ДНК-транзистор, культура инноваций и Сколково

I-Russia:   Как Вы попали в IBM? Как складывалась ваша карьера?

Станислав Полонский: В 1991 году я был аспирантом на физфаке МГУ, и в это время мой профессор, Константин Константинович Лихарев, уезжает в США и берёт с собой всю лабораторию. Мне как раз нужно было защищаться, и я попросился с ним, он меня взял. Мы перебрались в Университет штата Нью-Йорк, кампус в Стони Брук, что на Лонг-Айленде. Какое-то время я поработал со своим профессором, через год защитил в Москве диссертацию, потом поработал постдоком (работа после защиты кандидатской диссертации до получения приглашения на постоянную работу - прим. ред. ).  Я занимался криоэлектроникой. Мы занимались тем, что называется БОК (Быстрая ОдноКвантовая логика) - это ещё не совсем квантовый компьютер, мы занимались макроскопическими квантовыми эффектами. Там я понял, чем отличается фундаментальная наука от прикладной, - в момент, когда ты хочешь предлагать своё изобретение, нужно задать вопрос, а кто это купит, а есть ли у тебя конкуренты. И оказалось, что у нас есть конкурент -  технология КМОП, на которой сделаны все современные процессоры.

Оказалось, что КМОП настолько быстро развивается, что все наши суперкрасивые вещи не пошли в производство. К этому моменту я уже вкусил того, что называется прикладная наука, когда ты хочешь внедрять свои разработки.

Нужно сказать, что IBM тоже занималась сверхпроводниковой электроникой, она первой построила сверхпроводниковый компьютер. Это была большая программа в 1980-е годы, в которой было задействовано 40 учёных.  Меня там знали, и я легко перебрался в IBM Research, сначала на более традиционные вещи - в течение пяти лет я занимался проектом PICA (Picosecond Imaging Circuit Analysis), он пошёл в производство. На моё счастье моими соседями по офису были вычислительные биологи.  Там был удивительный человек, Густаво Столовицкий (Gustavo A. Stolovitzky), из Аргентины. Слово за слово, и родилась идея ДНК-транзистора. Старший управляющий Отдела вычислительной биологии IBM Research Аджай Руйору (Ajay Royyuru), он из Индии, предложил оплатить ставку постдока по этой теме. Им стал Hongo Peng из Китая, который стал заниматься производственными вопросами, связанными с этой технологией. Так проект начал развиваться.

Прошли те времена, когда IBM Research была только корпоративной исследовательской организацией, нам нужно всё больше и больше внешних партнёров - государство, другие компании и т. д. Мы начинали с того, что получили грант NIH (Национальный институт здоровья, объединяет американские медицинские исследовательские институты).  Потом наше руководство вышло на швейцарскую фармацевтическую компанию "Рош", и она этим заинтересовалась. Сейчас ДНК-транзистор - большой проект, и в нём уже задействовано много людей, он приобрёл структурированный вид.

Отмечу, что в научно-исследовательском центре Watson есть весьма ценная вещь - Лаборатория исследований по наноэлектронике (NRL - Nanoelectronics Research Labecytr). Наш проект оказался подходящим для них. Взаимодействие  с NRL для нас ключевое, потому что мы можем с их помощью изготавливать приборы, которые предлагаем.

I-Russia:  В IBM говорят о разработках «наносеквенсера ДНК», или чипа, похожего на процессоры в компьютерах, но специализированного под одну задачу - работу с данным о человеческой ДНК. ДНК-транзистор, над которым Вы работаете, составная часть такого процессора. Поясните, пожалуйста, как он работает.

С. Полонский:  Реально, это нанопозиционер, или, если угодно, линейный мотор, где сердечником выступает одна молекула. Мы протаскиваем ДНК через нанопору - отверстие диаметром 3 нанометра.

I-Russia:  При этом возникает несколько проблем. Как её развернуть? Вы умеете это делать?

С. Полонский:  Мы не умеем - она сама разворачивается, когда вы прикладываете разность потенциалов. ДНК - это кислота, она будет перемещаться электрофоретически в сторону плюса. Она находит нанопору и пролезает через неё.

I-Russia:  Второй момент связан с длиной ДНК - это 4 млрд нуклеотидов, возникает проблема времени считывания.

С. Полонский:  Поскольку мы имеем дело с электроникой, то процесс можно сильно распараллелить.

I-Russia:  При этом у вас есть уверенность, что результаты такого параллельного считывания будут идентичны?

С. Полонский: Уверенность есть в том, что они все разные.  Геном у нас единый, но реально есть эпигенетика, метиляция, в разных тканях геномы разные, это функция времени - метиляция генома в клетках меняется.

I-Russia:  За какой срок Вы надеетесь получить полную расшифровку ДНК человека?

С. Полонский:  Уже сейчас это делается меньше чем за неделю. Второе поколение секвенирования позволяет это сделать, причём с перекрытием в пять и более раз, чтобы не было неоднозначностей.  Но сейчас все существующие методы секвенирования используют дорогие химические реагенты, вам нужно готовить образцы, нужна хорошая оптика - ПЗС-камера, это всё вещи дорогие, которые не масштабируются. Сама установка занимает целый стол. Цены при использовании этих методов снижаются, но до известного порога. (Сейчас эта процедура стоит от 5 до 15 тыс. долл. -  прим. ред. )

Мы же можем, по крайней мере, теоретически, захватить одиночную молекулу ДНК, у нас есть достаточно времени, чтобы без химии, с помощью электроники прочитать  последовательность нуклеотидов. И этот метод будет намного дешевле, чем предлагаемые сейчас. В итоге всё должно свестись к микрочипу: капля слюны или крови - и чип работает. Это может быть одноразовое устройство.

Если всё суммировать, то тот успех, которого достигла микроэлектроника в компьютерной области, мы хотим перенести в область секвенирования ДНК.

I-Russia: Но ведь есть же еще и биочипы, которые позволяют определить часть ДНК. Эта технология ведь тоже будет развиваться?

С. Полонский: Будет, но это генотипирование - совсем другая технология.  Но чтобы генотипорование развивалось, вы должны знать, что генотипировать. Что такое биочип (ДНК-матрица)? У вас есть чип, в котором 10 или 100 тыс. ячеек, в каждой из которых сидит определённый маркер, и вы генотипируете на этой матрице. Но чтобы создать эту матрицу, вы должны заранее знать, что вы будете искать. В нашем случае что нашли, то нашли. Моё мнение, что потенциально это нужно.

I-Russia: Что делает суперкомпьютер в вашей разработке?

С. Полонский: На нём решаются задачи молекулярной динамики. Дело в том, что физика достигла больших результатов, работая с  моделями сплошных сред. Вы можете написать уравнение в частных производных и решать его. Но при этом подразумевается, что у вас есть непрерывная функция от одной, двух, трёх переменных, которые могут зависеть от времени. Всё хорошо, пока вы не дошли до очень маленьких размеров - тут всё ломается, и вам нужно применять молекулярную динамику, которая рассматривает не сплошную среду, а отдельные атомы. Известно, какие между ними связи (ковалентные, водородные и т.п.).  Как только вы помещаете молекулу ДНК в воду, то  вода у вас больше не характеризуется давлением, вязкостью и т.д., вода - это набор отдельных молекул. И каждую молекулу воды нужно моделировать. Получается набор из десятков и сотен тысяч атомов. Отсюда необходимость использования суперкомпьютеров, поэтому мы и моделируем на Blue Gene у себя в IBM Research.  Я знаю, что Blue Gene есть в МГУ, и мы только что обсуждали, что полно интересных задач, которые, при условии отсутствия проблем с патентами и прочих, можно решать совместно.

I-Russia: Кто ещё из наших соотечественников работает вIBM?

Здесь нужно быть аккуратным. Если говорить о компьютерах, то, возможно, вы знаете Юрия Власова из Physical Sciences. Он менеджер проекта по оптическим коммуникациям, это когда оптика идёт внутрь микропроцессора. Он парень из Питера, работавший сначала в NEC в Нью-Джерси, а потом он пришёл в IBM Research. Начинал он с фотонных кристаллов, а потом перешёл на более практические вещи, и сейчас у них есть достаточно прорывные идеи, чтобы заменить электрические соединения на оптические (чтобы не тратить время на преобразование оптических сигналов в электрические). Другой исследователь, Виктор Зюбан, закончивший МФТИ, один из ключевых разработчиков, курирующих проблемы энерговыделения в IBM’овских микропроцессорах - сейчас это основная проблема. Power7 и Power8.

I-Russia: Известно, что IBM лидирует по энергоэффективности суперкомпьютеров. А в связи с этим - со «Сколково» Вы в каких отношениях?

Олег Бяхов: Это вопрос скорее ко мне. Мы сейчас находимся в процессе поиска тех самых конкретных проектов, потому что для IBM вопрос не в том, чтобы просто дружить домами, а в том, чтобы найти конкретные проекты, в которых это сотрудничество будет развиваться, которые будут совпадать с приоритетами «Сколково», с возможностями и потребностями локальных партнёров и собственной стратегией технологического развития IBM. Это может быть проект, который потребует пятилетних исследований, но в итоге дать практический результат.

Мы хотели бы найти правильную модель работы с фондом «Сколково», понятно, что всё это делается ради того, чтобы культура инноваций, экосистема инноваций, которая работает внутри IBM, была постепенно перенесена в Россию. Для этого никакого другого пути нет, кроме как реального участия в проектах, включения в среду, которая приводит не просто к открытиям, но к открытиям практически применимым.  Поэтому мы хотим найти такую конфигурацию, которая привлекала бы локальные ресурсы, локальных исследователей, локальные университеты, а в дальнейшем из такого сотрудничества появился значимый и соответствующим образом оформленный и защищенный результат. В России же в результате такого сотрудничества возникнут навыки, уровень знания, образуются контакты, среда, которая позволит потом формулировать свои собственные задачи, возможно, интересные нам. И очень важно, чтобы люди говорили на одном языке, нашли себя, и пример таких людей, как Станислав, показал, что это может быть воспроизведено.

I-Russia: Вернувшись к ДНК-транзистору. Вы протаскиваете ДНК через нанопору и при этом сканируете её?

С. Полонский: Пока не сканируем, разумеется, со временем будем это делать. О том, что ДНК можно протащить через нанопору, мы знали давным-давно, потому что так работают вирусы. В клеточной мембране собирается из чужих белков нанопора и через неё в клетку проникает вирус. Это уже делали в начале 1990-х годов. Сейчас мы решаем проблему с тем, что ДНК проходит через нанопору слишком быстро. Нужно сначала локализовать ДНК с точностью до нуклеотида. Если она будет локализована, то дальше можно делать что угодно.

I-Russia:  Кроме достижения исследовательских целей, что может дать ваш проект? Как это может сказаться на медицине?

С. Полонский: У меня есть несколько ответов на этот вопрос. Уже сейчас есть компании, которые могут генотипировать вас и показать, какие у вас есть риски и чего следует опасаться. В более дальней перспективе, зная генотип, врач сможет прописывать более эффективные лекарства и т.д. На самом деле, это сложнейшие вопросы, которые будут решены через 10-15 лет, но ключом к ним является возможность дешево определять геном пациента. И не только его. Помимо генома есть эпигенетика, метилирование нашего генома.  Нам нужен также бизнес-драйвер, приложение,  чтобы данная технология развивалась, иначе вы будете просто учёным без денег. Мы так не работаем.

I-Russia:  Спасибо за беседу.

Словарь

Секвенирование биополимеров (белков и нуклеиновых кислот - ДНК и РНК) - определение их первичной аминокислотной или нуклеотидной последовательности (от англ.  sequence  - последовательность). В результате получается линейное символьное описание, которое сжато поясняет атомную структуру молекулы (Википедия).

Эпигенетика (« эпи » - в переводе с греческого « над ») - раздел современной биологии, предметом которого является изучение наследования в ряду клеточных поколений функциональной активности генов, не связанное с изменением первичной структуры входящей в их состав ДНК.

Метилирование ДНК - модификация молекулы ДНК без изменения самой нуклеотидной последовательности ДНК, что можно рассматривать как часть эпигенетической составляющей генома.