Статті про досягнення біотехнологій нагадують військові репортажі: стріляють генні гармати, застосовуються вірусні та бактеріальні засоби доставки, а в штабах займаються читанням шифровок - текстів, написаних чотирьох- і двадцятибуквеними алфавітами.
Шифрування зі штабу
Не займайтеся самолікуванням! У наших статтях ми збираємо останні наукові дані і думки авторитетних експертів у сфері здоров'я. Але пам'ятайте: поставити діагноз і призначити лікування може тільки лікар.
Уявіть собі стрічку кілометрової довжини, покриту ось таким текстом: ATGACCCCGATCA GAGCG, - причому невідомо, справа наліво його треба читати або навпаки. Якщо згадати, що означають ці літери заснування ДНК - аденін, тимін, гуанін і цитозин, - стане зрозумілішим, але ненабагато. Наступний крок - поділ тексту на слова з трьох букв.
У молекулі ДНК 64 можливі тризначні комбінації з чотирьох нуклеотидних підстав кодують 20 амінокислот, з яких складаються всі наявні на цій планеті білки. Перекладачем у клітці служить матрична рибонуклеїнова кислота - мРНК. Її алфавіт теж складається з чотирьох літер. Від мови ДНК він відрізняється однією літерою: копіюючи послідовність нуклеотидів, РНК-полімераза замінює тимін на урацил (U). Крім того, букви РНК трохи відрізняються за «шрифтом»: замість дезоксирибози до складу її нуклеотидів входить рибоза.
Переписування окремих фраз - генів - з тексту ДНК в текст РНК так і називається - транскрипція. А трансляцією мовою молекулярних біологів називається переклад з мови нуклеїнових кислот на мову білків з двох десятків букв, від A (або Ala - аланін) до V (або Val - валін). Аргінін в однобуквеному кодуванні позначається як R, аспарагін - N і так далі, і про всяк випадок над столом у тих, хто цим постійно займається, висить табличка зі шпаргалкою.
Будь-яка рибосома (хоча замість двох півкуль у неї є тільки дві білкові глобули) знає цей алфавіт напам'ять і, прочитавши на ланцюжку РНК слово «UUG», приєднує до зростаючого ланцюжку білка амінокислоту триптофан, AAG або AAA - лізин, а дійшовши до стоп-сигналів - UGA або AUA, AUUG AA UA, U. Більшість амінокислот кодується кількома кодонами (від двох до шести). Наприклад, команда «приєднуй лейцин» у половині випадків позначається поєднанням CUG, по 10 − 20% припадає на CUU, CUC, UUG і UUA, а синонім CUA клітини використовують дуже рідко.
Креслення і програми
Якщо команді інженерів і робітників дати завдання побудувати діючу модель паровоза в натуральну величину, вони для початку розберуть виріб по гвинтику і витратять масу паперу на томи технічної документації. Робота живої клітини побудована на відомому всім програмерам принципі відкритих вихідців - користуйся, якщо знаєш як. Перед тим як почати перебудовувати живі організми, генні інженери повинні розібратися з текстом програм, записаних у хромосомах.
Геном бактерії прочитати відносно просто: єдина бактеріальна хромосома містить в середньому близько трьох тисяч генів, і вся інформація про роботу бактерії записана в декількох мільйонах пар нуклеотидів. Геном будь-якого вищого організму - це мільярди пар нуклеотидів, які кодують десятки тисяч генів. До того ж у ДНК бактерій дуже мало зайвої інформації, а у еукаріотичних (мають клітинне ядро) організмів, навіть у одноклітинних дріжджів, непотрібної інформації в геномі більше, ніж на жорсткому диску у самого дрімучого «чайника». Безглуздих послідовностей нуклеотидів, псевдогенів (дефектних копій істинних генів), інтронів (ділянок нічого не кодуючої ДНК всередині генів) та іншого сміття в нашій ДНК на порядок більше, ніж осмисленої інформації.
Прочитати геном - це тільки перший етап роботи. Після цього треба виділити з отриманої послідовності нуклеотидів значущу інформацію, зрозуміти, який білок (або яку РНК) кодує кожен ген (або хоча б - в якому з генів закодований потрібний нам білок) і як білки взаємодіють один з одним. Введений в хромосому ген може не заробити з безлічі причин - наприклад, через відсутність в чужому геномі одного з десятків ферментів, необхідних для всіх етапів синтезу кінцевого білка.
Кожен етап складається з багатьох окремих завдань, для виконання яких потрібно провести багато окремих операцій, для кожної з яких необхідно обладнання, від пробірок і чашок Петрі до складних комп'ютеризованих комплексів, і реактиви - від дистильованої води до таких, які коштують в тисячу разів дорожче золота. Коли є всі необхідні матеріали, інструменти і знання, можна починати виробництво чогось генетично модифікованого. Наприклад, ввести в хромосому мишачому яйцеклітини ген, виділений з медузи, і милуватися мишкою, що світиться в темряві зеленим світлом.
Інструменти для виготовлення інструментів
Згадайте «Таємничий острів» Жюля Верна. Початкового капіталу у команди інженера Сайруса Сміта було всього нічого - лінза з годинникових скла та сталева смужка. Потім, правда, з'явився інвестор - капітан Немо, який підкинув їм додаткові вкладення у вигляді носових хусток, рушниць з боєприпасами та інших предметів розкоші, а головне - мінімум необхідних у господарстві інструментів. В результаті робінзони всього за кілька років пройшли шлях від кам'яного століття до телеграфу та інших передових досягнень тодішньої техніки. Але щоб побудувати що-небудь залізне, крім голови і рук необхідні залізна руда і кам'яне вугілля, а також креслення та інструменти, за допомогою яких можна зробити верстати, а вже на них - виготовити необхідні для складання кінцевого продукту деталі.
У біотехнології кам'яний вік закінчився приблизно в середині XIX століття від Різдва Христового, коли Луї Пастер довів, що причиною бродіння є дріжджі (він відкрив ще багато чого, але це - головне). Ще близько ста років у мікробіології, біохімії, генетиці, органічній хімії та інших науках відбувалося накопичення критичної маси знань, яке в 70-х роках ХХ століття призвело до появи сучасної молекулярної та клітинної біології. Методи вивчення живих об'єктів і впливу на них ставали все складнішими і ефективнішими, але те, що відбувалося в лабораторіях, довго залишалося чистою наукою - вчені робили креслення та інструменти. Різниця в тому, що для перекроювання ДНК використовують не ножиці і клей, а молекули ферментів, деталі до місця складання доставляють не вагонетки, а віруси або потоки заряджених частинок.
Аналіз і синтез
А тепер згадайте ще один шедевр - «Парк Юрського періоду». Якщо припустити, що гени динозаврів змогли зберегтися десятки мільйонів років - ДНК у крапельці крові занадто мало для аналізу. Але з того часу, як у 1987 році Кері Мулліс винайшов полімеразну ланцюгову реакцію (ПЛР), для вивчення ДНК теоретично достатньо однієї молекули. У підручниках для майбутніх молекулярних біологів опис ПЛР займає рази в два більше місця, ніж вся ця стаття - не рахуючи схем на розворот in folio. І це тільки один з методів, які застосовують при аналізі та синтезі ДНК.
Що ж таке ПЛР? Зразок ДНК поміщають у пробірку з ферментом ДНК-полімеразою, сумішшю з усіх чотирьох нуклеотидів і розчином праймерів - синтетичних ділянок з приблизно 20 нуклеотидів, комплементарних ділянок протилежних ланцюгів ДНК на кінцях розмножуваного зразка (якщо невідомо, що там у нього на кінцях, доводиться вивертатися - наприклад, за допомогою методтиву дегенмерів. Потім розчин нагрівають до 90 − 95 ° - подвійна нитка розпадається на одиночні, охолоджують до 50 ° - праймери приєднуються до комплементарних ділянок, і нагрівають до 70 ° - полімеразу, використовуючи праймери як затравку, добудовує одиночні ланцюги до подвійних. Цикл повторюється, і через 5 хвилин в розчині буде в 2 рази більше однакових подвійних ланцюжків ДНК, через 10 хвилин - в 4, через півтори години, після 20 циклів, - в мільйон, а після тридцяти циклів, через 2,5 години, - в мільярд разів більше, ніж у вихідному розчині.
Давним-давно, майже 20 років тому, коли ПЛР-аналіз тільки придумали, пробірки з ДНК вручну переставляли з однієї водяної лазні в іншу, а після кожного циклу додавали в них нову порцію ферменту замість розклався при високій температурі. Але дуже скоро просто інженери придумали для генних інженерів термоциркулятори, а мікробіологи виділили термостійку ДНК-полімеразу з мешканця гарячих джерел - мікроба Thermus aquaticus. Зовсім недавно час процесу вдалося скоротити, замінивши термічне розплітання подвійної спіралі добавкою ферменту хелікази (від грецького helix - спіраль), яка саме цим і займається в ядрі клітини.
Секвенування - визначення послідовності нуклеотидів у ДНК - в середині 1970-х кваліфікований біохімік робив зі швидкістю кілька сотень нуклеотидів на рік. У 2004 році в продаж надійшов набір Discovery Kids DNA Explorer для наукових працівників старше 10 років. Всього за $79,95 будь-який юний натураліст може протягом декількох годин зробити аналіз, на який ровесники його дідуся витрачали кілька років. А великі дядьки і тітки, якщо у них є півмільйона доларів, можуть купити новітній автоматизований секвенатор, який розшифровує 800 000 нуклеотидів на день, і з умиленням згадувати сиву давнину початку 1990-х, коли приблизно стільки ж робили за рік тисячі учасників програми «Геном людини». А один з методів секвенування ДНК називається «постріл з дробовика». Але до генних гармат це не має ніякого відношення.