«ПЕРВЫЙ СРЕДИ РАВНЫХ...»
Нормативные документы
Противодействие коррупции
Поступающим
Студентам
Выпускникам
Проект 5-100
Аккредитация специалистов
Геном идет в народ 01.10.2008

Геном идет в народ

Многообещающая разработка, предложенная учеными из Пущино, открывает уникальные возможности для развития медицины и биологии

Несмотря на то что Россия включилась в нанотехнологическую гонку несколько позже ведущих мировых держав, в некоторых направлениях нам уже есть чем гордиться. В Институте белка РАН (г. Пущино) разработан оригинальный метод выращивания молекулярных наноколоний в геле, патент на который уже купила одна американская компания.

В XIX веке многие ученые полагали, что бактерии и другие микроорганизмы в отличие от более развитых живых существ могут спонтанно возникать в любой питательной среде. Например, их легко обнаружить в прокипяченном мясном бульоне уже через несколько часов после того, как тот остыл. Но французский ученый Луи Пастер убедительно доказал невозможность спонтанного зарождения микроорганизмов. Он прокипятил бульон в сосуде, сконструированном так, чтобы микробы из воздуха не могли попасть в него. В этом случае остывшая питательная среда продолжала оставаться стерильной даже спустя длительное время.

Казалось бы, вопрос о самопроизвольном зарождении жизни решен окончательно. Но в конце XX века было открыто интересное явление. Существует вирусный белок-фермент с научным названием “Qβ-репликаза”. Его функция - строить молекулу РНК из отдельных нуклеотидов. (Нуклеотиды - это мономеры ДНК или РНК, играющие роль своеобразных букв при записи наследственной информации.) В их последовательности закодирован аминокислотный состав белков. Чтобы лучше понять суть работы фермента, представьте себе робота, который не умеет читать, но может, глядя на текст, составлять рядом точно такой же из отдельных кубиков-букв. А если не будет никакого исходного текста, что робот составит из букв? Решили проверить. Поместили вирусный фермент в жидкий раствор, где не было сложных молекул РНК, а присутствовали только отдельные нуклеотиды. И произошло чудо. Робот-фермент без каких-либо подсказок начал выдавать длинные осмысленные тексты, то есть строить большие молекулы РНК, на основе которых можно синтезировать белки. Лауреат Нобелевской премии по химии Манфред Айген снова выдвинул гипотезу о самопроизвольном зарождении жизни, которая была поддержана многими учеными. Сценарий эволюции органического мира стал выглядеть так. Сначала под действием электрических разрядов молний в первичной земной атмосфере появились молекулы отдельных нуклеотидов и аминокислот, из которых синтезировались различные белки. В том числе случайным образом могла образоваться и Qβ-репликаза. А она уже из простейших нуклеотидов стала создавать сложные молекулы РНК. Появились первые вирусы - ну и пошло-поехало.

Однако в этой гипотезе засомневались сотрудники лаборатории биохимии вирусных РНК Института белка РАН. Они обнаружили, что построенные ферментом молекулы не случайны. Появилось подозрение, что робот-фермент не сам составляет осмысленные тексты, а использует подсказки. Пущинцы решили повторить опыт Пастера, модернизировав его для данного случая. Они взяли две одинаковые чашки с растворами одиночных нуклеотидов и поместили в них Qβ-репликазу. При этом одну чашку оставили открытой, чтобы робот-фермент мог брать подсказки из воздуха, в котором витает множество молекул РНК естественного происхождения, а другую закрытой - уменьшив число подсказок до минимума.

Но как подсчитать общее число составленных роботами текстов - разных молекул РНК? Руководителю лаборатории члену-корреспонденту РАН Александру Четверину пришла замечательная (это выяснилось чуть позже) мысль: проводить реакции не в водном растворе, а в геле, в котором размеры пор примерно совпадают с размерами крупных органических молекул (около 10 нанометров). В такой среде отдельные нуклеотиды будут двигаться относительно свободно, а большие РНК-молекулы - оставаться на одном месте. Если фермент использует подсказки, то только в тех местах геля, где случайно оказались молекулы РНК, образуются их копии-колонии. При этом в закрытой чашке таких колоний должно быть намного меньше, чем в открытой. Именно это и наблюдали ученые в проведенном эксперименте, доказав тем самым, что никакого спонтанного появления сложных органических молекул не происходит.

- Когда работа была закончена, - вспоминает Александр Борисович, - стало понятно, что мы не просто провели интересный эксперимент, проясняющий причину самопроизвольного синтеза РНК, а придумали принципиально новый метод диагностики. Оказывается, можно обнаружить отдельные органические молекулы, если предварительно поместить их в гель и затем “вырастить” из них наноколонии. Этот метод был запатентован в различных странах, включая Америку. И почти сразу стало ясно, что он открывает широкие возможности для научных и прикладных исследований.

Например, при переливании крови очень важно знать, нет ли у донора каких-либо инфекционных заболеваний, скажем, СПИДа. А если он недавно заразился, и этих вирусов в крови совсем мало? Сейчас существует несколько различных процедур, позволяющих избирательно размножать матричные молекулы, то есть ДНК или РНК. В пределах одного-двух часов из одной молекулы “вырастает” миллион. Однако эти процедуры традиционно проводились не в геле, а в обычном жидком растворе. Предположим, в капле крови содержится одна (или несколько) инфекционных молекул ДНК. Если их размножить в жидкости, то они перемешаются с другими неинфекционными молекулами, численность которых в крови достигает многих триллионов. А если проводить эти реакции в геле, то каждая молекула будет размножаться строго в одном месте - ячейке геля, представляющей собой что-то вроде “паутиновой клетки”. Сколько было матричных молекул, столько и получится колоний. А обнаружить колонию, состоящую из миллионов молекул, не составляет труда.

Другой пример. При раке происходит активация определенных генов, которые “спят” в обычных клетках. В результате на каждом “проснувшемся” гене сначала синтезируется РНК, а потом белок. Сейчас на основе нового метода составляется список РНК, которые могли бы быть маркерами для раннего рака. И так как метод чрезвычайно чувствителен, то даже по одной молекуле РНК, находящейся в крови пациента, можно будет обнаружить рак на самой ранней стадии, когда все остальные традиционные методы ничего не покажут. И что самое важное - до появления метастазов. В этом случае можно будет провести терапию и избирательно уничтожить злокачественные клетки.

Большинство болезней спровоцировано “сбоями”, вызванными мутациями в генах. Поэтому при медицинском обследовании очень важно знать, есть ли у пациента врожденная предрасположенность к каким-либо заболеваниям, вызванная наследственными “ошибками” в ДНК. А для этого нужно “прочитать” у него всю “текстовую” последовательность ДНК, состоящую из четырех миллиардов нуклеотидов-букв. А это очень громоздкая и, соответственно, дорогая процедура. Определение первого генома человека обошлось в несколько миллиардов долларов.

Новый метод позволяет существенно упростить эту процедуру и, значит, сделать ее во много раз дешевле. Например, существует способ определения последовательности нуклеотидов в гене путем его пошагового “прочитывания” с использованием нуклеотидов, к которым “пришиты” флуоресцентные группы, окрашенные в разные цвета. Эти реакции традиционно проводились в обычном жидком растворе. Но если проводить их в геле, то можно одновременно исследовать строение у тысячи генов, расположенных в различных гелевых наноячейках. При этом скорость определения генома возрастает в тысячи раз. Американская компания Applied Biosystems уже приобрела у Института белка лицензию на использование метода наноколоний в геле для “чтения” нуклеотидных последовательностей. Сотрудники компании полагают, что в ближайшее время благодаря применению нового метода определение генома человека станет обычной медицинской процедурой, доступной самым широким слоям населения.

Сейчас сотрудники лаборатории биохимии вирусных РНК модернизируют свой метод, делая его пригодным для проведения диагностики не только матричных, но и любых других органических молекул. Например, нужно обнаружить в капле крови молекулу какого-нибудь белка. Тогда берутся два разных антитела, способных специфически связываться именно с этим белком. К первому антителу “пришивается” одна половинка молекулы ДНК, а ко второму - другая. Затем в каплю добавляется фермент “лигаза”, основная функция которого - “сшивать” близко расположенные цепочки ДНК. В результате получается цельная молекула ДНК, связанная с белком посредством двух антител. А ее можно размножить каким-либо традиционным способом (но главное - в геле!) и затем уже легко обнаружить.

В принципе, этот способ позволяет находить любые единичные молекулы. Например, наркотика или допинга. Главное, найти два различных антитела, способных специфически связываться с искомой молекулой. Затем к антителам “пришиваются” половинки ДНК и осуществляется цепная реакция размножения в геле. Чувствительность метода абсолютная.


Исходная статья: ПОИСК
Авторы:  Василий ЯНЧИЛИН