Уильям Байнум - Краткая история науки [litres]

Проект генома человека стартовал в 1990 году, и предполагалось, что он будет завершен в 2005-м. Но пятью годами ранее, 26 июня 2000 года случилась необычная вещь, настоящий научный спектакль. Под громкие фанфары, в лучах телевизионных камер президент США и премьер-министр Великобритании объявили, что первый набросок проекта завершен. Политиков в этот момент сопровождали ученые, собственно делавшие работу, но присутствие мировых лидеров показывало, насколько большое значение придается геному человека.

Понадобилось еще три года (до 2003-го), чтобы создать новую, лучшую версию этой книги жизни, заполнить особенно большие бреши и исправить ошибки. И даже в этом случае удалось завершить дело на два года раньше, большей частью потому, что методы и технологии стремительно эволюционировали, особенно все, связанное с компьютерами.

Проект генома человека был бы невозможен без десятилетий исследований, последовавших за открытием ДНК. После прорыва Крика и Уотсона в 1953-м самой важной вещью стало «клонировать» нити ДНК, получить больше копий той части молекулы, которую вы хотели изучать. В 1960-х молекулярные биологи обнаружили, что это можно сделать с помощью энзимов и бактерий.

Энзимы – это протеины, которые в зависимости от их индивидуальной структуры могут делать великое множество вещей. В опытах их применяли для выполнения естественной энзимной задачи: разрезать ДНК на маленькие кусочки.

Затем эти кусочки особым образом помещали внутрь бактерий.

Бактерии размножаются очень быстро, и по мере того, как модифицированная бактерия создает свои копии, она создает и копии вставленной в нее секции ДНК. Эти копии, или клоны, затем можно преспокойно извлечь и использовать для дальнейших исследований. Процесс вызвал немалое воодушевление, но это оказалось только начало.

Целые клетки могут быть клонированы точно так же, как и кусочки ДНК, овца Долли оказалась первым млекопитающим, клонированным с помощью клетки взрослого животного (она появилась на свет в 1996-м и умерла 2003-м). Техники клонирования продолжают развиваться, и по сей день остаются одной из передовых областей молекулярной биологии.

После того как ученые получили большое количество «отрезков» ДНК для экспериментов, они взялись за проблему последовательности ДНК, попытались раскрыть порядок базовых пар в молекуле. Этой работой занялся молекулярный биолог из Кембриджа (Англия) Фредерик Сенгер (1918–2013). Он уже получал Нобелевскую премию в 1958 году за открытие порядка аминокислот инсулина.

Одно из важнейших отличий между аминокислотами и ДНК состоит в том, что молекула ДНК намного длиннее и в ней находится намного большее число базовых пар, чем аминокислот в протеинах. И в то же время аминокислоты менее похожи одна на другую, а базы ДНК большей частью напоминают друг друга, и это усложняет задачу их сортировки.

Базируясь на собственных ранних работах и на трудах коллег. Сенгер нашел способ маркировать короткие отрезки ДНК с помощью радиоактивных меток, химикалий и энзимов. Он адаптировал различные биохимические техники, дабы разделять аденин, тимин, цитозин и гуанин. Чтобы добиться этого, английский ученый использовал тот факт, что как химические соединения они имеют немного отличные химические и физические свойства.

Наилучшие результаты были получены с помощью процесса, именуемого электрофорезом.

Чтобы убедиться, что результаты верные. Сенгер и его коллеги изготовили каждый образец нити несколько раз и сравнили результаты. Это был очень затратный с точки зрения времени, повторяющийся и скучный процесс. Но используя множество коротких отрезков длинной молекулы, отмечая места, где они начинаются и заканчиваются, ученые смогли подобрать пряди и произвести читабельную последовательность ДНК.

В 1977 году они достигли первого успеха в чтении генома живого организма. Пускай он был скромным, бактериофаг, именуемый phi x 174 (бактериофаги – вирусы, которые поражают бактерии, и phi х 174 часто использовался в качестве инструмента в лабораториях молекулярных биологов).

В 1980-м Сенгер получил вторую Нобелевку за свою выдающуюся работу.

Следующим объектом для чтения генома тоже стал лабораторный организм. Молекулярные биологи продолжали свои исследования, и не важно, насколько тяжело было получить читабельную последовательность ДНК. Инновации в области компьютерной техники помогали анализировать шаблоны расположения базовых пар на коротких прядях.

Ученые упорствовали, они понимали, что если смогут понять, какие точно гены есть у организма и какой протеин производится какими генами, то станет возможным добраться до фундаментальных истин относительно устройства и формирования живого существа от оплодотворенного яйца до взрослого индивидуума.

Плодовая мушка была очевидным кандидатом для подобных исследований. Томас Хант Морган и его группа еще до пятидесятых годов открыли многие ее шаблоны наследственности и создали нечто вроде грубой генной карты. Другим кандидатом оказался маленький круглый червь Caenorhabditis elegans, длиной всего в миллиметр, он состоит из 959 клеток, включая простую нервную систему.

Он может выглядеть не самым приятным из домашних животных, но он был любимой лабораторной зверушкой Сиднея Бреннера (род. 1927) на протяжении многих лет. Бреннер переехал в лабораторию молекулярной биологии Кембриджа из Южной Африки в 1956-м, и в 60-х годах он начал заниматься эмбрионом своего червя, изучая его крупные, легко различимые клетки. Он полагал, что сможет определить в точности, какая из клеток превратится в какую именно часть тела взрослой особи. Он надеялся, что если сможет раскрыть геном червя, то получит возможность связать гены с тем, как сформировавшееся животное осуществляет повседневные функции.

В процессе работы Бреннер и его коллеги узнали много нового об обычной жизни клеток червя, и обнаружили, что клетки делают помимо прочих одну очень важную вещь: умирают, когда им приходит время умирать. Растения и животные постоянно производят новые клетки, вспомните о своей коже, о том, как она отслаивается в ванной, если потереть. Именно таким образом мы избавляемся от омертвевших клеток, и новые, молодые занимают их место.

Такой процесс рождения-умирания внутри организма является универсальным законом природы, и гены регулируют процесс. Именно по этой причине раковые клетки столь опасны: они не знают, когда настает время умирать, и именно поэтому так важно научиться влиять на ген, сбоящий в тот момент, когда он говорит клетке, что все, пора прекратить деление (этим занимаются в большей части программ по борьбе с раком).

Бреннер и двое его коллег получили Нобелевскую премию в 2002 году, и это за работу со скромным червем.