Від редакції:
Знанням людства про власну ДНК ще далеко до досконалості. Тим не менш, вчені намагаються всіляко пристосувати ще напівневивчену структуру до виконання вже звичної роботи – якщо до швидких обчислень у молекулярному розчині ще далеко, то книга на ДНК-носієві вже є.

Цієї книжки ще немає у продажу, але вона вже існує у 70 мільярдах копій. І всі вміщуються у невеликому флаконі, тому що вперше в історії літератури для її запису використали дезоксирибонуклеїнову кислоту.
Природа записала у ДНК програму розвитку кожного організму. Джордж Черч, професор генетики у Гарвардському університеті, записав у ДНК свою останню книжку. Її назва є грою слів з «Genesis», біблійною Книгою Буття: «ReGenesis: як синтетична біологія заново винайде природу і нас самих».
У ній мало покори – Черч належить до тих біологів, амбіції яких зводяться до вдосконалення живих організмів. За допомогою маніпуляцій у ДНК вони хочуть отримувати мікроорганізми, яких раніше не було у природі, і використовувати їх на благо людям – для виробництва ліків або нових матеріалів.
Черговим кроком буде перепрограмування ДНК людини – наприклад, для ремонту ушкоджених тканин або вирощування нових для трансплантації. Це майже відкрита гра у Бога. Джордж Черч – свою плечистою статурою, густою сивою бородою і та волоссям – навіть нагадує божественного Творця з фресок епохи Відродження.
Наразі йому вдалося створити нову галузь науки – синтетичну біологію. Він був її піонером, архітектор відомого «Проекту геному людини» [Human Genome Project], тобто великого проекту розшифрування літера за літерою цілого людської ДНК. Протягом декількох років він займається синтезом штучних генів, тобто фрагментів ДНК, які – вбудовані у геном бактерій або дріжджів – виконували б корисні для нас завдання. Напевно, у «ReGenesis ...» він змальовує своє бачення того, як далеко можуть зайти біологи у створенні штучної ДНК та світу, що спиратиметься на неї. Книга лише у жовтні з’явиться у продажу, проте проф. Черч не міг втриматися від спокуси, щоб не показати на її прикладі вже зараз одне з майбутніх застосувань генної інженерії.

Нуклеотиди замість літер, нулів та одиничок
У цьому випадку йдеться про використання ДНК як носія інформації. Будь-якої, а не тільки генетичної. Вчені вже давно були вражені тим, скільки даних може бути закодовано у ДНК. План розвитку та функціонування організму міститься у ядрі клітини розміром з кілька мільйонних часток метра.
ДНК має форму ланцюга, ланками якого є чотири типи нуклеотидів (позначаються літерами A, C, T, G). У людській ДНК їх є понад 3 млрд. Теоретично кожен міг би закодувати два біти інформації. В одному грамі ДНК – за підрахунками професора Черча в останньому номері Science – можна записати 455 екзабайтів (455 трлн байтів) даних. Це багато? Дуже. Сумарна місткість усіх цифрових дисків та інших сховищ пам’яті у світі лише у три рази більша. Усі архіви світу можна було б отже вмістити у трьох грамах дезоксирибонуклеїнової кислоти!
Іншими словами, біологія змогла запхнути біт інформації у простір заледве одного кубічного нанометра. Найкращі жорсткі диски і флеш-пам’ять мають у мільйони разів нижчу щільність запису. Жодне зі створених людьми електронних сховищ інформації не має практично шансів дорівнятися ДНК. Навіть експериментальні види пам’яті, створені на підставі квантової голографії.
Ще однією перевагою ДНК є достатньо висока стійкість та низькі вимоги до зберігання. Вчені можуть відтворити ДНК, видобуту з решток кісток неандертальців, які пролежали у землі десятки тисяч років.
І нарешті, цей біологічний стандарт запису не вичерпає себе і не відійде у минуле так швидко, як перфокарти, магнітні стрічки, великі, а потім малі дискети. Вони приходили і йшли через декілька років, коли їх замінювали нові носії. Нині в нас є проблеми з прочитанням записаних на них даних, а іноді цей й взагалі неможливо.
Натомість, ДНК існує та працює вже добрі 3,5 мільярди років, і у майбутньому навряд чи вона чимось буде замінена. І ще одна річ цілком певна: способи читання та запису генетичної інформації будуть лише вдосконалюватися, тому що це ключова інформація для нашого здоров’я.
Можна було б запитати: якщо це такий чудовий носій даних, чому ми ще не ходимо з флаконами ДНК у кишенях замість традиційних USB-накопичувачів?
Головною перешкодою є те, що ми на разі робимо лише перші кроки як у синтезі ланцюгів ДНК, так і у їх розшифруванні. Ми лише вчимося робити це без помилок. Крім того, це забирає багато часу і досі є пекельно дорогим процесом, хоча витрати знижуються вже протягом декількох років швидкими темпами.

Бібліотека, у якій повно пробірок
Свій внесок у цю справу зробив і проф. Черч, який два роки тому вигадав просту, у десятки разів дешевшу, ніж попередні, технологію для створення коротких ланцюжків ДНК, що складаються з 20-200 нуклеотидів, так званих олігонуклеотидів. За допомогою нового методу разом можна синтезувати навіть до мільйона таких коротких фрагментів ДНК за допомогою «принтера» на так званому мікрочіпі (скляній пластинці розміром із звичайний слайд).
Власне у такий спосіб Черч записав свою книжку. Спочатку він перетворив слова та ілюстрації у послідовність нулів та одиничок – потік трохи більший, ніж 5 мільйонів бітів. Потім він поділив його на майже 55 тисяч коротких фрагментів (по 96 бітів) і кожен з них (разом з його адресою, тобто місцем у послідовності) закодував на мікрочіпі у ДНК.
Функції нуля виконували нуклеотиди А або С, а одинички – нуклеотиди G або T. Наприклад, літера N була представлена послідовністю 01001110, що у ланцюгу ДНК зберігається у вигляді CTCCGTTA. Подробиці були описані в останньому числі журналу Science.
До речі, цю книжку можна було б видати у мільярдах копій, тому що реплікація ДНК не є великим мистецтвом.
– Дорогим є лише перший запис, але щойно він буде створений, то репліки, навіть у мільярдах, можна створювати дуже дешево. Власне, я і не знаю дешевшого методу копіювання – каже журналу IEEE Spectrum генетик Джозеф Джейкобсон з Массачусетського технологічного інституту у Кембриджі (США). І наводить відразу одне з можливих застосувань – етикетки з ДНК на продовольчих товарах або інших товарах масового виробництва.
Джордж Черч визнає, що він має рацію – ДНК могла б замінити папір. Його книжка може розпастися, її можна навіть з’їсти. Наразі, попри те, що вона існує у мільярдах копій, Черч не розраховує на високі показники її продажу у цій формі. Щоб прочитати її, треба мати добру лабораторію та дорогі прилади.
Проте, якщо нам потрібен носій, який зберігав би дані довше, ніж століття, ДНК може вже конкурувати з іншими методами. Крім того, нам дедалі більше потрібна така містка пам’ять, як ДНК. Наша цивілізація виробляє щороку набагато більше даних, ніж може зархівувати. Звичайно, більшої їх частки можна позбутися назавжди без жалю, але врешті-решт, деякі вартувало б зберігати подовше – наприклад, записи камер відеоспостереження, які нині треба видаляти через декілька днів.
Тож цілком ймовірно, що архівістам та бібліотекарям у майбутньому треба буде мати докторський ступінь у галузі біології.