Журнал «Компьютерра» №31 от 30 августа 2005 года

На удивление спокойно, без победных фанфар и вселенского шума прошло такое, несомненно, грандиозное событие, как завершение проекта «Геном человека» (черновой релиз состоялся в 2001 году, о полной расшифровке ДНК объявлено в 2003-м). Для сдержанности, конечно, есть причины: как ни гляди, работа только началась. С практической точки зрения, выяснение генетической подоплеки тех или иных болезней требует сопоставления многих индивидуальных вариантов структуры генома. С точки же зрения науки, созерцание кода само по себе никак не отвечает на вопросы о механизмах генетического контроля. Мало прочитать, нужно понять.

Американский National Human Genome Research Institute (NHGRI), головная организация «Генома человека», теперь

открыла проект ENCODE (ENCyclopedia Of DNA Elements). Его задача - не распыляясь, «рассмотреть под лупой» отдельные зоны генома (44 участка, составляющие в совокупности около 1% его длины) для детального мониторинга функций, проведения эволюционных сопоставлений и выявления индивидуальных вариаций.

«Нам открывается новый мир, гораздо более сложный, чем сам мир генома», - говорит об изучении эпигенетических (управляющих работой генетического аппарата) связей канадский исследователь Моше Сциф (Moshe Szyf). Бинг Рен (Bing Ren) из Калифорнийского университета и его коллеги в качестве первоочередной цели рассматривают картирование промоторов - регуляторных последователей ДНК, обеспечивающих включение или выключение генов. Разительные порой отличия между типами клеток, несущими, тем не менее, один и тот же геном, а также функциональные переключения клеток непосредственно зависят от промоторов. Использовав «ДНК-чипы» от NimbleGen Systems и разработанные в университете изощренные компьютерные алгоритмы, исследователи уже идентифицировали местоположение и структуру 10 тысяч регуляторных участков в клетках соединительной ткани (фибробластах) человека; 6 тысяч из них локализованы впервые. Сообщается о том, что некоторые гены могут контролироваться сразу несколькими промоторами, а также о выявлении регуляторов в зонах, в которых их видеть не ожидали.

На разгадку процессов регуляции нацелен и проект «Эпигеном» (Human Epigenome Project). Вопреки всеобъемлещему названию, в фокусе внимания одна-единственная проблема - метилирование ДНК (этой модификации частично подвергается один из нуклеотидов, цитозин). Зачем это нужно у бактерий, разобрались, а вот смысл метилирования у млекопитающих остается недостаточно проясненным. Теперь, видимо, ненадолго.

Амбициозная цель, которую ставят перед собой ученые, - выход на возможность определения последовательности нуклеотидов ДНК (секвенирования) у отдельных людей. Ведь ДНК у всех разная, и то, что мы называем расшифрованным геномом, - лишь случайным образом отобранные для исследования образцы, заведомо отличающиеся от ДНК других людей. Подобный прорыв открыл бы путь тому, что уже получило название «персонализированной медицины» и является долгожданным воплощением врачебного идеала «лечить не болезнь, а больного», - диагностика и лечение могли бы полностью учитывать генетическую индивидуальность.

Пока что прямая ДНК-диагностика ограничивается несколькими сотнями тестов, касающихся болезней с совершенно очевидной генетической предрасположенностью и требует испытания для идентификации каждого патологического гена. Идея «личностной фармакологии» официально получила «добро» от Управления по контролю за пищевыми продуктами и лекарственными средствами США (FDA), однако пока что даже в самой обстоятельной базе данных по фармакогенетике PharmGkb (www.pharmgkb.org) генетические связи приводятся только для 400 из 4000 аннотированных лекарств. А вот проведя широкие сопоставления полных записей структуры ДНК и имея на руках генетический профиль конкретного человека, можно было бы сразу оценить все его врожденные предрасположенности к тем или иным болезням и точно подстроить медикаментозную терапию под генетические особенности.

Для очередной атаки на код наследственности готовится соответствующее обновление методического инструментария. Способов секвенирования придумано немало, но основной «рабочей лошадкой» был и остается метод Сэнджера. Сначала двуспиральную ДНК разделяют на нити, затем на матрице однонитевой ДНК с помощью фермента ДНК-полимеразы начинают вновь воссоздавать вторую цепь. При этом некоторым специальным способом подается команда прекратить синтез, как только он дойдет до определенного нуклеотида (аденина, скажем, или тимина). Длина недостроенных фрагментов (указывающая, в какой позиции прервана реакция и, следовательно, находится соответствующий нуклеотид) определяется с помощью электрофореза. Эта методика достаточно трудоемка, но новые нанотехнологические подходы обещают резко ускорить процесс и перевести прочтение ДНК индивидуума из разряда научных подвигов в ранг бытовой повседневности.

Марсель Маргулис (Marcel Margulies) и его коллеги из 454 Life Sciences Corporation предложили перенести реакцию из раствора на поверхность микроскопических шариков, к которым и прикрепляется анализируемая ДНК. Разработка, выполненная фирмой, позволяет получать результат не исследуя продукты полимеразной реакции, а непосредственно наблюдая за ее ходом. Шарики попеременно орошаются растворами, содержащими один из четырех нуклеотидов. Когда подается нуклеотид, нужный для продолжения цепи, это видно по свечению, возникающему от превращений продуктов реакции под влиянием люциферазы (фермент из светлячков). Руководит процессом высоко оцененное специалистами программное обеспечение под Linux. В качестве рекламного шага исследователи объявили о предстоящей быстрой расшифровке личной ДНК Джеймса Уотсона, соавтора открытия двуспиральной структуры ДНК. Аналогичный подход, использующий четыре красителя (по числу нуклеотидов) и флуоресцентный микроскоп, предложили Джей Шендур (Jay Shendure) и ее коллеги из Гарвардского медицинского колледжа. Потенциально новые технологии на два порядка производительнее и гораздо дешевле метода Сэнджера.

С октября прошлого года инновации в области секвенирования финансирует и упомянутый выше институт NHGRI. Гранты серии «$100000 за геном» подразумевают выведение в обозримые сроки и с опорой на существующие методики полного секвенирования ДНК на обозначенный ценовой рубеж (сейчас это стоит 10 млн. долларов). Гранты же линейки «$1000 за геном» выдаются в предвкушении радикального прорыва (в августе объявлено об увеличении их количества - возможно, под влиянием успехов коллег-конкурентов). В качестве инструментов для совершения революции в секвенировании предлагаются самые разные технологии с использованием нанопор, синтетических нуклеотидных аналогов, измерения электрических свойств нанообъектов и др. Кстати, гранты далеко не столь скромны, как наименования рубрик, - от половины до нескольких миллионов долларов.

Ждет ли нас в близком будущем общедоступное секвенирование по цене средненького ноутбука - бог весть. Однако ученые мужи излучают оптимизм.

О технологии с громким названием Overdrive я впервые услышал во время весенней поездки на Computex 2005 - о ней несколько раз вскользь упоминали сотрудники BenQ, показывавшие нам завод и исследовательскую лабораторию фирмы. А чуть позднее, при посещении завода третьего по величине в мире производителя LCD-панелей AU Optronics (AUO), меня удивило изобилие панелей, сделанных на основе, казалось бы, совершенно непопулярной технологии MVA. Однако «экскурсоводы» в обоих случаях предпочитали говорить не о технологических, а о финансовых достижениях своих компаний, ограничиваясь демонстрацией «железок» и лабораторий, так что Overdrive на время забылась.

Вспомнилась же мне эта история много позднее, когда мой коллега рассказал о появлении на рынке нового поколения мониторов, в которых принципиально решена проблема слишком большого времени отклика матрицы. Заинтересовавшись, я отправился на поиски информации об использующейся в этих мониторах технологии.

Каждый (суб)пиксел в современной активной LCD-панели представляет собой довольно сложную конструкцию из транзистора, конденсатора и резистора, управляющих напряжением на электродах, между которыми зажата крошечная капля жидких кристаллов. В зависимости от этого напряжения изменяется ориентация кристаллов в этой капле, а в зависимости от ориентации субпиксел определенным образом поворачивает плоскость поляризации проходящего через него света. Поскольку вся конструкция, в свою очередь, зажата между двумя поляроидами, первый из которых поляризует свет в одном направлении перед прохождением его через массив субпикселов, а второй - отсекает часть света в зависимости от направления поляризации, то панель пропускает в данной точке то или иное количество света. Сетка управляющих электродов и «встроенные» в каждый субпиксел транзисторы позволяют электронной схеме, управляющей работой панели, подавать необходимый уровень напряжения на любой из субпикселов, образующих матрицу, а встроенные в субпикселы конденсаторы позволяют это напряжение на непродолжительное время «запоминать» - до следующего цикла обновления изображения на экране. Остается только равномерно осветить LCD-панель специальным источником (поток света от которого матрица будет «модулировать») - и жидкокристаллический монитор готов (рис. 1).

Грубая, упрощенная схема устройства субпиксела TFT-матрицы. При снятии напряжения с нужного «горизонтального» электрода в сетке, «открываются» транзисторы, соединяющие конденсаторы субпикселов с «вертикальными» электродами, и через эти электроды на всех субпикселах данного «ряда» устанавливается требуемый уровень напряжения. Эта процедура изменяет ориентацию жидких кристаллов в субпикселах, изменяет угол вращения поляризации света этими кристаллами и регулирует количество света, проходящего через субпиксел. Цветные светофильтры позволяют создавать цветные TFT-матрицы, набирая их из субпикселов разных цветов; пленка из материала с высоким коэффициентом преломления значительно увеличивает углы обзора.