Юный техник, 2013 № 05

Как уже сказано, все операции с ДНК проводят с помощью химических реакций. Для того чтобы разделить ДНК на фрагменты, например, используют метод «обрыва цепи», разработанный британским биохимиком Фредериком Сенгером в 1977 году, единственным в своем роде ученым, которому Нобелевская премия по химии доставалась дважды — в 1958 и в 1980 годах.

По методике Сенгера цепь ДНК химически делится на участки по 17–20 звеньев. При этом каждый кусочек снабжается специальным «замком-липучкой», позволяющим ему при необходимости снова прилипать к общей цепи. Причем не где попало, а там, где надо экспериментаторам.

Такой участок представляет собой как бы слово, состоящее из отдельных «букв»-нуклеотидов. Сами участки по желанию ученых могут быть «рассыпаны» на отдельные «буквы», а затем собраны в новое слово с добавлением новых букв. Скажем, было слово «молоко», а получилось «локомотив» — буквы почти все те же, а слово совершенно иное.

Причем если, например, в русском алфавите свыше трех десятков букв, то биохимики ухитряются записывать свои послания всего четырьмя «буквами» — азотистыми основаниями или нуклеотидами, в число которых входят аденин, гуанин, тимин и цитозин — сокращенно А, Г, Т, Ц.

Как это может быть? Вспомним хотя бы азбуку Морзе — в ней для кодирования любой буквы обходятся лишь двумя знаками — точкой и тире. «Азбука жизни», конечно, сложнее «морзянки». Но мы с вами не можем слишком глубоко вдаваться в подробности, поскольку для их описания не хватит годовой подписки журнала. Скажем лишь, что для того, чтобы знать, где в растворе какое «слово», кусочки ДНК поначалу помечали радиоактивными метками. А собирали вновь с помощью так называемого праймера — своего рода затравки, к которой прилипают последующие фрагменты.

В более современном варианте нуклеотиды-буквы помечают не радиацией, как раньше, а четырьмя разными флуоресцентными красителями. В случае же недостатка какой-либо из букв проводят ее размножение при помощи полимеразной цепной реакции (ПЦР). А воздействуя на отдельные нуклеотиды электрическим полем, их распределяют в нужном экспериментаторам порядке…

В общем, как видите, премудростей в этом деле предостаточно, не случайно многие участники исследований были награждены всевозможными престижными премиями. Скажем, американец Кэрри Муллис, сумевший изобрести в 1983 году реакцию ПЦР, через 8 лет получил за нее высочайшую награду в мире науки, носящую имя Нобеля.

Схема конвертации данных (сонета Шекспира) в ДНК-массив: а — двоичный код; b — троичный код; с — ДНК-код; d — дублированные фрагменты ДНК с шаговым смещением 25 бит (желтым отмечены участки ДНК с адресными метками).

Исследователи подвигались шаг за шагом. Например, в 1986 году «механизм» полимеразной цепной реакции был существенно улучшен, поскольку удалось использовать ДНК-полимеразы из бактерий, не боящихся высоких температур, при которых идут некоторые реакции.

Правда, при этом выяснилось, что одна из первых термостабильных ДНК-полимераз, которая была выделена из бактерий Thermus aquaticus, оказалась склонна к ошибкам в правописании ДНК-слов. Так что пришлось еще придумывать, как обнаруживать и исправлять ошибки…

За прошедшие десятилетия биохимики немало потрудились, совершенствуя методики и аппаратуру для работы с ДНК-молекулами. Сегодня они уже умеют считывать последовательности белков без специальных реагентов. Для этого цепочку ДНК затягивают с помощью электрического поля в нанопору — «пещеру» с лазом около 1 нм в диаметре. И пока фрагмент ДНК пробирается через пещеру, чувствительный вольтметр фиксирует изменение напряжения, а по «электрическому портрету» ученые способны описать молекулярную структуру цепи.

Чтобы исключить ошибки

Итак, сотрудники Европейского института биоинформатики, о которых сказано в начале статьи, научились синтезировать «слова-фрагменты» ДНК и практически безошибочно эти слова прочитывать. Они синтезировали пять файлов, содержащих полное собрание сонетов Шекспира в формате ASCII, статью первооткрывателей структуры ДНК Джеймса Уотсона и Френсиса Крика «Молекулярная структура нуклеиновых кислот» в формате PDF, цветное фото здания их лаборатории, 26-секундный МРЗ-файл с фрагментом речи Мартина Лютера Кинга «У меня есть мечта», а также файл с так называемым алгоритмом Хаффмана, который использовался для конвертации бинарных файлов в вид, удобный для представления данных через последовательность азотистых оснований ДНК. При этом общий объем полезных данных, записанных и считанных с ДНК, составил 5,2 мегабита.

Исходную информацию переслали коллегам в США.