Максим, вы замахнулись на почти абсолют - двойную спираль ДНК. Она открыта в 50-х годах прошлого века, удостоена Нобелевской премии, признана одним из самых главных достижений за всю историю науки. Около семидесяти лет была иконой генетики. И вдруг у вас зародилось сомнение. Почему?
Максим Никитин: Тут такая история. Девять лет назад я защитил кандидатскую диссертацию. Занимался разработкой умных материалов для медицины. При этом еще со школы интересовался биологией и программированием, и мне всегда хотелось их соединить.
Но уже есть модная молодая наука биоинформатика.
Максим Никитин: Да. Но там уже столько всего сделано, работает так много людей. Поэтому понимал, что мне нереально сделать что-то значимое, не бросая основную работу. Я перебирал разные варианты, где можно применить мои знания в программировании и биологии. И неожиданно заметил одно свойство ДНК, на которое почему-то никто не обращал внимания. Точнее, может, и обращали, однако никак не использовали.
В чем суть? Здесь придется вспомнить ту самую двойную спираль ДНК. Как известно, ее длиннейшие цепочки молекул состоят всего из четырех нуклеотидов, обозначенных буквами А, Г, Т, Ц. Они соединены в самых разных последовательностях. Причем две нити ДНК из этих нуклеотидов сплетаются в двойную спираль по определенному правилу: напротив А одной цепи на другой цепи всегда стоит Т, напротив Г - всегда Ц. Такое строгое соответствие или, как говорят ученые, комплементарность, обеспечивает между ними очень прочные связи, за счет чего двойная спираль очень стабильна. Такая структура ДНК позволяет надежно хранить и обрабатывать генетическую информацию, кодирует в нас все - от склонности к заболеваниям до внешнего вида и даже черт характера.
Так на что новое в ДНК вы обратили внимание?
Максим Никитин: Я заинтересовался короткими ее цепочками, у которых мало общих букв. То есть они слабо комплементарны. Для образности представим "бульон", где плавают вот такие "лохмотья" ДНК. Как поведут две такие цепочки? Если хотя бы небольшое число букв совпадет, они могут слиться, но из-за слабых связей затем развалятся.
Вроде бы, здесь нечего изучать: в отличие от двойной спирали такие комплексы недолговечны и раньше казались бессмысленными. Но я понял, что ДНК имеет уникальную особенность - силу сцепления между короткими цепочками можно очень точно и легко настраивать. В зависимости от того, сколько пар комплементарны между цепями. Причем эту силу можно точно настроить не только попарно, но и между 1000 цепей ДНК.
Когда это понял, то первое, что пришло в голову: почему такое замечательное свойство ДНК никто не использует? Это был момент "эврики". Наверное, мало кому везло обнаружить столь простое, никем неиспользованное свойство молекул. Проанализировав, как себя будут вести такие 1000 молекул, я понял, что за счет математических особенностей законов, описывающих поведение подобных систем, можно хранить и передавать информацию.
На пальцах поясните, как передавать информацию без двойной спирали?
Максим Никитин: Попробую. Например, в "бульоне" появилась цепочка, назовем ее A, с какой-то интересной информацией. И есть какая-то цепочка Г, с которой А ну совсем никогда не должна общаться, они максимально некомплементарны друг другу. Вроде бы передать информацию никак нельзя. И тем не менее это возможно. Как? В "бульоне" может найтись цепочка Б, у которой есть небольшая схожесть с A: они могут слиться, "потусоваться", затем расцепиться. Так вот во время контакта цепей происходит передача информации. Точно такие же контакты в "бульоне" могут быть между другими короткими цепочками - Б поговорит с В, а В уже передаст информацию про знаменитую парочку цепи Г.
То есть двойная спираль - не единственный способ работы с генетической информацией?
Максим Никитин: Совершенно верно. Хранить ее, передавать и управлять работой генов можно не только за счет сильных, но и слабых молекулярных взаимодействий. Причем в статье я не просто показываю существование такого механизма в эксперименте, но и масштабность этого механизма. В частности, он позволяет регулировать работу гена с колоссальным разнообразием - 10[172].
Но как такое возможно? Двойная спираль работает с генетической информацией четко и строго, случайности, конечно, бывают, но это не система. А механизм, о котором вы рассказываете, позволяет огромному числу желающих "порулить" генами. Это вносит хаос в четкую работу двойной спирали. Фактически мешает природе.
Максим Никитин: Здесь надо подчеркнуть такой момент: чтобы доказать существование этого эффекта, я работал с разрушенной клеткой. А теперь, чтобы понять, мешает он природе или же она его активно использует в различных процессах, надо его найти в живой клетке. Но это требует совсем других масштабов исследований.
Что важно отметить? Открытый мной ранее неизвестный эффект я назвал молекулярной коммутацией. Он дополняет, но не рушит прежние представления о генетике. То есть все, что нам стало известно, благодаря великому открытию двойной спирали продолжает оставаться полезным. Новый же механизм - это дополнительные возможности ответить на загадки генетики, которые никак не получается решить, опираясь лишь на понимание о двойной спирали.
После публикации статьи и появления информации в СМИ ко мне обратилось множество людей. И молодые ученые, и уже известные. Биологи, физики, химики, математики. И каждый увидел в этом феномене свой интерес, придумывает, как его использовать или искать в своих исследованиях. Речь, в частности, идет о процессах старения, происхождении жизни, формировании памяти, создании принципиально новых лекарств, компьютеров на основе ДНК, новых методах лечения самых разных болезней, прежде всего генетических. Открываются огромные возможности.
Вы единственный автор статьи в престижнейшем научном журнале. А ведь сегодня наука делается большими командами, где часто работают ученые разных дисциплин, что и позволяет совершать прорывы. И вдруг одиночка выдает потрясающее открытие. Кстати, авторы знаменитой двойной спирали ДНК Уотсон и Крик работали в жестком сопернические с другими научными группами. И сумели их опередить. А у вас были конкуренты?
Максим Никитин: Все, о чем написано в моей статье, лежало у всех перед глазами с момента открытия двойной спирали. Почему никто семьдесят лет это не заметил, для меня истинная загадка. Но одновременно и очень воодушевляющий факт - сколько еще интересных открытий мы упускаем, боясь поставить "каверзный вопрос". В общем-то, это и является ответом, почему я сделал работу в одиночку: специалисту в области ДНК-вычислений достаточно увидеть первый рисунок статьи, чтобы сразу все понять. А вы прекрасно знаете, что в науке идет жесточайшая конкуренция за приоритет. Чем больше ты рассказываешь, тем больше шансов, что твоя идея утечет. Потом никто не вспомнит, откуда ноги растут. Подобных примеров множество.
Но вы руководите двумя лабораториями в Университете "Сириус" и МФТИ, причем занимаетесь не генетикой, а умными наноматериалами. Это сложнейшая тема. И работаете очень успешно. Получаете гранты. Казалось бы, при такой загрузке какая может быть генетика?
Максим Никитин: С момента появления этой идеи до выхода статьи прошло девять лет. За это время в лабораториях в МФТИ и "Сириусе" мы с командой разработали много интереснейших технологий в области биомедицинских нанотехнологий. В том числе опубликованных в не менее престижных журналах. А "генетической" темой я занимался поздними ночами и по выходным. Если бы сосредоточился только на ней, то управился бы многократно быстрее.
Самая сложная часть работы шла в моей голове - надо было придумать много нетривиальных решений, потом самому смоделировать на домашнем компьютере. Всю экспериментальную часть, кроме демонстрации влияния механизма на "работу генов", я вообще сделал сверхбыстро - там не нужны были особые реактивы, какое-то сложное оборудование. А с генами пришлось повозиться, конечно. Там надо работать в высокой чистоте, поэтому даже лабораторию всю сам аккуратно перемывал перед работой. Не доверял никому.
Вы неожиданно стали телезвездой: ведь о своем открытии рассказывали практически по всем центральным каналам. Как ощущаете себя?
Максим Никитин: У исследователей разное отношение к общению со СМИ. Я считаю, что это часть работы ученого - важно рассказывать обществу, чем мы занимаемся. Но что удивило? Не ожидал, что будет такая активная реакция со стороны людей, далеких от науки. Они буквально завалили отзывами и вопросами. Кто-то даже полез в книги, начал интересоваться генетикой. Это же здорово!
И еще момент. Мне удалось показать, что научная идея намного важнее доступа к супероборудованию и каким-то суперресурсам. Конечно, ресурсы крайне важны для методичного и гарантированного продвижения вперед на уровне государства. Но для отдельного исследователя красивая идея первостепенна. Очень хочется сказать школьникам и студентам первых курсов: большинство из вас могли бы сделать это открытие! У науки еще много неизведанного. Многие неожиданные идеи вы видите каждый день, но проходите мимо. Чтобы увидеть, надо лишь изменить угол зрения. И, конечно, подвергать сомнению, казалось бы, абсолютные истины и слова самых больших авторитетов. Тогда есть шанс увидеть новое!
Максим Никитин родился в Москве в 1986 году. В 2010 году окончил с отличием Московский физико-технический институт по специальности "Прикладные математика и физика". Доктор физико-математических наук. Лауреат премии президента РФ в области науки и инноваций для молодых ученых, обладатель международной награды по биосенсорике Biosensors Award. Включен в состав президиума Совета при президенте РФ по науке и образованию.
Автор более 70 научных статей, которые опубликованы в том числе в престижных журналах группы Nature. Имеет свыше десятка патентов.