Геном человека: Энциклопедия, написанная четырьмя буквами - Вячеслав Тарантул

Однако нельзя переоценивать возможности современной биоинформатики, она еще далеко не все может решить. Тем не менее, она выступает в качестве мощного инструмента для первоначальной переработки огромной по объему информации, содержащейся в ДНК. Биоинформатика дает для исследователей ценные данные и делает их поиск целенаправленным. Такой поиск может быть продолжен в дальнейшем с использованием других подходов, в частности, экспериментов на культурах клеток или даже на целых животных. Например, как уже говорилось выше, функции тех или других генов человека можно эффективно изучать на модели трансгенных животных.

Кроме перечисленных выше, биоинформатика решает и множество других не менее важных и сложных задач. Таковым являются разработка методов анализа экспериментальной информации; компьютерное моделирование структурно-функциональной организации (вторичной, третичной структуры) генетических макромолекул (ДНК, РНК и белков), молекулярно-генетических процессов (репликации, транскрипции, сплайсинга, трансляции) и молекулярных взаимодействий между генетическими макромолекулами в генных сетях; исследование закономерностей молекулярной эволюции генетических макромолекул, а также молекулярно-генетических систем. Так, используемый в науке геногеографии картографический подход (о нем мы еще поговорим ниже), позволяющий исследовать пространственное распространение по нашей плавнете различных генетических признаков человека, долгие годы был чрезвычайно трудоемким и отнимал у ученых очень много времени. Использование компьютерных технологий принципиально изменило ситуацию, позволило существенно облегчить эти рутинные процедуры, давая исследователю возможность сосредоточиться непосредственно на вопросах творческого анализа географической изменчивости популяционно-генетических характеристик.

Сравнительный анализ геномов с помощью компьютеров стал одним из наиболее распространенных и эффективных методов изучения их структурно-функциональной организации и эволюции. Об этом уже шла речь выше, когда рассказывалось о функциональной геномике, коснемся мы его и в следующих разделах. Наиболее важные участки генома относительно мало изменяются в процессе эволюции, и их функции, установленные в экспериментах на мышах или мухах, зачастую оказываются такими же и у человека. Экспериментальный поиск генов, которые сходны у человека и животных, занимает недели и месяцы работы целой лаборатории. С помощью созданных геноинформатикой эффективных алгоритмов поиска компьютеры позволяют сделать это за считанные минуты. При наличии сходства последовательностей ДНК геноинформатика, с определенной степенью точности, может предсказать эволюцию геномов, функцию отдельных генов и др.

Биоинформатика способна также предсказать пространственную структуру белка на основании данных по последовательности нуклеотидов в ДНК. Это чрезвычайно важное обстоятельство, так как число известных первичных белковых структур (последовательностей аминокислот), установленных по известным нуклеотидным последовательностям ДНК, намного превосходит число экспериментально подтвержденных пространственных белковых структур. И в этом направлении также разработано большое число подходов. Один из наиболее эффективных — использование информации о пространственной структуре белков, имеющих сходную первичную структуру.

И, наконец, принципиально изменилось взаимодействие между учеными разных стран. С помощью компьютера исследователи из многочисленных научных лабораторий мира осуществляют обмен идеями, результаты их работ быстро появляются в Интернете, там же ученые ищут интересующие их сведения, публикуемые коллегами. Всемирная паутина позволяет специалистам не только обмениваться сообщениями, но и за считанные минуты просматривать специализированные базы данных международных центров, в то время как в обычной библиотеке без специальных программ на это ушли бы дни и месяцы. Уж не говоря о том, что на такие полные библиотеки пришлось бы в каждом научном учреждении тратить гигантские средства. В России, под руководством профессора А. А. Александрова, создана большая и весьма полезная база знаний, в которой любой желающий, имеющий доступ к Интернету, может найти сведения обо всех аспектах, связанных с биологией человека (сайт http://obi.img.ras.ru).

В значительной мере потенциал био- и геноинформатики определяется техническими возможностями. Недавно появилось сообщение, что корпорация IBM продала свой самый мощный в мире коммерческий компьютер компании NuTec Sciences, которая будет использовать его в исследованиях генома человека. Производительность этого компьютера составляет 7,5 трлн. операций в секунду. Он построен на базе 5000 процессоров. И это один из важных путей совершенствования геноинформатики.

Если заглянуть в материал, хранящийся в наиболее полном архиве PubMed, то на конец 2002 года там можно найти свыше 10,5 тыс. научных публикаций, в которых упоминаются слова «геном человека». Сейчас очень трудно уследить за всей информацией, которая появляется ежедневно по данной проблеме. В этой связи одним из перспективных путей развития биологии и генетики в XXI веке сейчас считается создание полной компьютерной модели клетки. Только сверхмощные компьютеры способны обеспечить хранение, систематизацию и переработку той огромной фактической информации, которая накопилась учеными за последнее столетие. Такие клеточные модели теоретически способны не только анализировать существующие базы данных, но и предсказывать ученым пути поиска недостающих звеньев. И здесь для биоинформатики еще предстоит работа на многие десятилетия.

Геноинформатика — быстрый путь от гена к лекарству

Один из впечатляющих результатов био- и геноинформатики — создание методов и подходов для выявления новых узконаправленных лекарств на основании анализа генов и пространственных структур кодируемых ими белков. Поиском лекарств нового поколения сейчас активно заняты многочисленные фирмы. Приемы и методы современной биоинформатики позволяют с помощью компьютерного моделирования очень быстро проводить проверку огромного числа химических соединений (в распоряжении исследователей сейчас имеется свыше 2 миллионов таких соединений) с целью выбора тех из них, которые специфически действуют на различные белки-мишени, участвующие в развитии определенных патологий у человека. Такой анализ осуществляют с помощью специальных компьютерных программ на базе известных пространственных структур белков. Этот подход получил специальное название «дизайн лекарств» (англ. drug-design). Сначала идут от гена через мРНК к белку, а затем к его сложной пространственной структуре. Далее путем компьютерного анализа оценивается возможность целенаправленного взаимодействия белков-мишеней с различными химическими компонентами и среди последних отбирают такие, которые теоретически должны влиять тем или другим образом на мишени. На заключительном этапе все-таки требуется помощь экспериментаторов: в специальных опытах из небольшого уже числа отобранных теоретиками соединений вычленяют окончательно такие, которые оказывают ожидаемое биохимическое и физиологическое действие в живых системах.

Не вызывает сомнения, что в ближайшее время вместо всего нескольких сотен белков-мишеней, на которые направлено действие лекарств сегодня, биоинформатика на базе расшифрованного генома человека даст медицине десятки тысяч новых мишеней. А затем будут подобраны новые направленные на них лекарственные средства.

Немного фактов на грани с фантастикой

Компьютеры на основе ДНК

Молекула ДНК привлекла к себе внимание с разных, порой совершенно неожиданных сторон. Так, когда выяснилось, что в молекуле ДНК может храниться намного больше информации, чем в любом из микрочипов, заметный интерес вызвала возможность использования ДНК для обработки информации и решения математических задач.

Сама идея использовать ДНК для создания биокомпьютера возникла из сходства между процессами, происходящими в природе при синтезе ДНК, и работой вычислительных машин. Первые работы по созданию ДНК-компьютеров начались около 10 лет назад в Америке. Но сейчас уже в нескольких странах мира есть лаборатории, где пытаются «скрестить» компьютер с живыми организмами. Ученые, работающие над проблемой создания ДНК-компьютера, считают, что со временем он составит сильную конкуренцию теперешним компьютерам, благодаря своей сверхминиатюрности и сверхбыстродействию. Информационная емкость ДНК гораздо больше, чем у любых современных носителей: в кубическом сантиметре ДНК содержится больше информации, чем на триллионе CD-дисков. Вероятно, в будущем компьютер на основе ДНК может работать и внутри человеческих клеток. В результате этого он будет, например, отслеживать опасные для здоровья изменения в организме человека, рекомендовать набор лекарственных средств для лечения патологий и др. Все это пока еще далеко от реального воплощения. Тем не менее, уже появились сообщения о создании первых нанокомпьютеров, в которых роль программ, входных данных и результатов играют цепочки молекул ДНК, а роль символов — составляющие их буквы (А, Т, Г и Ц). Вместо обычного представления данных в виде нулей и единиц и использования математических формул для решения задач, вычисление с помощью ДНК использует данные, представленные в виде шаблонов молекул ДНК. Специфические ферменты (рестриктазы и лигазы) действуют как программные средства, обеспечивающие чтение, копирование и манипулирование кодом.