Альманах «Знак вопроса» - ЗНАК ВОПРОСА 1994 № 04

В 1985 году шведский ученый Сванте Паабо сообщил в международном журнале «Нейчур» о том, что ему с помощью ученых тогдашней ГДР удалось выделить кусочек ДНК длиной в 300 букв генетического кода из клеток кожи древнеегипетской мумии, хранившейся в Египетском музее Берлина. Не думай, читатель, что редчайшему экспонату человеческой истории был нанесен непоправимый ущерб. Ученые взяли лишь несколько чешуек кожи, из клеток которой и была выделена «нить жизни».

Интересно, что в судьбе Паабо отразился путь современной науки к молекулярному уровню. В свое время микробиолог О. Эйвери доказал, что именно ДНК является веществом генов. Затем орнитолог Уотсон и физик Крик установили пространственную структуру ДНК. А теперь вот археолог по образованию Паабо стал молекулярным биологом, чтобы попытаться увидеть древнейший генетический материал.

Практически одновременно с данными по древнеегипетской мумии были опубликованы результаты работы Р. Хигучи из Калифорнии, который сумел «вытащить» ДНК из шкуры вымершей африканской квагги 140-летней давности (квагга считается гибридом между зеброй и лошадью). Это были огромные достижения, которые можно было сравнить только с изобретением ДНК-отпечатков для определения родства между людьми или идентификации преступника. Что это такое?

Представьте себе две книги, скажем, «Войну и мир» и «Повести Белкина». А теперь вообразите, что их варварски порвали постранично и даже порезали по строчкам. Как бы вы ни перемешивали страницы обеих книг и их строчки, достаточно одного взгляда, чтобы понять, где Толстой, а где Пушкин. Стиль писателя, его словарь, построение фразы и многие другие признаки позволяют даже не слишком опытным читателям отличить прозу Толстого от прозы Пушкина, а их обоих от Достоевского или Томаса Харди.

Нечто подобное предложил проводить на молекулярном уровне Алек Джефрис из университета английского города Лестера. Он нашел в геноме человека маркеры, которые стабильны у прямых потомков родительской пары. С помощью так называемого электрофореза — переноса образцов ДНК в электрическом поле — маркеры «разгоняются» в виде полосок, последовательность которых легко анализировать. Эти картинки еще сравнивают с полосчатыми компьютерными шифрами, которые мы видим на иностранных упаковках (компьютер тоже сравнивает'— идентифицирует — шифры товаров, указывая кассовому аппарату, какую цену пробивать).

С помощью ДНК-отпечатков стало возможно устанавливать родство людей, степень этого родства — чем оно дальше, тем большее несовпадение полосок будет наблюдаться, а также личность преступника. Но все это хорошо, когда в вашем распоряжении достаточное количество ДНК, а как быть, если ДНК очень мало? Над этой проблемой долгое время бился Кэри Муллис [4] В 1993 году К. Муллису была присуждена Нобелевская премия в области химии. из калифорнийской биотехнологической фирмы «Сетус» в городке Эмеривилл.

Журнал «Тайм» назвал Муллиса в августе 1991 году последним лудильщиком, вкладывая в это слово тот смысл, что он «паяет» швы между самыми разными науками. Он консультирует биотехнологические фирмы и постоянно говорит о том, что одного вируса СПИДа явно было бы недостаточно, чтобы вызвать глобальную эпидемию этого заболевания. Свое необычное открытие Муллис сделал апрельской ночью в машине, когда они с женой ехали по горной дороге в секвойных лесах Северной Калифорнии.

Муллис поступил в «Сетус» — название фирмы переводится как «Кит» — в 1979 году. Его как химика взяли в исследовательский отдел для синтеза олигонуклеотидов, то есть коротких цепочек ДНК. Однако к 1983 году эту задачу взяли на себя автоматические синтезаторы электронной эры. «У меня появилось время подумать», — говорит Муллис.

Он хотел найти метод — простой и надежный — идентификации буквы генетического кода, или нуклеотида в известном положении цепи ДНК. Задача сходна с той, которую мы каждый раз решаем, проверяя себя, какую букву писать, например, после «т» и после «л» в слове «интеллигенция».

Подобная проверка легко осуществима, поскольку у нас всегда под рукой словари и справочники по этимологии и орфографии слов. А как быть с ДНК, когда мы заведомо не знаем, какая буква генетического кода должна стоять на том или ином месте? Вот над этой-то проблемой и бился мозг Муллиса, когда он крутил руль своей машины.

В своих размышлениях Муллис отталкивался от двух известных открытий. В 1955 году А. Корнбсрг из Стэнфордского университета неподалеку от Сан-Франциско выделил ДНК-полимеразу, которая начинает синтез ДНК, имея в своем распоряжении «затравку», которая по-английски называется праймер (праймерами в Англии и Америке называют также буквари и начальные строчки широко известных произведений, например «Я помню чудное мгновенье…»).

Второе открытие было связано с именем дважды Нобелевского лауреата англичанина Ф. Сэнджера, который первую награду получил за прочтение последовательности аминокислот в инсулине, а вторую — за создание метода расшифровки последовательности нуклеотидов ДНК. Как он это делал?

Он «подсовывал» ДНК-полимеразе измененный нуклеотид, который она не может «переварить», в результате чего синтез ДНК останавливался. Зная, какой нуклеотид он дал ферменту, Сэнджер таким образом узнавал противоположный комплементарный. Например, если он давал измененный А, то напротив, в другой цепи ДНК, которая служила матрицей для синтеза, стоял тимин «т», если «ц» — то Г и т. д. Разработка не из легких, но именно так были прочитаны первые гены, а с этого и началась биотехнология наших дней. Потом это все автоматизировали, и сегодня электронные автоматы сами читают по 10 тысяч букв в сутки. Кстати, измененными нуклеотидами теперь довольно успешно сдерживают развитие СПИДа у инфицированных людей.

И вот со всем этим багажом в голове Муллис едет в свой загородный дом в округе Мендосино, что на берегу Тихого океана. «Руки заняты, а голова свободна», — вспоминал он потом.

Тем не менее и голова его была занята напряженнейшей работой. Вблизи Кловердейла ему в голову пришла мысль, от которой он чуть не свалился с машиной в пропасть: а что если останавливать процесс нагреванием! Ведь матрица и вновь синтезированная цепь разойдутся, полимеризация при этом прекратится, но после остывания процесс начнется вновь. Таким образом, после второго цикла у него будет уже 4 цепи, после третьего 8, после десятого чуть больше 1000 копий, а двадцати циклов хватит, чтобы получить миллион! Это ведь самая настоящая цепная реакция, проводимая с помощью ДНК-полимеразы. Так родилась полимеразная цепная реакция (ПЦР).

Утром, когда он проснулся уже у себя в загородном доме, ему пришла трезвая мысль: а почему же никому это раньше не приходило в голову? Он не мог дождаться понедельника. Придя в «Скетус», Муллис тут же бросился в библиотеку, потребовав всю наличную литературу по ДНК-полимеразе. Нигде и намека не было на ПЦР! Он был первым, оставалось только осуществить идею в пробирке, что он довольно быстро и сделал. Оказалось, что для начала ПЦР вполне достаточно праймеров из 11 или 13 нуклеотидов.