Генетика занимается изучением ДНК – тех коротких участков ДНК, которые мы называем «генами», и всего остального, от чего они зависят. Гены – носители наследственности, своего рода «программные файлы» нашего тела. В них содержатся инструкции – исполняемый код. Гены окружают другие «файлы с кодом», определяющим, когда и насколько усердно гены должны работать. Код большинства генов считывается и используется для синтеза белков, являющихся строительными блоками наших тканей и органов, а также для формирования гормонов, антител и транспортных систем в наших клетках. Тем самым гены определяют важную часть нашей физической оболочки, нашего здоровья и врожденных способностей.

Для манипуляций с генами мы придумали специальное название – генная инженерия. На самом деле эксперименты такого рода имеют давнюю историю. Благодаря вмешательству в гены с помощью достаточно примитивных методов (того, что называется селекцией) початки кукурузы, которые еще 10 000 лет назад походили на колосковые соцветия полевых трав, превратились в мясистые плоды цилиндрической формы, а место волков рядом с человеком заняли мопсы. В недалеком прошлом уже теперь в лабораторных условиях мы создали растения, ставшие фабриками по выработке фармацевтических препаратов, и получили сорт риса, служащий источником витамина А, от которого зависят состояние нашей иммунной системы и острота зрения. Мы продолжаем манипулировать генами в терапевтических целях, в рамках борьбы с инфекциями, а также для создания новых источников энергии и получения устойчивых источников пищи, но сам способ, которым мы добиваемся этого, ведет нас в абсолютно новый мир инновационных технологий, возможности которых еще не до конца изучены и не совсем понятны.

Геномика занимается формированием и анализом полных наборов генетических данных. Основываясь на сборе информации, данная дисциплина выросла из генетики и молекулярной биологии, то есть наук, имеющих дело с белками и генетическим материалом: ДНК и РНК. Задача геномики – подробно описать состав и взаимодействия «молекул жизни» внутри наших клеток. Впервые определить всю последовательность азотистых оснований в составе человеческой ДНК удалось чуть более 10 лет назад. Наш геном представлен различными комбинациями всего четырех букв A, C, T и G. Весь наш генетический материал выглядит как строка из 3 млрд букв, распределенных примерно по 20 000 словам. Если бы каждая из этих букв была того же размера, что и шрифт на этой странице, а буквы стояли бы ровной строчкой друг за другом, то протянулась бы эта строчка от Лондона до Рио-де-Жанейро. Сегодня геном человека стал частью обширной библиотеки, включающей чуть более 4000 организмов – от бактерий и вирусов до шимпанзе, утконоса и растения «японский вороний глаз» (ДНК которого по массе в 50 раз превосходит нашу). Но составление каталогов кодированных форм жизни – это только начало пути. Если в качестве примера взять применение геномики в медицине, то оптимистический сценарий будет выглядеть приблизительно так. Во-первых, мы должны изучить структуру генома и составить другие, имеющие отношение к данному, каталоги, чтобы выявить все условия, заставляющие гены работать. Затем нам следует проанализировать биологию генома: расшифровать инструкции, выяснить, какие части генома действительно инструкции, а какие нет; и, если они не являются инструкциями, мы должны понять, что в них такого, что им удалось оставаться в составе генома на всем протяжении эволюции. В-третьих, мы должны использовать полученные знания, чтобы разобраться в биологии заболевания и ответить на ряд вопросов: как и почему, например, наша ДНК препятствует развитию определенного заболевания или, наоборот, ускоряет его течение; как наша ДНК взаимодействует с ДНК атакующих нас микробов; наконец, как нам применить результаты в разработке «умных» препаратов направленного действия, которые повысят эффективность системы здравоохранения.

С того момента, когда мы наконец научились расшифровывать наш геном и начали понимать смысл инструкций в «генетическом талмуде», прошло всего-то два десятилетия. Мы до сих пор продолжаем разбираться с функциональными элементами человеческого генома, включая как те из них, что формируют гены, так и те, что не образуют их. (К примеру, некоторые разделы нашей ДНК отвечают за стабильность генома и обеспечивают корректность его структуры.) Для решения этой задачи потребуется еще немало исследований. Однако уже сейчас имеется достаточно данных для интерпретации. Всего через два года после публикации полной последовательности генома человека в 2004 г. на рынке появился тест, позволяющий получить полную расшифровку генома. В период с 2007 по 2014 г. только в США 500 млн человек приобрели такие тест-системы, чтобы получить доступ к заключенной в их генах информации. Результаты продаж в интернет-магазинах и в розничных сетях показывают стабильно высокие темпы роста, которые и не думают снижаться. В следующие два десятилетия мы сможем не только во всех подробностях анализировать свои геномы, но и спуститься на уровень ниже, углубляясь в дебри генетических данных и все более бесцеремонно обходя – на свой страх и риск – последние оплоты анонимности.

И вот теперь, когда мы уже достаточно повозились с генетическим кодом, присутствующим в разных формах жизни на Земле, наступает новая эра, в которой генная инженерия станет тем, чем она должна быть. Научившись расшифровывать генетический код и начав осваивать его грамматику, мы можем приступить к написанию чего-то своего. Со временем из-под нашего пера будут выходить все более и более сложные ДНК, и в ближайшие два десятилетия мы, несомненно, станем свидетелями создания новых форм жизни или воскрешения тех, которые когда-то исчезли с нашей планеты. Кроме того, даже если это и не кажется столь же захватывающим – как с философской, так и эволюционной точки зрения, – использование биологического кода за рамками биологии станет обыденным делом, превратившись в неотъемлемую часть нашей профессиональной и личной жизни. В конце концов, ДНК – это код, который автономно воспроизводит сам себя, код, который вот уже почти 4 млрд лет неустанно реагирует на изменения среды, приспосабливаясь и видоизменяясь без какого-либо участия со стороны человека. Если мы доберемся до сути генома, а потом научимся тому, что с такой легкостью делает ДНК, а именно – самообучению, адаптивности, самовоспроизводству, то есть вещам, с которыми до сих пор не справляются небиологические машины, произойдет настоящая революция во взаимодействии вычислительных систем и механизмов ДНК.

Генетика и геномика будущего откроют перед нами небывалые возможности: мы не только будем лучше понимать, как устроено наше тело и наша среда, но и научимся управлять ими, а наши технологии достигнут еще более высокого уровня персонализации. Но как мы распорядимся этими достижениями и как будем использовать постоянно растущий запас знаний о генах и геномах? Давайте остановимся подробнее на ряде революционных технологий, которые задают вектор развития генетики сегодня.

Еще совсем недавно даже для анализа ДНК, не говоря уже о секвенировании целых геномов, использовалось крупногабаритное дорогостоящее оборудование, устанавливавшееся в специально предназначенных для этого лабораториях. Как известно, на составление полной карты человеческого генома в 2000 г. ушло 15 месяцев, а расходы на проект достигли $300 млн. К 2006 г. стоимость картирования генома отдельно взятого человека сократилась до $14 млн. Десять лет спустя она составляла уже около $1500, а сама процедура занимала два дня. Сегодня при секвенировании уже можно обойтись не только без лабораторий, но даже и без генетиков. Секвенсоры нового поколения уже ничем не напоминают своих массивных предшественников, легко помещаясь в кармане. Пока они еще не способны полностью расшифровать весь геном, но это лишь вопрос времени. В данный момент они разрабатываются с целью анализа тех генов, знание о которых по каким-либо причинам считается важным. Новейшие представители этого класса устройств способны, к примеру, распознавать геномы определенного вида бактерий или штамма вируса, проникающих в организм человека. Результаты уже представляются весьма многообещающими, особенно если говорить о применении в регионах, где ситуация в сфере здравоохранения особенно тяжелая. В Западной Африке благодаря одному такому портативному устройству для секвенирования удалось выявить у пациентов 148 геномов вируса Эболы. Предполагается, что с развитием геномных технологий в будущем появятся миниатюрные и простые в использовании инструменты, которые позволят в полевых условиях за считаные часы ставить диагноз и определять эффективное лечение против таких вирусных инфекций, как коронарный вирус, лихорадка денге, Эбола, чикунгунья и Зика. Однажды они могут стать частью нашей повседневной жизни, как это произошло с мобильными телефонами.

Но и это далеко не предел – мы начинаем использовать для анализа ДНК полупроводники. Не так давно Крис Таумазу из Королевского колледжа Лондона разработал чип, который умещается в устройстве размером с USB-накопитель и в течение нескольких минут может обеспечить визуализацию результатов своей работы на компьютере. В задачи этой полупроводниковой технологии не входит изучение всех 3 млрд азотистых оснований человеческого генома. Вместо этого анализируется тот 1 % оснований, который уникален для каждого человека, выступая в качестве своего рода «биологического IP-адреса». Разные чипы в оболочке USB-накопителей распознают разные генетические мутации, тем самым выявляя предрасположенность к определенному заболеванию или, например, оценивая способность организма конкретного человека к метаболизму тех или иных лекарственных препаратов. «Врач больше не будет разбираться с заболеваниями, которые были у вас в прошлом, – он будет предупреждать недуги, которые ждут вас в будущем», – поясняет Таумазу.

Геномная революция, безусловно, открывает небывалые возможности в области здравоохранения, но этим ее значение далеко не исчерпывается. В геноме любой формы жизни закодированы инструкции, определяющие ее существование. В течение последних нескольких лет появились новые, более эффективные методы работы с генами, позволяющие воплотить в реальность то, что еще совсем недавно казалось чем-то из области научной фантастики. Во многом этим мы обязаны выдающемуся открытию Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпаньте – CRISPR, самому мощному инструменту геномной инженерии в современном мире. Разрабатывался он в качестве нового механизма для изменения ДНК. Благодаря ему мы получили возможность ближе познакомиться с функциями отдельных генов, активируя их или, наоборот, блокируя, а также разрезая ДНК в определенных местах таким образом, чтобы можно было изменить или дополнить последовательность. Это означает, что теоретически мы можем аккуратно удалить нежелательную версию гена, из-за которой образуются больные клетки, и заменить ее здоровой, работающей так, как надо. Но арсенал приемов в рамках данной технологии редактированием не ограничивается. В будущем она поможет нам выяснить, что делают те 98 % ДНК, которые не участвуют в кодировании белков. Таким образом, мы перейдем от алфавита генома к его грамматике и пунктуации. Здесь-то нам и пригодится возможность произвольно включать и выключать те или иные гены. В частности, мы начинаем использовать свет для контроля места и времени внесения изменений в ген, а также обеспечения обратимости вносимых изменений. Работа эта ведется в рамках еще одного динамично развивающегося направления под названием «оптогенетика». Суть ее заключается в том, чтобы научиться управлять деятельностью нервных клеток с помощью света в лабораторных условиях. Она поможет нам лучше понять, как работает мозг человека. Ожидается, что в течение следующих двух десятилетий результаты этих исследований позволят пролить свет на причины ряда заболеваний, включая дегенеративные заболевания нервной системы, эффективные методы лечения которых в настоящее время отсутствуют, таких, например, как болезнь Паркинсона, эпилепсия, болезнь Альцгеймера, инсульт и потеря слуха. Кроме того, сейчас ведется разработка так называемых CRISPR-таблеток – заключенных в съедобную оболочку ДНК-последовательностей, адаптированных таким образом, чтобы провоцировать самоуничтожение устойчивых к антибиотикам бактерий.

Мы уже видим результаты применения различных технологий, связанных с CRISPR, в нашей повседневной жизни – от серьезных (борьба с вымиранием пчелиных колоний) до курьезных (возможность выбрать цвет своего будущего питомца – собаки, карликовой свиньи или карпа кои). В следующие несколько десятилетий благодаря им могут быть созданы сложные синтетические биоцепочки, превращающие клетки в фабрики по производству биотоплива, а также выведены устойчивые к инфекциям породы домашнего скота. Более того, существуют планы по выведению «CRISPi-кур», в геном которых будут встроены инструменты для CRISPR-редактирования. Наконец, стоит упомянуть о так называемых фармацевтических средствах – например, трансгенных курах, в яйцах которых будет содержаться препарат для борьбы с проблемами, вызванными холестерином.

Еще одна возможная сфера применения геномных технологий – попытки воскресить вымершие виды животных. Уже началась работа по изменению генома эмбрионов слона с целью воссоздания мамонтоподобных шерстистых арктических слонов. Другой вид, который пытаются вернуть к жизни ученые, – странствующие голуби, истребленные нами в XIX в.

Теперь, когда освоены методы расшифровки, мы легко можем провести параллели между ДНК, рассматривая ее как систему кодирования, и вычислительными системами. Последние несколько десятилетий одним из главных факторов геномной революции была революция цифровая. и вот настал черед ДНК участвовать в развитии информационных технологий, выступая в качестве движущей силы инноваций. Запас долговечности у ДНК как носителя, используемого в качестве хранилища данных, вне всякого сомнения, намного больше, чем у любого другого вида носителей за всю историю развития информационных технологий. Причем, в отличие от дискет и компакт-дисков, использовать ее можно будет до тех пор, пока на планете будут люди, располагающие технологией ее расшифровки. Еще одно преимущество ДНК как хранилища данных – размер: весь наш геном умещается в клеточном ядре, диаметр которого обычно составляет 2–10 микрон. Много это или мало? Микрон – это одна миллионная часть метра. Даже человеческий волос имеет толщину около 75 микрон. Чтобы доказать саму возможность использования ДНК в качестве хранилища, не так давно был проведен эксперимент, в ходе которого в нее удалось поместить текстовые файлы и аудиофайлы, включая 154 сонета Шекспира и 26-секундную аудиозапись речи Мартина Лютера Кинга «У меня есть мечта». Для записи использовался двоичный код, аналогичный тому, который применяется в цифровой технике, с той лишь разницей, что в качестве битов (нулей и единиц) в нем выступают основания A, C, G и T в различных комбинациях. Бит – наименьшая единица информации, которая может храниться и обрабатываться на компьютере. Чтобы закодировать сонеты Шекспира с помощью ДНК, потребовалось 5,2 млн битов.

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.

С одной стороны, большая доступность означает больше возможностей, но с другой – создает новые трудности. и врачи, и пациенты спешат воспользоваться преимуществами персонализации, которые дает нам геномная революция, в результате чего персонализированные подходы уже применяются в ряде областей – от подбора оптимальной дозы лекарственного препарата до выбора наилучшего курса лечения при лейкемии, ВИЧ или раке кишечника. Все чаще к ним прибегают те, кто ничем не болен, но кто тем не менее стремится понять, что станет с его здоровьем в будущем. Многие люди сегодня используют готовые наборы, которые можно выбрать непосредственно на полке или онлайн, чтобы получить доступ к своему геному с помощью генеалогического ДНК-теста. По мнению сотрудника компании Autodesk Эндрю Гесселя, работающего в том числе над проектами по дизайну наночастиц, разработке новых технологий синтезирования ДНК и расшифровке генома человека, лежащая в основе работы по секвенированию ДНК бизнес-модель постепенно меняется. Уже сейчас есть компании, готовые бесплатно секвенировать геном человека, чтобы потом продать результаты анализа или использовать их при предоставлении других услуг. Другие компании будут платить за возможность секвенировать геном определенных людей, потому что в нем присутствует какая-либо редкая черта, оправдывающая усилия специалистов по анализу ДНК-кода. Представьте, например, что будут найдены генетические механизмы, отвечающие за такие привлекательные свойства, как сохранение волос, отсутствие волос в нежелательных местах, отсутствие седины, сокращение потребности во сне, замедление старения, сохранение остроты зрения или способность видеть в темноте. Исследование геномов людей с такими чертами может помочь в разработке препарата, который дал бы возможность получить их и другим людям.

Но, чтобы использовать какую-либо генетическую информацию, образцы нашего ДНК должны быть переданы тем, кто будет их анализировать. В итоге заключенные в пробирку секреты нашего генома отправляются в лаборатории, где небольшие их фрагменты подвергаются расшифровке и интерпретации, а результаты пересылаются нам обратно через интернет. На первый взгляд, ничего страшного в этом нет. На самом деле, даже если сейчас возможность почувствовать себя потомком викингов или восстановить давно утраченную родственную связь с Клеопатрой и кажется чем-то забавным, в ближайшее десятилетие глубина анализа генетических данных изменится настолько, что это может представлять угрозу для нас. Ведь человеческий геном не только позволяет однозначно идентифицировать его владельца, но также содержит информацию о нашем этническом наследстве и предрасположенности к заболеваниям и нарушениям, включая психические, что может иметь серьезные последствия с точки зрения сохранения неприкосновенности нашей частной жизни.

По мнению специалиста по компьютерной безопасности и защите персональных данных Эмилиано де Кристофаро из Университетского колледжа Лондона, даже недавние инициативы в области здравоохранения, направленные на создание общедоступных наборов данных ради всеобщего блага, по сути дела, предполагают получение согласия от пациентов и доноров на нарушение неприкосновенности их частной жизни. По его словам, существующие методы деперсонализации генома, заключающиеся в удалении идентификаторов с целью сокрытия личности владельца генома, едва ли эффективны. К примеру, не так давно группе исследователей удалось установить личности людей, используя всего лишь информацию с генеалогических веб-сайтов. Причем на этих сайтах даже нет полных данных о последовательности генома – там есть лишь небольшие разрозненные фрагменты.

Де Кристофаро предупреждает: публикация данных ДНК опасна не только из-за того, что в результате роста мощности вычислительных систем в ближайшие годы их станет намного проще анализировать, но также и из-за того, что в них содержатся части генома, функции которых нам сейчас неизвестны и в разглашении которых мы никакой опасности не видим. Но по мере углубления нашего понимания генома эти фрагменты данных ДНК вполне могут быть использованы против их владельцев. Не будет большим преувеличением сказать, что в будущем мы непременно столкнемся с попытками использовать данные ДНК в системах оружия. Знание особенностей генома предполагаемой цели, в соответствии с опасениями экспертов, может служить основой для создания персонализированного биооружия, способного убить выбранную цель, не оставляя никаких следов. Но де Кристофаро говорит и о вполне обыденных угрозах: что будет, если мы узнаем, что определенная мутация связана с каким-либо психическим расстройством? Публикация таких данных будет иметь очень серьезные последствия. Давайте не забывать, что с точки зрения безопасности раскрытие геномных данных – колоссальная проблема, не имевшая исторических прецедентов, поскольку вероятность правильно идентифицировать индивидуума по геному не снижается со временем, а информация о геноме человека может быть автоматически распространена на его близких родственников. и если в конце концов кто-то узнает ваш пароль от компьютера, вы можете легко обновить его. Сбросить и обновить геном невозможно.

Если исходить из менее апокалиптического сценария, в будущем продолжится наметившаяся в последнее десятилетие тенденция к демократизации, что приведет к появлению во многих крупных городах общественных лабораторий, где люди без специальной научной подготовки будут работать над внедрением недорогих, доступных технологий. Мы знаем немало проектов – от выработки дешевого инсулина до селекции сельскохозяйственных культур, – в которых принимали участие неспециалисты. Развитие генетики также дает немало пространства для увлекательного времяпрепровождения: от баркодирования последовательности ДНК джемов до создания бактерий, которые светятся в темноте, как фонарик.

Но и это еще не все. Эндрю Гессель считает, что со временем биотехнологии станут такой же неотъемлемой частью нашей повседневной жизни, как персональные компьютеры, интернет и облачные технологии: практически в каждом доме появятся простые в использовании устройства на их основе – например, зубные щетки, контролирующие состав микробов у вас во рту.

Хотя многое из того, что сулит нам в будущем генетика, уже становится реальностью, есть вещи, которые вряд ли будут реализованы в ближайшем будущем, а если и будут – то не так, как большинство из нас ожидает. Однако, по словам Гесселя, мы можем быть совершенно уверены, что методы анализа ДНК обязательно станут качественнее, эффективнее и дешевле, что будет иметь колоссальное значение, так как с их помощью мы сможем создавать живые существа. «Эта технология неизбежно будет стремительно развиваться, – резюмирует он. – Даже если бы мы захотели, мы бы все равно не смогли остановить данный процесс. Это как с компьютерами».