Максим Никитин
Не часто так
случается, когда человеку из мира науки удается на какое-то время потеснить в
новостной повестке героев светской хроники. Тем не менее, доктору физико-математических
наук Максиму Никитину это удалось. На протяжении последней недели о его
открытии рассказали все уважающие себя СМИ страны - от телеканалов, до
Telegram-каналов. Звездный час для заведующего лабораторией нанобиотехнологий
МФТИ и руководителя направления «Нанобиомедицина» университета «Сириус» настал
после выхода его статьи в авторитетном научном журнале Nature Chemistry.
ПОЧЕМУ ЧЕЛОВЕК
СТАРЕЕТ И БОЛЕЕТ?
Эта публикация
произвела сильный эффект в научном сообществе. Некоторые авторитетные
специалисты объясняют: это фундаментальное открытие, оно дает основу для нового
понимания законов эволюции, появления жизни на Земле и возникновения разума.
Другие пишут, что исследование нашего ученого вещь сугубо прикладная: это ключ
к созданию нового поколения лекарств, ответ на вопрос почему стареет человек и возникают
болезни. Третьи убеждены, что речь идет о прорыве в области создания
ДНК-компьютеров (см. СПРАВКА «КП»).
Иными словами,
обсуждение напоминает известную притчу о том, как слепые мудрецы исследовали
слона. Одному дали ощупать хвост, и он сказал, что объект похож на веревку.
Второй потрогал ухо и заявил, что слон плоский, как блин. Третьему достался
хобот, и он уверял, что слон это разновидность змеи… Так что же на самом деле
открыл Максим Никитин? Об этом мы решили спросить его самого.
- Все верно: и
первое толкование, и второе, и третье, - объясняет Максим Петрович. - Если
говорить о практическом применении, то механизм обработки и хранения информации
в ДНК, который я открыл, может объяснить побочные эффекты у геннотерапевтических
препаратов. Это, первое что лежит на поверхности. Возможно, это даст понимание
каких-то онкологических процессов - по большинству видов рака мы не знаем
почему он происходит, несмотря на длительные исследования. А есть шанс, что
ключ к разгадке как раз в открытом явлении, может быть рак — это результат
ошибки в общении слабовзаимодействующих друг с другом молекул. И тогда эту
ошибку можно попробовать исправить. Есть гипотеза, что открытый быстрый
механизм передачи информации лежит в основе работы нейронов мозга. В частности,
его может использовать наша мгновенная или кратковременная память. Возможно, он
также связан со старением. Наконец, изучая открытое явление, мы можем сделать
колоссальный шаг в развитии искусственного интеллекта - если окажется, что
природа построила мозг на этом механизме, то надо изменить под него алгоритмы
работы нейросетей. Ну, и ДНК-компьютер - я всегда для широкой публики начинаю
рассказывать про свое открытие с этой истории. Потому что ее проще всего понять.
РЕШИТЬ
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ УРАВНЕНИЕ СПОСОБНЫ 6 МОЛЕКУЛ
- Большинство обывателей услышав “ДНК-компьютер”
подумают: “Отлично! Значит, графика для Playstation будет лучше”. А на самом
деле на какой класс задач это рассчитано?
-Тут есть простор
для фантазии. В 1994 году Леонард Адлеман впервые использовал ДНК для того,
чтобы что-то посчитать. Он решил “задачу коммивояжера” - то есть поиск
оптимального маршрута, через множество заданных точек. Это стандартная задача,
которую изучают в 7-м классе математических спецшкол. Но фишка в том, что уже
тогда ДНК-вычисления оказались на несколько порядков производительнее, чем
вполне себе продвинутое компьютерное железо - спустя год появилась уже легендарная
операционная система Windows 95. С тех пор появилось несколько систем
ДНК-компьютеров, их можно пересчитать на пальцах одной руки. Но на данный
момент, явление, которое я описал, пожалуй, дает наиболее масштабные и мощные
возможности для обработки информации и создания наиболее мощного
ДНК-компьютера.
- Как мы это можем проверить?
- Например, в
прежних ДНК-компьютерах для того, чтобы вычислить двоичный квадратный корень из
небольшого числа требовалось 130 молекул ДНК, а у меня это делают 9 молекул.
Более того, в статье я впервые продемонстрировал систему, в которой молекулы
решали уравнение Y = sinX, причем у меня эту задачу решают всего 6 молекул. В
ДНК-компьютерах есть одна проблема, которая сдерживает их развитие - мы пока не
понимаем, как этот эффект масштабировать. Если бы мы придумали, как дальше
усложнять систему - грубо говоря, организовать передачу от пробирки к пробирке
- мы бы воспроизвели мозг.
ВСЕ СОДЕРЖИМОЕ
ЛЕНИНСКОЙ БИБЛИОТЕКИ МОЖНО ПОМЕСТИТЬ НАПРЯМУЮ В ГОЛОВУ
- Зачем заново создавать мозг, если компьютер работает
лучше?
- Ну это как
посмотреть, конечно. «Лучше» с какой точки зрения? Тут два соображения:
во-первых, мне кажется, что в таких рассуждениях обычно сравнивают коллективный
компьютерный мозг с разумом одного человека. А надо именно с коллективным
разумом человечества сравнивать. У меня есть большие сомнения на счет того, что
единый компьютерный мозг сможет сделать лучший продукт, чем именно коллективный
разум человеческой цивилизации. Нейросети научились генерировать очень красивые
картинки, которые выглядят лучше, чем наброски великих художников. Но Да Винчи,
Ренуар, Рембрант в своих лучших произведениях сумели достичь такой
нечеловеческой художественной силы и выразительности, которую вряд ли сможет
посчитать большой сетевой компьютер. Во-вторых, наш мозг обладает невероятно
высокой энергоэффективностью - и я не уверен, хватит ли вырабатываемой нами
энергии, чтобы компьютеры смогли обработать столько же информации, сколько
может коллективный разум человечества? Пока электрические машины и близко не
сравняться с людьми по энергоэффективности.
- А ДНК-компьютеры?
— Вот здесь есть
шансы, что биологические компьютеры будут быстрее, эффективнее и лучше. Уже
сейчас есть понимание, что ДНК будет самым крутым долгосрочным хранилищем
информации. Все, что было создано до этого - магнитные и оптические носители -
очень сильно уступают ДНК. Потому что в какой-нибудь кристалл можно упаковать
вообще все собрание сочинений человеческой цивилизации, которое может тысячелетиями
хранится без потерь.
- Как потом все это прочитать?
- А вот это
интересный вопрос. Есть длинный путь: ДНК можно запихать в секвенатор (устройство
для расшифровки ДНК) он переведет последовательность нуклеотидов в
электрические сигналы, они в виде букв отобразятся на мониторе. Человек может
прочитать информацию и осознать ее. В общем, долгий муторный путь. А что если
его сократить – грубо говоря, напрямую из ДНК через нейроны загрузить в ваш
мозг все содержимое Ленинской библиотеки. Зачем нам лишние посредники в виде
монитора? Вот для этих вещей ДНК-компьютер может быть очень полезен.
ПРО НОБЕЛЕВСКУЮ ПРЕМИЮ И ВЫСШИЙ ПОРЯДОК
- Помогите там оценить масштаб открытия: если попадете
в шорт-лист Нобелевской премии - сильно удивитесь?
- Сейчас я бы эту
тему не обсуждал. Знаете почему? Я дал ключи, которые открывают входную дверь в
какое-то большое здание. Но что там внутри - мы пока еще плохо себе представляем.
Сколько там этажей? Как расположены комнаты? Что находится в главном зале? Вот
когда мы поймем, как это здание можно использовать в практических целях - тогда
можно о чем-то говорить.
Но в то же время я
считаю, что эта работа достаточно серьезное событие в науке: это не какой-то
искусственный механизм обработки информации, который я придумал, сконструировав
какие-то необычные молекулы, которые не встречаются в природе. Нет, это
абсолютно базовый и фундаментальный механизм, который бесспорно существует и в
котором участвуют все молекулы. Но пока непонятно, использует ли этот механизм
природа в каких-то процессах или жизнь существует вопреки этому механизму. Это
очень интересно и потенциально может повлечь за собой много интереснейших
открытий.
- Вы заглянули туда, где пересекается биология и
математика. Где-то в этой области формируются принципы создания жизни и разума.
В этой системе осталось место для Бога? Или там одна сплошная наука?
- Я склонен
разделять на этот вопрос взгляды, которые в свое время высказывал Эйнштейн.
Существует какой-то высший порядок, но описать его словами невозможно.
“Я не атеист. Эта проблема слишком сложна для нашего
ограниченного ума. Мы находимся в положении ребенка, зашедшего в огромную
библиотеку, заполненную книгами на разных языках. Ребенок знает, что кто-то
должен был эти книги написать. Но он не знает, кто это мог сделать. Он не
понимает языков, на которых они написаны. Ребенок смутно подозревает, что в
расстановке книг есть некий таинственный порядок, но не знает какой. Таково,
мне кажется, отношение к Богу любого разумного человека. Мы видим, что
Вселенная изумительно организована и подчиняется определенным законам, но мы
лишь смутно понимает, что это за законы.”
Альберт Эйнштейн.
- То есть что-то есть там, наверху?
- Когда Анну
Ахматову спросили: “Легко ли писать стихи?” Она ответила: если кто-то наверху
диктует, то легко. А когда не диктует, то просто невозможно. То есть идеи откуда-то
приходят в голову — это совершенно точно.
- Вы чувствовали, что вам кто-то диктует оттуда?
- Конечно. Поэтому
все 9 лет, которые я делал эту работу, я жил в непрерывном напряжении и
стрессе. И каждый момент, когда мне хотелось отдохнуть, погулять, потусить с
друзьями я говорил себе: хватит, пора бежать и делать свою работу.
- Почему?
- Потому что в
свое время мне один выдающийся ученый сказал: если тебя осенила классная мысль,
то одновременно она пришла в голову еще пяти людям на планете. Поэтому вопрос -
кто придет к финишу первым. Наука сегодня устроена, как гигантская марафонская
гонка. Если ты не первый, то ты никто. Поэтому у меня эти девять лет
практически не было выходных. А когда все закончилось, и статья вышла, я
вздохнул с невероятным облегчением.
ВРЕМЯ УЧЕНЫХ-ОДИНОЧЕК ПРОШЛО?
- Вы единственный автор у этого исследования. А ведь
всем известно, что время ученых-одиночек прошло. И что любое концептуальное
открытие под силу только целым институтам или огромным коллективам…
- Есть проекты,
которые действительно под силу только большим коллективам. Например, такой
задачей была расшифровка генома человека, над ней работали много лет
грандиозное число ученых со всего мира. Но в то же время красивые неожиданные
идеи вряд ли когда-нибудь приходят в голову всему институту. Идея рождается в
какой-то отдельно взятой человеческой голове. В свое время я был невероятно
рад, когда Нобелевскую премию за графен дали Гейму и Новоселову. Потому что
сложно представить сколько людей пыталось выделить графен и выбивали под эту
задачу огромные бюджеты и дорогостоящее оборудование. А Гейму и Новоселову, для
этого понадобились гениальная идея и кусок скотча (и, безусловно, много работы).
Это было настолько красиво, что не могло не восхищать. Мне тоже хотелось показать,
что интересные и в то же время простые идеи в биологии еще не разобраны. Я
часто это говорю студентам, которые жалуются на отсутствие каких-то супер современных
приборов – красивую науку может сделать и студент и аспирант фактически в
одиночку, если придумает красивую идею. Примерно 90 процентов работы
заключалась в продумывании работы в голове и программировании дома на домашнем
компьютере на выходных. Всю экспериментальную работу можно было бы провести
очень качественно и абсолютно доказательно с помощью одной лазерной указки,
светофильтра и камеры смартфона. Любой школьник это оборудование может собрать
за 500 долларов. Но вряд ли это умаляет мое исследование. В науке по-прежнему
главное — это идея. А все остальное приложится.
ЗРИ В КОРЕНЬ
В чем суть открытия?
Тема исследования
для стороннего человека очень сложная, поэтому постараемся объяснить суть с
помощью метафор и аналогий.
Никитин одним
выстрелом убил двух зайцев. А теперь следите за руками.
1. Открыт принципиально новый механизм хранения и
обработки информации ДНК.
О чем это:
В 1953 году была
открыта двойная спираль ДНК, которую многие из нас видели на картинках в
школьных учебниках биологии. Теория ДНК очень хорошо объясняла, как передается
наследственная информации от родителей к детям: если расплести ДНК на две нити,
то каждая из них в отдельности обладает свойством достраивать себя до двойной
спирали. В итоге организм копирует сам себя. Эта теория была настолько красива,
что 70 лет ученые считали, что все самое важное в переносе генетической
информации происходит внутри этих тесно сплетенных нитей ДНК. При этом вокруг в
молекулярном бульоне плавали еще какие-то субстанции, но ученые не понимали,
что с ними делать и решили, что это “лишние детали конструктора”, которые
остались у природы от ее прошлых экспериментов.
Известный биолог
Анча Баранова предложила объяснение работы Никитина на основе метафоры
автобуса. Выше я говорил, что ученых интересовали только сильные связи внутри
ДНК, но это все равно, что смотреть на автобус, который в час пик развозит
пассажиров по маршруту, и делать вывод, что все пассажиры большие друзья, потому
что они проводят много времени тесно прижавшись друг к другу плечом к плечу.
Некоторые и в самом деле могут быть друзьями - например, группа рабочих,
которые едут до конечной на свой завод. А на самом деле основная жизнь большинства
пассажиров проходит за пределами автобуса (то есть вне нитей ДНК). Именно там -
в “городе” у них есть друзья, дети, жены, любовницы (те самые “лишние детали
конструктора”). Они видят их не так часто - в лучшем случае только утром и вечером
(а может быть, они не видятся, но поддерживают связь в мессенджере). Но это
общение для них самое важное в жизни. И вот Максим Никитин предложил, а давайте
изучать не только тех, кто едет в автобусе (хотя это действительно очень важно)
но и выясним отношения пассажиров с теми, кто живет в городе. Тогда мы гораздо
лучше поймем, как устроена биологическая жизнь клеток. И тогда, возможно, мы
проясним, как работает механизм старания, возникновения болезней, в том числе
рака. Поймем, как живое возникло из неживого, разгадаем неразрешенные загадки эволюции
и т.д.
2. Продемонстрирована возможность создания
биологического ДНК-компьютера, который использует вычислительную силу молекул.
О чем это:
Выяснилось, что в
“городе”, который мы описывали выше, отношения между “жителями” (то есть
молекулами) строятся совсем на ином принципе, нежели жизнь в настоящих городах.
У нас реализован иерархический принцип управления: к примеру, чтобы разрулить
пробку, на оживленном перекрестке появляется полицейский, который взмахами
полосатой палки указывает, кому куда ехать. А этого полицейского в свою очередь
направил на перекресток начальник. А тому дал соответствующее указание
вышестоящий руководитель. Между молекулами действуют совершенно другие
отношения, когда, грубо говоря, все управляют всеми. И это сложное взаимодействие
можно описать нелинейными уравнениями. Молекулы такие сложные вычисления очень
успешно решают. А значит, эту вычислительную силу можно использовать для
создания биологического компьютера.
СПРАВКА «КП»
КАК РАБОТАЕТ
БИОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЬЮТЕР
При слове “биологический
компьютер” большинство людей впадает в ступор, потому что в нашем представлении
биологические существа обладают свободой воли. Мы руководствуемся категориями
“хочу – не хочу”, “нравится – не нравится”, “делаю – не делаю”. Например,
собака может дать себя погладить, если вы ей нравитесь. А может укусить. Как на
этой основе можно что-то вычислять? Но оказалось, что на уровне молекул и
клеток никакой свободы воли не существует – они делают только то, на что
запрограммированы. И в качестве вычислительных элементов используются белки,
ферменты или молекулы ДНК, которые реагируют друг с другом, руководствуясь
совершенно железной компьютерной логикой. В ДНК-компьютере, который Максим
Никитин построил на основе открытого явления, химические реакции происходят
сразу между множеством молекул независимо друг от друга и это обеспечивает
высокую скорость и эффективность вычислений.