はじめに
Habrのすべてのユーザーは、マイクロエレクトロニクスの分野における人類の成功に精通していると思います。大半は宇宙探査であり、かなりの部分は物理学です。 しかし、コンピュータの普及と同様に、今後数十年で私たちの生活を変える生物学の革命があることを誰も知らない。 さらに、この革命は強力なコンピューティングシステムの構築の成功に直接関係しています。 しかし、誰もがGMOに関するメディアのヒステリー、バイアル上の「組換え」という言葉をインターフェロンまたはインスリンと比較し、特定の23andmeについてのうわさ（ロシアでは）のうわさを比較できるわけではありません。 実際、これらの現象はすべて1つのスレッドで接続されています。 そして、このスレッドを解き明かすことは、最初から優れています。
メンデルと遺伝子
おそらく、当時（19世紀）の未知の修道僧メンデルの研究から始める価値があります（これは現在、すべての学校で話題になっています）。 彼はエンドウ植物による花の色の継承に奇妙なパターンがあることに気付きました。 この効果を説明するために、彼は一連の外的文字（表現型）に現れる遺伝情報の単位として遺伝子の概念を導入しました。 すべての遺伝子はペア（対立遺伝子）で継承されます。 ペアには、特定の形質の2つの異なるバリエーションをコードする遺伝子が含まれる場合があります。 特定のバリエーションが実現するかどうかは、遺伝子自体の特性によって決まります。 この理論は、観察された継承の特徴を非常によく説明しています。 そのような相続の法則を正確に決定する物理的メカニズムを発見することは誰にとっても驚くことではありませんでした。
DNA
次のマイルストーンは、ジェームズ・ワトソンとフランシス・クリックによる1953年のDNA構造の発見です。 いいえ、もちろん、そしてそれらの前に、細胞核に集中してクロマチンを形成する特定の物質の存在（特別な染色の後に光学顕微鏡で目に見えるもつれたフィラメント）、および細胞分裂中の染色体（多くの顕著な紡錘形構造がはるかに優れている）について知られていました。 しかし、それがどのような物質であり、その構造がどのようなものであるかを示したのはワトソンとクリックでした。 DNA-有機ポリマー-多数のかなり単純な「レンガ」で構成される物質。 DNAの場合、これらは通常チミン、アデニン、グアニン、シトシンのヌクレオチドであり、通常それぞれT、A、G、Cの文字でエンコードされています。 セル内のDNAは二重らせんであり（ 図を参照）、相補的なヌクレオチドの2本の鎖で構成されています：実際には、ヌクレオチドはペア（TA、GC）のペアを形成しています。 相補性の性質により、溶液中に浮遊する単一のDNA鎖が「ペア」を見つけて結合します。 RNAはDNAと非常によく似ていますが、二重鎖を形成しないため、安定性は劣りますが、より可動性が高く化学的に活性です。タンパク質はアミノ酸のポリマーです。 通常、それらはRNAマトリックス上に構築され、RNAマトリックスはDNA上に構築されます。
遺伝子工学
DNA構造の発見後、さらなる発見は間もなく起こりました。 「遺伝子工学者のセット」が徐々に形成されました-タンパク質は主にバクテリアやウイルスに見られ、さまざまなDNA操作を可能にします：
- 正確に定義された場所でDNAを切断する制限酵素。
- リガーゼ、DNAを「接着」する。
- 情報をDNAからRNAに、またはその逆に翻訳できるようにする転写酵素。
- および他の多くのタンパク質。
- インスリンとインターフェロン。 以前は、これらのタンパク質を取得するには、大量の豚の内臓を使用する必要がありました。 現在、バクテリアはグルコース溶液のような最も単純な成分から文字通りそれらを生産します。
- グリホサート（別名総まとめ）。 他の除草剤と比較して、グリホサートは動物には実質的に無害です（大人の致死量は数百グラムで測定されます）が、人工的に遺伝子組み換えされたものを除くすべての植物に致死的です-つまり、栽培作物の成長を妨げることなく、雑草の問題を完全に解決します。 実際、「遺伝子組み換え大豆」とは、ほとんどの場合、切り上げに抵抗するように改変された大豆を意味します。 これに照らして、GMOの反対者は特に面白いように見えます。実際、人々にとって本当に危険な除草剤の使用を求めています-代替手段はありません。除草剤なしで65億すべてを餌にすることはできません。
バイオインフォマティクス
生物学的ツールの改善は、新たな問題をもたらしました。生細胞で行われるプロセスの超越的な複雑さと、誰も手動で分析できない膨大な量の情報が明らかになりました。 しかし、この頃には、コンピューターはすでに普及しており、複雑さの制御の問題に対する明白な答えとなりました。 それで、バイオインフォマティクスが生まれました。これは、人類がこれまでに知っていたものよりも、内部の依存性と非自明なパターンに絡み合った大量のデータに対処するために設計された科学です。 それが解決する問題は非常に新しく、複雑で、人類に関連しています。そして今、世界で最も強力なアルゴリズム学者の心を引きつけているのはこの知識の領域です。 それらのほとんどすべては、セルで発生するプロセスの直接モデリングに必要な計算能力から、利用可能な計算能力の数桁の遅れによって生成されます。 ますます強力なスーパーコンピューターを構築することに関する大量のニュースは、コンピューティングパワーに問題がなく、現代のITの最も難しいタスクは数百万人のフォールトトレラントチャットルームを構築することであるという印象を与えるかもしれません-そして、これはそうではありません:) ？
- シーケンスのアセンブリ。 タンパク質またはDNAを構成するヌクレオチドまたはアミノ酸のシーケンスを構築することにより、その構成部分に「解析」する機会があります（このプロセスはシーケンシングと呼ばれます）。 残念ながら、技術的な制限により、「一度に」分解できる最大セクションのサイズは、ヒトゲノムのサイズ全体の何百倍も小さくなりますが、セグメントの両端は正確に固定されておらず、セグメント自体を複製できます。 これにより、小さなセクションからゲノムを組み立てる必要が生じ、ヒューリスティックの助けを借りて、これらのセクションの「テール」がどのように正確に重なり、どの順序で配置されるかを推測しようとします。 タスクの計算の複雑さをよりよく理解するには、文字列として記述された完全なヒトゲノムが約3 GBかかり、セクションの全長が最終シーケンスの長さを数十倍も超える可能性があることを明確にする必要があります。
- シーケンスの比較と比較。 20年前、2つのシーケンスを並置することでさえ問題になる可能性がありました。 現在、コンピューターの能力が向上し、アルゴリズムが開発されたおかげで、これは困難な作業ではなくなりました。 それにもかかわらず、複数の配列比較の問題は非常に緊急になっています。 たとえば、メタゲノミクスは比較のために特に高い要件を提示します。バクテリアを分類する方法（多くの種は顕微鏡下では区別できません）、バクテリアの塊からDNAの短いセクションから混合物を分離し、それらをシーケンスし、既知の細菌ゲノムを持つさまざまな細菌のランダムDNAフラグメント。
- 折りたたみ。 タンパク質の機能性（人類に知られている最高の触媒であり、ほとんどすべての反応を実行できる）は、その3次元構造によって決まります。 三次元構造は、タンパク質のアミノ酸の配列と、合成後に細胞がタンパク質に対して実行するいくつかのアクションによって決定されます。 当然のことながら、目的の特性を持つタンパク質を構築するには、アミノ酸の線形配列から三次元構造を予測できることが基本的に重要です。 分子動力学法（分子を構成する原子の直接モデリング）は、タンパク質に特徴的な原子数（数万）を渡します。 タンパク質の構造の複雑さの例は、例えば、いわゆる タンパク質の自己スプライシング、独自の構造のためにすでに合成されたタンパク質がその配列の一部を切り取り、切開部を「接着」して、2つの異なるタンパク質を形成する場合。
- ドッキング。 明らかに、多くのタンパク質があり、それらは互いに相互作用します。 ドッキングは、タンパク質の相互作用およびより単純な分子との相互作用のプロセスです。 この相互作用の計算には、積分部分としての折りたたみが含まれますが、それに限定されません。
生物学はどのピークに私たちを導きますか？
導入部ですでに述べたように、今後数十年間の私たちの生活は変わることはできません。 私たちは、この知識が不毛のままでいるには生き方について多くを学びました。 そのため、たとえば、昨年、月面着陸に匹敵するイベントが発生しましたが、あまり注目されていませんでした-最初の人工生物の作成。 ちょっと世界の宗派！ 私たち人間は生命を創造しました！ このために、神は必要ありません！ 次は？
- がんとエイズの薬。 検査室と市場での薬の出現までに、約5〜10年のテストと認証が合格することを理解する必要があります。 現在、研究所には、1回の注射で特定のタイプの癌を治療できる薬があります（ 出版物 ）。 化学療法、脱毛、放射線、手術、体重減少はありません。 唯一の注入。 少なくとも10年前に期待できますか？
- 真のバイオテクノロジー。 除草剤と農薬を必要としない植物。 ツンドラで熟すバナナ; アスファルトの強度と競合できる草。 これはすべて可能であり、目の前で現実になります。
- 実際の遺伝子診断。 既に、スタートアップ（セルゲイブリンの妻の会社をスタートアップと呼ぶことは可能ですが）23andme.comは、200ドルで何十もの遺伝性疾患と素因（50年前に「撃つ」ことができる）を診断します。 そして、これはほんの始まりに過ぎません。
- 老化を遅らせる。 新しい知識を武器に、多くの科学者が老化プロセスの研究に取り組んでいます。 過去10-20年の生物学の爆発的な成長を考えると、私たちの多くは次の100年で死なない可能性が高いです:)
おわりに
現代の生物学へのこの短い遠足が興味深かったと思います。 誰かが何かに興味を持っているなら、興味のあるトピックの続きを書くことを試みることができます。結論として、私は小さな道徳を作ることができます：人がどのように機能し、あらゆる種類の「固定されていないエネルギー」について話していると主張するCharlatansを信じないでください、魂」など。 現代の生物学は、生活に完全に暗い場所をほとんど残しておらず、物理学にとって未知の物質が何らかの効果を説明するために必要とされる可能性は、ごくわずかです。 生き物は非常に難しいですが、この複雑さは基礎が単純であり、高価な試薬や機器なしで誰でもin vitroで繰り返すことができる反応に依存しています。また、 vyahhiとSPbAUの素晴らしいバイオインフォマティクスコースを可能にしたすべての人々に感謝します。 あなたはとてもクールです。