни. Непрерывный процесс миниатюризации устройств вот-вот достигнет своего предела: по прогнозам исследователей из компании Intel, это произойдет уже в ближайшее время. Но в ДНК-компьютерах в качестве входных данных выступают отдельные молекулы, а молекулы белков могут использоваться как процессоры. В отличие от традиционных вычислительных систем, в которых данные обрабатываются последовательно, на что уходит много времени, ДНК-компьютеры способны осуществлять обработку информации в параллельном режиме, а значит, скорость обработки вырастает многократно. Расчеты проводились с использованием свободноплавающих ДНК или РНК в пробирках или на стеклянных пластинах, похожих на предметные стекла для микроскопа, со слоем золота, воспроизводящим разметку системной платы. На этой поверхности создается и закрепляется набор молекул ДНК, кодирующих возможные решения какой-либо вычислительной задачи.

Они также могут использоваться там, где обычные компьютеры просто не поместятся: внутри клетки или в составе тончайших синтетических материалов. Это открывает перед нами новые возможности: мы сможем создавать крошечные биокомпьютеры, которые будут проникать в клетки, находить пораженные болезнью ткани и избирательно запускать ведущую к самоуничтожению последовательность или же перепрограммировать поврежденную ДНК клетки. Например, можно было бы перепрограммировать раковые клетки таким образом, чтобы остановить их распространение и рост опухоли, или заставить стволовые клетки обновлять органы. Кроме того, уже были проведены опыты, показавшие, что с помощью биокомпьютеров можно контролировать процесс введения биологически активных терапевтических молекул, включая некоторые препараты.

Созданы не менее впечатляющие примеры молекулярных цепей на базе ДНК, в том числе кодирующая разновидность игры в крестики-нолики (которая способна составить конкуренцию человеку в интерактивном режиме) и извлекающая квадратный корень, а также искусственные нейронные сети, способные к автономной работе, похожей на работу мозга. Однако пока что попытки повторить логику цифровых компьютеров, к сожалению, не привели к достойному результату, и вычислительная мощность ДНК в выполнении какого бы то ни было алгоритма не идет ни в какое сравнение с существующими кремниевыми компьютерами.

Тем не менее возможностей для практического применения новых технологий в биологии и биомедицине предостаточно. С развитием вычислений на основе ДНК в ближайшие десятилетия появятся новые, более совершенные ДНК-устройства, которые будут использоваться в качестве биодатчиков, при постановке диагноза, в нанопроизводстве и управлении биологическими процессами в наших собственных клетках. Они также будут задействованы в разработке «умных» лекарственных препаратов — веществ, которые способны распознавать и анализировать различные физиологические параметры, а также выполнять логические операции с целью введения препаратов или регуляции экспрессии генов, — и методов доставлять их в то место в теле, где они больше всего нужны. Если не ограничиваться «умными» технологиями, которые будут определять наш образ жизни и самочувствие в будущем, исследования на стыке ДНК и компьютерных вычислений могут приблизить нас к ответу на вопрос о последовательности шагов, приведшей к появлению жизни в известных нам формах.

Можно не сомневаться, что, подобно тому как на смену массивным вычислительным машинам размером с полдома, использовавшимся исключительно специалистами, пришли общедоступные портативные устройства, со временем генетика станет более доступной для людей за пределами традиционных лабораторий, перемещаясь в личное пространство. Наука о генах и геномика уже стала намного доступнее, а способы и сфера ее применения существенно расширились, и этот процесс «демократизации» будет только ускоряться.