Краткая история науки

Только благодаря тому, что ученые в лабораториях по всему миру совместно работают над Проектом генома человека. Огромный амбициозный замысел подсчитать наши гены, используя последовательность ДНК, и ответить на все остающиеся вопросы замаячил впереди после того, как Крик и Уотсон открыли структуру ДНК. «Последовательность» в данном случае обозначает позицию в хромосоме каждой из трех миллионов базовых пар молекул, из которых составлен наш геном.

Это колоссальное количество молекул аденина и тимина, цитозина и гуанина, вплетенных в двойную спираль, находящуюся в ядре каждой из наших клеток.

Если открытие ДНК дало нам «секрет жизни», то Проект генома человека позволяет нам прочесть «книгу жизни». Узнать, каков этот геном, за что отвечает каждый ген, от цвета волос до формы пальца на ноге. А также о многих вещах, которые не так легко увидеть: Инструкции для единственной оплодотворенной клетки разделиться на две, потом на четыре и затем продолжать, пока не получится сформированный ребенок в матке. О контроле биологических программ в клетках, которые производят протеины вроде того же инсулина, чтобы регулировать уровень сахара в крови. Об управлении программами для химикалий в мозгу, переносящих послания от одного нерва к другому.

Проект генома человека стартовал в 1990 году, и предполагалось, что он будет завершен в 2005-м. Но пятью годами ранее, 26 июня 2000 года случилась необычная вещь, настоящий научный спектакль. Под громкие фанфары, в лучах телевизионных камер президент США и премьер-министр Великобритании объявили, что первый набросок проекта завершен. Политиков в этот момент сопровождали ученые, собственно делавшие работу, но присутствие мировых лидеров показывало, насколько большое значение придается геному человека.

Понадобилось еще три года (до 2003-го), чтобы создать новую, лучшую версию этой книги жизни, заполнить особенно большие бреши и исправить ошибки. И даже в этом случае удалось завершить дело на два года раньше, большей частью потому, что методы и технологии стремительно эволюционировали, особенно все, связанное с компьютерами.

Проект генома человека был бы невозможен без десятилетий исследований, последовавших за открытием ДНК. После прорыва Крика и Уотсона в 1953-м самой важной вещью стало «клонировать» нити ДНК, получить больше копий той части молекулы, которую вы хотели изучать. В 1960-х молекулярные биологи обнаружили, что это можно сделать с помощью энзимов и бактерий.

Энзимы – это протеины, которые в зависимости от их индивидуальной структуры могут делать великое множество вещей. В опытах их применяли для выполнения естественной энзимной задачи: разрезать ДНК на маленькие кусочки.

Затем эти кусочки особым образом помещали внутрь бактерий.

Бактерии размножаются очень быстро, и по мере того, как модифицированная бактерия создает свои копии, она создает и копии вставленной в нее секции ДНК. Эти копии, или клоны, затем можно преспокойно извлечь и использовать для дальнейших исследований. Процесс вызвал немалое воодушевление, но это оказалось только начало.

Целые клетки могут быть клонированы точно так же, как и кусочки ДНК, овца Долли оказалась первым млекопитающим, клонированным с помощью клетки взрослого животного (она появилась на свет в 1996-м и умерла 2003-м). Техники клонирования продолжают развиваться, и по сей день остаются одной из передовых областей молекулярной биологии.

После того как ученые получили большое количество «отрезков» ДНК для экспериментов, они взялись за проблему последовательности ДНК, попытались раскрыть порядок базовых пар в молекуле. Этой работой занялся молекулярный биолог из Кембриджа (Англия) Фредерик Сенгер (1918–2013). Он уже получал Нобелевскую премию в 1958 году за открытие порядка аминокислот инсулина.

Одно из важнейших отличий между аминокислотами и ДНК состоит в том, что молекула ДНК намного длиннее и в ней находится намного большее число базовых пар, чем аминокислот в протеинах. И в то же время аминокислоты менее похожи одна на другую, а базы ДНК большей частью напоминают друг друга, и это усложняет задачу их сортировки.

Базируясь на собственных ранних работах и на трудах коллег. Сенгер нашел способ маркировать короткие отрезки ДНК с помощью радиоактивных меток, химикалий и энзимов. Он адаптировал различные биохимические техники, дабы разделять аденин, тимин, цитозин и гуанин. Чтобы добиться этого, английский ученый использовал тот факт, что как химические соединения они имеют немного отличные химические и физические свойства.

Наилучшие результаты были получены с помощью процесса, именуемого электрофорезом.

Чтобы убедиться, что результаты верные. Сенгер и его коллеги изготовили каждый образец нити несколько раз и сравнили результаты. Это был очень затратный с точки зрения времени, повторяющийся и скучный процесс. Но используя множество коротких отрезков длинной молекулы, отмечая места, где они начинаются и заканчиваются, ученые смогли подобрать пряди и произвести читабельную последовательность ДНК.