ДНК. История генетической революции

На заре использования ПЦР основная проблема заключалась в следующем: после каждого цикла нагревания-охлаждения приходилось добавлять в реакционную смесь ДНК-полимеразу, так как она инактивировалась при температуре 95 °C. Поэтому нужно было заново добавлять ее перед каждым из 25 циклов. Процедура проведения реакции была сравнительно неэффективной, требовала много времени и фермента полимеразы, а материал это весьма недешевый. К счастью, на помощь пришла матушка-природа. Многие животные чувствуют себя комфортно при температуре гораздо выше 37 °C. А почему для нас стала важной цифра 37 °C? Это произошло потому, что данная температура является оптимальной для E. coli, из которой исходно получали фермент полимеразу для ПЦР. В природе встречаются микроорганизмы, чьи белки за миллионы лет естественного отбора стали более устойчивыми к действию высоких температур. Было предложено использовать ДНК-полимеразы из термофильных бактерий. Эти ферменты оказались термостабильными и были способны выдерживать множество циклов реакции. Их использование позволило упростить и автоматизировать проведение ПЦР. Одна из первых термостабильных ДНК-полимераз была выделена из бактерии Thermus aquaticus, обитающей в горячих источниках Йеллоустонского национального парка, и названа Taq-полимеразой.

ПЦР быстро превратилась в главную рабочую лошадку проекта «Геном человека». В общем, процесс не отличается от разработанного Муллисом, просто он был автоматизирован. Мы больше не зависели от толпы подслеповатых аспирантов, кропотливо переливающих капельки жидкости в пластиковые пробирки. В современных лабораториях, осуществляющих молекулярно-генетические исследования, эта работа выполняется на роботизированных конвейерах. ПЦР-роботы, занятые в столь масштабном проекте по секвенированию, как «Геном человека», неумолимо трудятся с огромными объемами термостойкой полимеразы. Некоторые ученые, работающие в проекте «Геном человека», были возмущены неоправданно высокими отчислениями, которые добавляет к стоимости расходных материалов владелец патента на ПЦР, европейский индустриально-фармацевтический гигант Hoffmann-LaRoche.

Другим «движущим началом» стал сам метод секвенирования ДНК. Химическая основа этого метода в то время уже не была новинкой: Межгосударственный проект «Геном человека» (HGP) взял на вооружение тот же самый хитроумный метод, что еще в середине 1970-х годов разработал Фред Сенгер. Инновация же заключалась в масштабе и степени автоматизации, которых удалось достичь при секвенировании.

Автоматическое секвенирование исходно разрабатывалось в лаборатории Ли Худа в Калифорнийском технологическом институте. Он заканчивал школу в штате Монтана и играл в американский футбол на позиции нападающего; благодаря Худу команда не раз выигрывала чемпионат штата. Навыки командного взаимодействия пригодились ему и в научной карьере. В лаборатории Худа трудилась пестрая компания химиков, биологов и инженеров, и вскоре его лаборатория вышла в лидеры по части технологических инноваций.

Фактически метод автоматического секвенирования изобрели Ллойд Смит и Майк Хункапиллер. Майк Хункапиллер, который тогда работал в лаборатории Худа, обратился к Ллойду Смиту, предложив ему усовершенствованный метод секвенирования, в котором основания каждого типа окрашивались бы каждый в свой цвет. Такая идея могла в четыре раза повысить эффективность сенгеровского процесса. У Сенгера при секвенировании в каждой из четырех пробирок (по числу оснований) при участии ДНК-полимеразы образуется уникальный набор олигонуклеотидов разной длины, включающих праймерную последовательность. Далее в пробирки добавляли формамид для расхождения цепей и проводили электрофорез в полиакриламидном геле на четырех дорожках. В варианте Смита и Хункапиллера дидезоксинуклеотиды метят четырьмя разными красителями и проводят ПЦР в одной пробирке. Затем во время электрофореза в полиакриламидном геле луч лазера в определенном месте геля возбуждает активность красителей, и детектор определяет, какой нуклеотид в настоящий момент мигрирует через гель. Сначала Смит был настроен пессимистично – он опасался, что использование сверхмалых доз красителя приведет к тому, что нуклеотидные участки будут неразличимы. Однако, превосходно разбираясь в лазерных технологиях, он вскоре нашел выход из положения, используя специальные флюорохромные красители, которые флуоресцируют под действием лазерного излучения.