Золото, пуля, спасительный яд

Природа это делать умеет, удвоение ДНК происходит при каждом делении клетки. Процесс этот очень сложный, выше я описал лишь вершину айсберга, на самом деле в репликации ДНК помимо хеликазы и ДНК-полимеразы участвует множество других ферментов и белков, и нет никакой надежды на то, что нам удастся заставить их работать в пробирке так же слаженно, как в живой клетке. И тем не менее приведенных мною сведений более чем достаточно для осуществления этого процесса. Напомню главный момент: для начала работы ДНК-полимеразе необходима затравка, называемая праймером. В клетке праймеры синтезирует специальная молекулярная машина, а у нас для этого есть автоматический синтезатор.

Итак, для разъединения цепей нам не нужна никакая хеликаза, для этого достаточно просто нагреть водный раствор почти до кипения. Затем добавим в раствор праймеры, соответствующие концевым участкам обеих цепей[41], и начнем охлаждать раствор. В отсутствие праймеров цепи бы вновь соединились, но праймеров мы добавили много, они первыми успевают к концам цепей и прочно связываются с ними. Затем мы охлаждаем раствор до температуры, при которой хорошо работает ДНК-полимераза, добавляем ее в раствор вместе с набором нуклеотидов, и фермент немедленно начинает пристраивать их к праймеру, наращивая комплементарную цепь ДНК. В результате мы получим две точные копии исходной молекулы ДНК. А затем мы вновь нагреем этот раствор почти до кипения…

Так начинается своеобразный цепной процесс с удвоением количества молекул ДНК в каждом цикле, так называемое амплифицирование ДНК. Нетрудно подсчитать, что за 25 циклов образуется около 30 миллионов копий – количество, более чем достаточное как для анализа рутинными методами, так и для последующих превращений. Продолжительность цикла зависит, естественно, от длины молекулы ДНК. В основном копируют фрагменты длиной до 3000 пар нуклеотидов, на проведение одного цикла требуется 1–3 минуты. Но возможно копирование молекул ДНК с длиной до 40 тысяч пар нуклеотидов.

Для практических нужд чрезвычайно важно, что ПЦР позволяет скопировать определенный фрагмент молекулы ДНК. Праймеры при этом выполняют роль колышков, которые мы вбиваем в молекулу ДНК, говоря ДНК-полимеразе: строй от сих до сих. Таким образом, нет необходимости разрезать молекулу ДНК на части и выделять требуемый ген, можно его скопировать и размножить напрямую.

Теперь о человеке, который все это придумал. Зовут его Кари Маллис. Родился он в 1944 году в небольшом городке в штате Северная Каролина, с детства интересовался математикой, физикой и химией (в основном взрывчатыми веществами), образование получил химическое, увлекаясь тем же, чем и все студенты того времени, – ЛСД и все такое прочее. После окончания университета не много позанимался бизнесом, в 1972 получил степень Ph.D. по биохимии в Университете Калифорнии в Беркли, будучи аспирантом, увлекся астрофизикой и опубликовал статью с амбициозным названием “Космологические последствия обращения времени” в журнале “Nature”, ни много ни мало. После защиты диссертации бросил науку ради сочинительства романов, два года управлял пекарней, в 1979 году устроился работать химиком-синтетиком в небольшую биотехнологическую компанию “Cetus” в Калифорнии. Дважды разведен, трое детей. С точки зрения любого нормального человека – полный неудачник.Сам он так, естественно, не считал и продолжал размышлять над великими вопросами. И вот однажды весной 1983 года, в пятницу вечером, возвращаясь с работы, он задался тем же вопросом, что и мы: как размножить ДНК? Ответ пришел в виде озарения. Как рассказывал сам Маллис, он был потрясен красотой идеи, он даже остановился у придорожного киоска, купил бумагу и ручку и стал подсчитывать, сколько же в придуманной им реакции получается ДНК. Числа вы уже знаете, они большие. Весь уик-энд Маллис промучился сомнениями. Идея была хоть и красивой, но очень простой, она была суммой нескольких общеизвестных фактов, казалось невероятным, чтобы кто-то уже не попробовал ее реализовать. В понедельник ни свет ни заря Маллис поехал на работу, чего с ним отродясь не случалось, и все ради того, чтобы покопаться в библиотеке и убедиться в том, что ничего подобного в научной литературе нет.Идея была проста, но претворить ее в жизнь оказалось непросто – первую успешную реакцию ПЦР Маллис осуществил только по прошествии нескольких месяцев. На окончательную отработку методики ушло еще три года. Дело в том, что в описанной мною схеме есть существенный изъян, который вы, возможно, заметили. В начале каждого цикла водный раствор нагревают почти до кипения, ДНК-полимераза такого не выдерживает и денатурирует. Так что Маллису приходилось каждый раз добавлять после охлаждения свежую ДНК-полимеразу, а это лишний расход дорогого фермента и дополнительное загрязнение раствора. И тут Маллис обратил внимание на класс термостабильных ДНК-полимераз, выделенных незадолго до этого из бактерий Thermus aquaticus , обитающих, как понятно из названия, в горячих водах термальных источников.