Лего в основе жизни

07.07.2021
1498525528792037856.jpg

Содержание статьи:

Прогресс человеческой цивилизации иногда воспринимается как неотвратимое поступательное движение вперёд. Вроде ползущего ледника знаний, медленно, но неотвратимо покрывающего и изменяющего под себя окружающий мир. На самом деле, это не совсем так. Прогресс больше похож на стекающую по мокрому стеклу каплю. Встречая другое скопление влаги, наша капля сливается с ней, мгновенно продвигаясь по своему пути, и дальше движется уже чуть быстрее из-за возросшей массы.

Эти “скопления влаги”, позволяющие человеческому знанию совершить мгновенный рывок ‒ научные открытия. Они дают в руки учёных новые инструменты, позволяющие заглянуть в ранее недоступные тайники природы. Они же дают исследователям нечто гораздо более важное, чем просто новые данные ‒ новые способы думать.

Жизнь в пробирке

В двадцатом столетии для биологии таким катализатором стали секвенирование и полимеразная цепная реакция. Но если секвенирование ‒ выяснение последовательности составных частей в биологических полимерах, так и не вышло за пределы научных лабораторий, то ПЦР сегодня широко применяется не только в науке, но и в медицине, сельском хозяйстве, юридической практике, а с наступлением ковидной эпохи, и в сфере развлечений, и даже обыденной жизни.

В чём же суть этого метода? В своей основе он очень прост. В пробирке воспроизводится процесс, лежащий в основе жизни любой клетки ‒ создание копии нуклеиновой кислоты. И для этого даже используются все те же реагенты, хотя и в урезанном, по сравнению с клеткой, комплекте. Нуклеотиды ‒ кирпичики будущей цепи, ферменты, выстраивающие новую цепочку, и праймеры ‒ небольшие кусочки цепи, определяющие, какой именно участок будет копироваться.

Если всё так просто, то почему же полимеразная цепная реакция получила широкое распространение только в последнее время? Всё дело именно в меньшем количестве сопровождающих реакцию ферментов. В клетке и расплетение двойной цепи, и поиск нужного участка генома и подачу мономеров осуществляют специальные вещества. В пробирке создать настолько сбалансированную среду практически невозможно. Поэтому вместо биологических катализаторов реакцию ускоряет повышенная температура. Именно она ответственна и за “расплавление” изначальной молекулы, и за поиск праймером своего участка, и за быструю подачу к месту синтеза новых нуклеотидов. Но без одного фермента ‒ полимеразы, всё-таки не обойтись никак. Только, вот беда, при температуре, необходимой для начала реакции, полимераза денатурирует и перестаёт работать.

Screenshot_1.jpgПоэтому победоносное шествование ПЦР по лабораториям началось только после того, как была открыта термостабильная ДНК-полимераза. Выделили её из экстремофильной бактерии, живущей в практически кипящей воде возле горячих источников. Так что ей оказались нипочём те температуры, что долгое время должны выдерживаться внутри амплификатора. Именно так называется аппарат, в котором полимеразную цепную реакцию и проводят.

Вторая, гораздо более просто решаемая задача, это подбор праймеров. Полимераза не может начать синтез новой цепи с нуля, ей нужна определённая затравка. Именно её роль и выполняет праймер. И это для учёных большая удача, ведь при помощи праймера исследователь может очень точно выбирать, какой именно участок генетического материала будет многократно размножен. Праймер строго специфичен к определённому участку определённого гена, и если нужного гена в анализируемом образце не обнаружится, то и вся остальная реакция тоже не пройдёт. Поэтому исследователь всегда должен чётко знать, что он ищет, какова структура того гена, что отвечает за интересующий его признак.

Именно поэтому в начале эпидемии коронавируса так долго не могли получить надёжно определяющие его тесты. Вначале учёным нужно было выяснить геном вируса, а затем найти в нём такие участки, которые всегда встречаются у искомого возбудителя, но не бывают ни у каких других. Сейчас для этого выбрали два вирусных гена. Один указывает на всё подсемейство коронавирусов в целом. Второй же уникален для современного штамма, вызвавшего пандемию.

Применение ПЦР

Но вернёмся от реалий современности к теоретическим тонкостям. Зачем может быть нужна ПЦР? На самом деле, всего для двух вещей. Либо размножить какой-то полимер нуклеиновой кислоты, либо определить, есть ли в образце следы определённого гена.

Первая задача сугубо научная. Порой учёные находят какой-то интересующий их организм, и перед тем как исследовать его геном, многократно увеличивают количество его днк, чтобы в дальнейшем было с чем работать. Иногда они искусственно синтезируют ген, или участок гена, или совсем короткую цепочку, необходимую для дальнейшей работы. И опять-таки наращивают количество интересующего вещества.

slide-12.jpgВторая же задача ‒ поиск определённого гена, сейчас и используется в самых разных сферах. Хотим установить родство ‒ ищем в геноме человека участки, уникальные для его семьи. Нужно идентифицировать преступника ‒ ищем уже его личные генетические маркеры в оставленных на месте преступления следах. Проверяем наличие болезней ‒ ищем в образцах крови, слюны или других анализируемых жидкостей гены сразу целого ряда возбудителей.

Если загруженные в реакционную смесь праймеры найдут своих двойников, они запустят реакцию синтеза, и за определённое время, обычно несколько часов, в пробирке будут уже миллионы копий искомого гена. Ведь каждая новая копия служит основой для следующих и количество определяемых генов растёт в геометрической прогрессии.

После реакции

В прошлом по окончании самой ПЦР, её требовалось проявить, почти как фотоплёнку. Для этого использовался электрофорез. Отрицательно заряженные нуклеиновые кислоты двигались под воздействием электромагнитного поля в геле. И чем массивнее молекула, тем медленнее она двигалась. Гель также содержал особое вещество, которое светится в ультрафиолете, если рядом есть нуклеиновые кислоты. Благодаря этому можно было разделить полученную смесь на составные части и одновременно очистить полученные копии гена.

Впрочем, осовремененные устройства для проведения полимеразной цепной реакции ‒ амплификаторы в реальном времени, позволяют отслеживать накопление целевого вещества прямо в процессе его синтеза.

Полимеразная цепная реакция ‒ очень точный метод анализа. Но в этом и его беда. Достаточно самого малого загрязнения образца, чтобы результат оказался ложноположительным. Поэтому проведение ПЦР требует особой частоты помещений. И часто места сбора анализируемого материала и его изучения располагаются в разных помещениях. Возможны и ложноотрицательные результаты, когда имеющийся в образце ген оказывается не обнаружен. Это чаще всего происходит из-за того, что была нарушена технология анализа. Например, в реакционную смесь не добавили какой-то реагент, или нагревание оказалось слишком низким или чрезмерным. Впрочем, такие ошибки довольно редки, и проведение повторного анализа практически полностью исключает неверный результат как в положительную, так и в отрицательную сторону.


Возврат к списку

Ваш заказ будет обработан
в ближайшее время.
Мы пришлем уведомление, как только все будет готово. Спасибо!