Крошечные компьютеры, микроскопические искусство, возвращение додо — будущее применения двойной спирали
В течение последних нескольких десятилетий генетика произвела революцию таких областях как сельское хозяйство, система уголовного правосудия, и, конечно, медицина. В следующие годы ожидается, что ДНК продвинет вперёд такие отдалённые области как археология, изобразительное искусство и вычислительная техника. Молекула ДНК способна хранить огромное количество данных и удивительно устойчива к износу, она может выжить в течение тысяч лет, и мы только начали исследовать множество её возможных применений. Вот некоторые из способов, в которых она может быть использована в будущем.
1. Вычисление неизвестных и возвращение неандертальцев.
Так как гены сильно влияют на цвет волос, глаз и лицевую структуру, вы можете получить примерное представление о том, как выглядит человек путём исследования его ДНК. Информация может быть полезна полиции и другим организациям. Так копы Майами в течение нескольких лет разыскивали так называемого Крипера, который врывался в дома женщин по ночам. Крипер каждый раз скрывал своё лицо, но учёные недавно извлекли его ДНК из образцов, собранных на месте преступления для создания фоторобота. Пока подобная работа далека от совершенства – пока нельзя создать качественное изображение. Но она всё-таки может исполнять определённые функции и избежать некоторых побочных проблем (вроде предвзятости и ошибок в памяти), связанных со свидетельствами очевидцев.
Процедура восстановления лица может помочь также и археологам. Нет ни одного добравшегося до современности портрета знаменитого английского монарха Ричарда Третьего, а более поздние рисунки изображают его с тёмными волосами и глазами стального цвета. Но анализ ДНК останков (недавно обнаруженных под одной из стоянок в центральной Англии) показал, что с вероятностью в 96 процентов он имел голубые глаза, а 77 процентов указывают на то, что у него были светлые волосы. На основе подобных исследований ученые пришли к выводу, что некоторые неандертальцы, вероятно, имели рыжие волосы и светлую кожу.
В более смелых фантазиях генетики могут возродить мамонтов, страусов Додо и другие вымершие виды путём экстракции их ДНК из останков, секвенирования и инъекций в яйцеклетки родственных видов — например используя яйцеклетку слона и слоновью матку, которая сможет выносить мамонта. В теории учёные могут оживить даже одного из рыжеголовых неандертальцев, используя человеческий суррогат. Однако возвращение динозавров будет гораздо более сложной задачей: так как они вымерли 65 миллионов лет назад, их ДНК сильно деградировала.
2. Идентификация суши… и работ Пикассо.
Недавнее исследование индустрии морепродуктов, проведённое компанией Oceana, обнаружило, что по всей стране продуктовые магазины неправильно маркируют почти пятую часть всей продаваемой ими рыбы. Ситуация в суши-кафе ещё хуже — в трёх четвертях случаев подаётся не та рыба, что указана в меню. Простая путаница может объяснить некоторые из этих расхождений, поскольку некоторые виды рыб сложно отличить друг от друга. Однако некоторые торговцы, как в случаях с тилапией, могут намеренно заменять дорогую рыбу дешёвой.
ДНК-штрихкодирование поможет вывести подобный обман на чистую воду. Извлекая немного мышцы из рыбы и секвенируя внутреннюю ДНК, учёные могут быстро отличить одну рыбу от другой. Технология ДНК-штрихкодирования достаточно доступна даже для старшеклассников, которые могут использовать её, чтобы выявить обман в ресторанах, а если технология продолжит развиваться, то посетители смогут принести наручный считыватель и увидеть, действительно ли они получили тот тунец, что заказали.
Краткая история ДНК. 1869: Швейцарский биохимик Фридрих Мишер открывает ДНК, которую он назвает «нуклеин». 1953: Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик устанавливают структуру ДНК в виде двойной спирали. 1980: Верховный суд поддерживает патент General Electric на генетически модифицированную бактерию, которая питается сырой нефтью – первый патент на живой организм. 1988: британский мужчина стал первым человеком, осуждённым за убийство, в деле которого в качестве доказательства использовалась ДНК. 1994: томат Flavr Savr, имеющий ненатурально большой срок годности, стал первым генно0модифицированным продуктом, продаваемым в продуктовых магазинах. 1996: овечка Долли – первый клон взрослого млекопитающего – родилась в Шотландии. 2015: гены шерстистого мамонта были помещены в клетки слона с использованием инструмента редактирования генома CRISPR. 2030 (прогнозируемое): все книги мира размещены в одной капле ДНК.
ДНК можно использовать для обнаружения обмана также и в мире искусства. В этом бизнесе каждый год крутятся миллиарды долларов, и некоторые эксперты считают, что 40 процентов продаваемых произведений являются фальшивкой. Профессиональная проверка подлинности может помочь, но недавние скандалы с картинами, которые по утверждению были выполнены художниками Джексоном Поллоком, Амедео Модильяни и другими показали, что умелый фальсификатор может обмануть даже самых уважаемых экспертов. Чтобы преодолеть эту проблему, некоторые учёные предложили прикладывать к картине небольшой пластиковый ярлык с ДНК. Вместо использования ДНК художника — которую вор может воспроизвести из одежды, мусора или волосинок мастера — эти ярлыки будут содержать частицы другого существа с фрагментами синтетической ДНК в тканях. Чтобы проверить подлинность произведения искусства учёные смогут извлечь эти ДНК с ярлыка, установить последовательность синтетических битов и проверить их по зашифрованной базе данных. Только если последовательность будет соответствовать записи базы, произведение объявят подлинным.
3. Золотая пряжа и блокирование вирусов
Сама по себе ДНК стала модной художественной средой. ДНК внутри клетки состоит из длинных цепочек химических «букв» (A, C, G и T), и несколько ученых написали компьютерные программы, которые могут перевести эти строки в последовательности музыкальных нот — буквально песен себя. Художники также начали создавать визуальные и концептуальные работы с помощью манипуляции генами — для создания, например, живописных флуоресцентных пляжных сцен с использованием генетически модифицированных бактерий, которые светятся при воздействии света. Исследователи из Гарвардского университета и из Японии с помощью методов генной инженерии смогли заставить шелкопрядов прясть нити фактически из золота, прямо как Румпельштильцхен. Некоторые из тех же исследователей также планируют кодировать каждую статью в Википедии в синтетические строки из букв ДНК, а затем встроить в натуральные геномы яблок – по аналогии с плодом познания из Эдемского сада.
Ученые экспериментировали с технологией, которая позволяет сделать ДНК «оригами»: поскольку нити ДНК слипаются точными способами (буква ДНК А всегда соединяется с Т, например), они могут разрабатывать фрагменты ДНК, которые будут искать один другой, и соединяться друг с другом в сложных формах. До сих пор ученые в основном дурачились с этой технологией, создавая микроскопические звезды, улыбающиеся лица и другие изображения. Но когда-нибудь ДНК оригами может оказаться полезным в медицине. Специально созданная цепь может быть использована для того, чтобы доставить лекарство непосредственно к опухоли. Эти цепи разорвутся только после связывания с целевыми опухолевыми клетками. Кроме того, клетки из ДНК могут выступать тюрьмами для вирусов и не давать им производить разрушающее воздействие на организм.
4. Сохранение старых фильмов и прогнозирование погоды
ДНК — старейшее пространство для сохранения информации, так что имеет смысл использовать двойную спираль в вычислениях и компьютеризации. Ученые могут кодировать данные в виде ДНК путем присвоения каждого номера и буквы уникальной строке букв А, С, G и Т (так же, как современные компьютеры кодируют данные в 1 и 0) и затем производить нити синтетической ДНК с этой информацией. Машины ДНК-секвенирования могут впоследствии извлечь эти данные.
Есть ли причина для беспокойства? Помимо того, что они ультра-прочные, ДНК являются невероятно эффективным способом хранения информации. Ученые уже смогли разместить 700 терабайт данных -примерно эквивалент 1 миллиона компакт-дисков — в одном грамме ДНК, и он теоретически может нести в себе гораздо больше. По ряду оценок, все данные в настоящее время, которые хранятся на жестких дисках всего мира смогут поместиться на ладони вашей руки, если будут закодированы в ДНК. По этой причине компания развлечений Technicolor начала хранить старые фильмы в виде ДНК, начиная с фильма 1902 года «Путешествие на луну». Можно также копировать данные на основе ДНК почти до бесконечности с помощью простых ферментами. Генетик из Гарварда Джордж Черч недавно конвертировал написанную им книгу в ДНК, а затем создал 70 миллионов её копий в пробирке, что сделало работу Черча воспроизведённым наиболее количество раз текстом в истории.
Помимо простого хранения данных, некоторые исследователи предложили использовать ДНК для создания биологических компьютеров. Эти биокомпьютеры не будут выглядеть как ноутбуки, с экранами и клавиатурами. Скорее всего они будут химикатами внутри пробирки или биологических мембран. Но, как и ноутбуки, они будут иметь возможность принимать информацию, обрабатывать ее и действовать. ДНК представляется особенно перспективной для параллельной обработки, которая включает в себя миллионы или даже миллиарды вычислений одновременно (примером может служить прогнозирование погоды, которое включает в себя интеграцию температуры, атмосферного давления, а также данные влажности от многих, очень многих точек на поверхности Земли одновременно). И, в отличие от электронных устройств, которые не могут легко проникнуть в живые клетки, компьютеры на основе ДНК смогут покорить эти пространства, что дает нам методы для записи информации, и, возможно, борьбы с болезнями в режиме реального времени.
Черч отмечает, что прежде всего ДНК имеет большие перспективы для кодирования данных, потому что эта среда никогда не устареет. «Мы теряем нашу привязанность к флоппи-дискам» и другим технологиям — говорит учёный — «но у нас всегда будет определённый интерес к ДНК».
Оригинал: The Atlantic
