ТЕКСТ: ПёТР СМИРНОВ, АРТёМ ТУНЦОВ
ФОТО: PHOTOS.COM / EAST NEWS
От открытия Грегором Меделем законов наследования наружных признаков до описания вещественной базы этой самой наследственности – ДНК – прошло 90 лет. За следующие полста лет ученые не только лишь смогли разобраться в особенностях работы генетического аппарата, да и научились в некий степени управлять этими процессами.
Но большинству из нас больше знакомы не фундаментальные открытия, объясняющие механизмы работы био систем, а технологические прорывы, демонстрирующие могущество и великолепие науки.
Броский пример – окончившийся в 2004 году проект «Геном человека», который как бы не принес новых принципных познаний о работе, но при всем этом добавил 10-ки млрд кб инфы в безпрерывно пополняемые базы данных. В первый раз было представлено не лоскутное одеяло из расшифрованных фрагментов ДНК огромного количества людей, а геном 1-го определенного человека – 1-го из первооткрывателей структуры самой ДНК Джеймса Уотсона. Приблизительно годом ранее была завершена расшифровка другого полного генома – 1-го из пионеров расшифровки Крейга Вентера.
В четверг, на удовлетворенность лишившемуся работы из-за «неполиткорректных» выражений Уотсону, этот маленький перечень пополнился азиатом и негром.
В последнем выпуске Nature сходу две исследовательские команды сказали о окончании проектов по определению полных последовательности 2-ух человечьих геномов при помощи относительно дешевенького и очень резвого способа компании Illumina. На расшифровку каждого генома со всеми предварительными работами ушло наименее 2-ух недель.
Герои повествования в этих 2-ух историях остались анонимными, понятно только, что объект исследования Дэвида Бентли и его коллег – мужик народности йоруба, живущий в Нигерии, а учёные под управлением Чжунь Вана расшифровали геном обитателя Пекина, также мужчины. Детализированный анализ всех этих различий ещё впереди. Но более любопытно и то, как были прочитаны геномы.
Лоскутный геном
В базе всех современных методик расшифровки генома лежит один и тот же принцип. Выделенную и очищенную ДНК поначалу «амплифицируют» – превращают во огромное количество количество копий, позже разрезают на бессчетные куски, делят на отдельные нити, а потом «считывают» нуклеотидные последовательности. Вновь воедино их соединяют уже в памяти суперкомпьютеров при помощи сложных математических алгоритмов.
Чтоб осознать, на что похоже такая процедура, представьте для себя неплохую сельскую либо даже маленькую районную библиотеку. В 10-ках тыщах томов, её составляющих, как раз будет приблизительно 3 млрд букв – столько пар нуклеотидов имеется в ДНК, содержащихся в каждой клетке нашего организма. Итак вот, все эти 10-ки тыщ книжки нужно поначалу размножить, превратив в миллионы томов, потом порезать на странички, разорвать на лоскутки и кропотливо перемешать. После чего вам предлагается вернуть книжки всей библиотеки.
Помогает в этом разумеется нелёгком деле конкретно 1-ый шаг – «размножение» начальной библиотеки.
Хотя отдельные странички были порваны на обрывки случайным образом, в конечном месиве всякая фраза находится неоднократно, при том все эти повторяющиеся куски перекрываются. Это и позволяет вернуть целостность.
Отличаются использующиеся на данный момент 4 способа: компаний Applied Biosystems, Illumina, Roche и Helicos – только размером клочков и способами, которые употребляются для считывания букв. Практически 20 годов назад Уотсон и его коллеги, участвовавшие в «Геноме человека», решили дробить ДНК на цепочки длиной в 400–800 пар оснований – несколько строчек текста в нашей аналогии. Создатели последних работ смогли ограничиться кусками строк всего по 30–35 букв в каждом.
Но сопоставление не полностью уместно. Нашим современникам значительно проще – во-1-х, у их уже есть два опорных генома, с которыми можно ассоциировать куски считанного текста – в конце концов, они у людей не так очень отличаются. А во-2-х, способности вычислительной техники за последнее десятилетие расширились неоднократно, в особенности если их скорректировать по доступности и цены.
Мостики, краски и химия
Ускорение считывания генома – по-настоящему огромное достижение. И дело не только лишь в том, что миллионы лоскутов с текстом генетического кода на данный момент считываются параллельно. Изобретение, позволившее расправиться с целым геномом меньше чем в месяц, – так именуемый способ «мостиков».
К каждому куску ДНК с обоих концов прикрепляют известные олигонуклеотиды (недлинные цепочки, состоящие всего из нескольких нуклеотидов). Потом благодаря этим олигонуклеотидам эти ниточки растягивают над тонкими горизонтальными плашками – выходит вправду что-то вроде мостиков. Естественно, все эти описанные реакции присоединения объясняются хим взаимодействиями и не требуют какого-нибудь контроля со стороны ученых. Единственное, что от их требуется, – добавить нужные ферменты, управляющие реакциями в необходимое время и в подходящей концентрации.
Благодаря таковой самостоятельности все мостики выстраиваются на плашке за несколько секунд, а на одной стандартной пластинке в установке компании Illumina помещаются около 80 миллионов цепочек.
После чего на плашку добавляют раствор из отдельных нуклеотидов, прочно сшитых (снова же хим связью) с разноцветными флуорофорами – светящимися молекулами, притом каждому нуклеотиду соответствует собственный цвет. Ученые выжидают время, нужное для присоединения еще одного нуклеотида комплементарно 2-ой цепочке ДНК, после этого убирают раствор свободных «светлячков» и глядят, какой конкретно нуклеотид присоединился в ту либо иную точку плашки.
Потом процедура «добавление красок – смыв – фоторегистрация» повторяется до того времени, пока все располагающиеся на плашке последовательности не будут расшифрованы. В установке компании Illumina это происходит 30–35 раз – зависимо от того, на какой длины участки была разрезана исследуемая ДНК.
Стремительно, дёшево, надёжно
Размещенная в Nature работа Дэвида Бентли была посвящена не только лишь описанию генетических различий негра от Уотсона, да и исследованию надёжности использованного способа. Чтоб оценить её, команда из практически 2-ух сотен ученых протестировала оборудование на отлично изученном участке ДНК длиной 162 572 пар оснований, кодирующем гены так именуемого головного комплекса гистосовместимости.
Точность способа составила 99,96%, что полностью удовлетворяет современными требованиям. Тем паче что «сомнительные» 0,04% размещались там же, где дают сбои и другие способы расшифровки.
По воззрению создателей работ, размещенных в Nature, эпоха персональной геномики не за горами. И уже очень скоро она станет полностью доступной обыденным людям.
Интернациональный проект «Геном человека» 1989–2004 годов обошёлся в $300 миллионов, расшифровка генома Вентера по запатентованной методике стоила, по слухам, приблизительно $1 млрд. По сопоставлению с этими суммами $500 тыщ, потраченные на китайца и нигерийца, – ничто, в особенности если учитывать, что только $100 тыщ ушли на расходные материалы – реактивы и им схожее.
Геном за $5 тыщ
Калифорнийская компания Complete Genomics обещает уже в первой половине будущего года начать расшифровку полных генетических последовательностей человека по стоимости всего в $5 тыщ за все приблизительно 3 млрд...
Компания Applied Biosystems, основной соперник Illumina, обещает, что уже последующее поколение её секвенирующих машин понизит цена определения последовательности ДНК до $10 тыщ за человечий геном, а некие рассчитывают и на $5 тыщ. И хотят делать это резвее, чем за день.
Вобщем, окаянного расстройства от встречи с мечтой, похоже, не избежать и в случае с геномом.
Чем доступнее становится личный геном, тем больше учёные начинают задаваться вопросом: «А для чего он нужен?».
Результаты сотен и тыщ работ, чуть ли не каждый денек обнаруживающих в последние годы очередные «гены» рака, заболевания Альцгеймера, диабета и многих других врождённых болезней, очень изредка владеют реальной предсказательной силой. Так что практическая полезность от их под огромным вопросом.
Ну узнали вы, что риск захворать раком желудка у вас на 50% выше, чем у соседа. И что? Не будете есть солёное и сладкое и когда-нибудь умрёте в ресторане от сердечного приступа – с досады от того, что самое смачное блюдо вам нельзя?
Вобщем, подобные суждения можно высказать по поводу чуть ли не хоть какой отрасли технического и мед прогресса. По воззрению многих учёных, хотя эпоха персональной геномики и рядом, как она будет смотреться, пока непонятно. Фантазировать можно сколько угодно, но проще дождаться. Судя по последнему номеру Nature, ожидать осталось недолго.
