Геном - совокупность всех генов
организма или, шире, полная последовательность ДНК. Размер генома человека - 3
миллиарда нуклеотидов, кодирующих 35-40 тысяч генов 1, генома бактерий - от 600 тысяч нуклеотидов/600
генов (внутриклеточные паразиты) до 6-8 миллионов нуклеотидов/5-6 тысяч генов
(свободно живущие бактерии). Упражнение: в скольких выпусках журнала
«Компьютерра» можно будет опубликовать бактериальный геном, если посвящать
этому половину каждого номера?
Секвенирование - определение
последовательности нуклеотидов во фрагменте ДНК. Именно это имеется в виду,
когда в газетах пишут о «расшифровке генома человека». Исследование работы
генов в масштабе целых организмов, а также эволюция геномов составляют предмет геномики,
а анализ полного набора белков в клетке и их взаимодействий друг с другом -
предмет протеомики2.
Инфузорное
программирование
Во
второй декаде сентября в Праге прошла 6-я «Европейская конференция по искусственной
жизни» - междисциплинарный форум, на который собираются ученые, изучающие
природу и перенимающие в своих исследованиях ее «творческий опыт».
Например, исследователи из
голландского «Центра природных вычислений» при Лейденском университете полагают,
что, освоив некоторые приемы генетических манипуляций, заимствованные у
простейших одноклеточных организмов - ресничных инфузорий, человечество сможет
воспользоваться гигантским вычислительным потенциалом, скрытым в молекулах ДНК.
Ресничные обитают на Земле, по меньшей мере, два миллиарда
лет, их обнаруживают практически повсюду, даже в самых негостеприимных местах.
Директор Центра Гжегож Розенберг (Grzegorz Rozenberg), называет эти инфузории
«одним из наиболее успешных организмов на Земле». Ученые объясняют такую
«удачливость» чрезвычайно эффективными механизмами манипуляции собственной ДНК,
позволяющими инфузориям приспосабливаться практически к любой среде обитания.
Уникальность ресничных в том, что их клетка имеет два ядра -
одно большое, «на каждый день», где в отдельных нитях хранятся копии
индивидуальных генов; и одно маленькое, хранящее в клубке используемую при
репродукции единственную длинную нить ДНК со всеми генами сразу. В ходе
размножения «микроядро» используется для построения «макроядра» нового
организма. В этом ключевом процессе и происходят чрезвычайно интересные для
ученых «нарезание» ДНК микроядра на короткие сегменты и их перетасовка,
гарантирующие то, что в макроядре непременно окажутся нити с копиями всех
генов.
Розенбергом и его коллегами установлено, что способ, с помощью
которого создаются эти фрагменты, удивительно напоминает технику «связных
списков», издавна применяемую в программировании для поиска и фиксации связей
между массивами информации. Более глубокое изучение
репродуктивной стратегии ресничных инфузорий при сортировке ДНК открывает новые
и интересные методы «зацикливания», сворачивания, исключения и инвертирования
последовательностей.
Напомним, что в 1994 году Леонардом Эдлманом (Leonard Adleman)
экспериментально было продемонстрировано, как с помощью молекул ДНК в
единственной пробирке можно быстро решать классическую комбинаторную «задачу
про коммивояжера» (обход вершин графа по кратчайшему маршруту), «неудобную» для
компьютеров традиционной архитектуры. Результаты же экспериментов ученых из
лейденского центра дают основания надеяться, что в недалеком будущем ресничные
инфузории можно будет использовать для реальных ДНК-вычислений.
А вот английские исследователи из компании British Telecom
пришли к выводу, что изучение поведения колоний бактерий дает ключ к решению
сложнейшей задачи упорядочивания коммуникационных сетей.
Для описания ближайшего будущего компьютеров сегодня все чаще
привлекают популярную концепцию «всепроникающих вычислений» - идею о гигантской
совокупности микрокомпьютеров, встроенных во все предметы быта и незаметно
взаимодействующих друг с другом. В этой единой беспроводной сети будет увязано
все: кухонная техника, бытовая электроника, следящие за микроклиматом сенсоры в
комнатах, радиомаяки на детях и домашних животных… Список этот можно
увеличивать бесконечно. Но сейчас добавление каждой новой «умной штучки»
отнимает массу времени, чтобы взаимно подстроить работу этого устройства и уже
сформировавшейся конфигурации. В концепции же будущего, поскольку хозяева дома,
по определению, не обладают ни временем, ни знаниями для настройки совместной
работы всей этой армии бесчисленных «разумных вещей», изначально предполагается
способность системы к самоорганизации. Поэтому достаточно естественно, что взгляд ученых устремился к природе, где подобные
задачи решены давно и успешно. В частности, эксперименты исследователей British
Telecom показали, что их система, имитирующая поведение колонии бактерий в
строматолитах 1, способна поддерживать работу сети из нескольких
тысяч устройств, автоматически управляя большими популяциями отдельных
элементов.