Библиотека возможной жизни: человечество учится читать бесконечную книгу геномов

В 1941 году аргентинский писатель Хорхе Луис Борхес опубликовал рассказ, который впоследствии назовут одним из самых влиятельных произведений литературы XX века. «Вавилонская библиотека» описывала бесконечное пространство, в котором хранятся все книги, которые только можно написать, используя двадцать пять букв алфавита. В этой библиотеке есть романы Диккенса и Мураками, технические руководства, сборники погоды и биографии каждого человека, включая ещё не написанные. Но подавляющее большинство текстов в ней — бессмысленный набор знаков, который никогда не будет прочитан.

Борхес не знал, что его метафора окажется пророческой для другой сферы. Он описывал библиотеку литературы. Но природа создала библиотеку гораздо более ёмкую — библиотеку всех возможных геномов.

Четыре буквы вместо двадцати пяти

Вместо двадцати пяти букв алфавита язык жизни использует всего четыре знака — нуклеотидных основания, обозначаемых буквами А, Т, Г и Ц. Комбинируя их в разных последовательностях, можно записать «книги», которые являются чертежами живых организмов.

Философ Дэниел Деннетт назвал эту воображаемую библиотеку «Библиотекой Менделя». Исследователь Эдриан Вулфсон, автор работы, на основе которой написан этот текст, предлагает другое имя — «Библиотека Фреда» — в честь британского биохимика Фредерика Сэнгера, который в 1977 году разработал метод точного прочтения любой последовательности ДНК.

В Библиотеке Фреда содержатся генетические чертежи всех организмов, которые когда-либо существовали. Муравьёв, палочников, одуванчиков, птерозавров. Но не только реальных — но и гипотетических. Единороги, гигантские люди с ногами размером в половину человека, бессмертные люди, миниатюрные люди размером с небольших насекомых, летающие свиньи, поющие растения, говорящие фрукты и фотосинтезирующие муравьи. Всё, что может быть записано четырьмя буквами генетического кода, уже существует в этой библиотеке как возможность.

Подавляющее большинство этих последовательностей — «ложные» геномы, маскирующиеся под законные чертежи жизни. У них отсутствует необходимая организационная структура, делающая организм жизнеспособным. Островки, кодирующие реальные виды, разбросаны по бесконечным океанам биологической бессмыслицы как редкие математические исключения. Чтобы найти правдоподобное существо, последовательность, которая «вычисляет» живой организм, пришлось бы пересечь огромные пространства, населённые фрагментарными, искажёнными останками невозможных созданий.

Первые картографы генома

Природа создала машину, способную исследовать крошечный уголок Библиотеки Фреда. Это эволюция путём естественного отбора. Она позволяет жизни прорываться на внешние окраины библиотеки, медленно продвигаясь от одного жизнеспособного чертежа к соседнему. Но эволюция слепа. У неё нет карты. Она не знает, куда направляется.

Задолго до появления современной генетики люди интуитивно поняли, как заглянуть в будущее жизни. Неолитические земледельцы разработали методы селекции — первый генетический аппарат времени, способный исследовать близлежащие территории генетического пространства. Одно из величайших достижений селекции произошло около десяти тысяч лет назад в Мексике, где дикая трава теосинте была постепенно превращена в кукурузу — один из основных продуктов питания человечества.

Селекция, однако, оставалась несовершенной машиной времени. Она могла исследовать только соседние генетические территории, продвигаясь вперёд мелкими шагами. И она двигалась без карты, без представления о направлении.

Квантовый скачок: создание мутаций

В 1927 году генетик Герман Джозеф Мюллер облучил плодовых мушек рентгеновскими лучами, повысив частоту их мутаций в сто раз. В отличие от селекции, которая лишь смещала частоты естественных мутаций, Мюллер смог вводить искусственные мутации непосредственно в геномы видов. И, что ещё важнее, мутации оказались наследуемыми — они навсегда закреплялись в генетическом коде. В 1946 году Мюллер получил Нобелевскую премию.

Но его метод всё ещё был ограничен исходным материалом. Настоящий прорыв произошёл в 1955 году, когда биохимик Александр Тодд и его коллега А.М. Микельсон впервые химически синтезировали крошечный фрагмент искусственной ДНК — всего два нуклеотида длиной. Он был крошечным, но они показали, что можно сконструировать ДНК заданной последовательности с нуля. И, самое главное, синтетический материал был неотличим от природной ДНК.

Жизнь больше не была привязана к уже существующему генетическому материалу. Тодд заложил основы науки синтетической геномики.

Библиотека ждёт своего Магеллана

Возможность синтезировать ДНК резко расширила доступ человека к Библиотеке Фреда. Но путешествие в её бесконечные ландшафты требует не только молекулярной машины времени. Оно требует карты. Без знания географии библиотеки шансы достичь осмысленного пункта назначения в её математических просторах ничтожно малы.

То, что нужно сейчас, — путеводитель, который сможет идентифицировать потенциальные пункты назначения и выделить регионы особого интереса.

В 1524 году венецианский исследователь Антонио Пигафетта опубликовал хронику своего трёхлетнего кругосветного плавания в составе испанской экспедиции Фердинанда Магеллана. Из 89 человек, отправившихся в путь, вернулись только 56. Подробные карты и наблюдения Пигафетты нанесли на карту ранее не зафиксированные регионы — огромные пространства Тихого океана и узкие проливы, которые позже будут названы именем Магеллана.

Библиотека Фреда всё ещё ждёт своего Магеллана — терпеливого и дотошного картографа, который начнёт титаническую работу по нанесению контуров её ландшафтов.

Но в отличие от конечной географии Земли, ландшафты последовательностей ДНК в Библиотеке Фреда бесконечны. Инструменты, необходимые для этой картографической задачи, — не секстанты, хронометры и компасы, а искусственный интеллект, огромные биологические наборы данных и возможность синтезировать синтетические последовательности ДНК в большом масштабе. Вместе эти инструменты позволят в конечном счёте нанести на карту пространство последовательностей ДНК. Современный Пигафетта, совершающий кругосветное плавание по Библиотеке Фреда, отправится в путь не на корабле, а за штурвалом цифрового компьютера, управляемого искусственным интеллектом.

Каждая последовательность генома в этом бескрайнем пространстве является, буквально, кусочком информационной недвижимости. Пунктом назначения, который можно посетить и природу которого можно определить, физически не отправляясь туда. Если человечество научится не только читать, но и уверенно ориентироваться в Библиотеке Фреда, что будет выбрано первыми исследователями — создание новых лекарств, воскрешение вымерших видов или создание существ, которые никогда не существовали в природе? И как изменятся представления о естественном и искусственном, когда грань между «найденным» в библиотеке и «сконструированным» окончательно исчезнет?