Компьютерра - Журнал «Компьютерра» № 9 от 7 марта 2006 года

Наука: Набор инструментов генного инженера

Автор: Илья Кельмансон

Продукты высоких технологий — постоянная тема публикаций «Компьютерры», однако чаще всего речь в них идет о микросхемах, новейших устройствах хранения и обработки данных, визуализации и тому подобных вещах, которые постепенно становятся все более привычными, утрачивая неповторимый флёр новизны… Другое дело — изделия размером с молекулу. Собственно, это и есть молекулы, но — одновременно — сконструированные нами устройства, способные выполнять сложнейшие действия. О, это совсем не избитая тема!.. Вот где сегодня пролегает передний край «битвы за высокие технологии».

Впрочем, надо признать, что разнообразные технологические операции над отдельными молекулами еще долго были бы нам недоступны, если б в природе не существовал большой ассортимент сконструированного — увы, не нами — уникального и высокопроизводительного «технологического оборудования» — молекул, обладающих свойствами определенным образом химически связывать друг с другом те или иные вещества, разрезать в заданных местах и вновь «сшивать» молекулы ДНК, распознавать заданные конфигурации белков, маркировать и отбраковывать молекулы, «изготовленные» с отступлениями от «чертежа», и выполнять множество других операций.

Изучение «конструкции» и принципа действия этих молекулярных «станков» рано или поздно позволит нам научиться проектировать и изготавливать их.

Не нужно быть специалистом в области хайтека, чтобы понимать — массовый выпуск дешевых нанотехнологических изделий не наладишь с помощью атомно-силовых микроскопов (АСМ). Чтобы сравнение было более наглядным, скажу так: когда-то на смену паяльникам пришли микроэлектронные технологические комплексы. Современные АСМ — наш «передний край» — не более чем «паяльники», на смену которым непременно придут высокопроизводительные автоматические «молекулы-станки» наподобие тех, о которых рассказывает в своей статье Илья Кельмансон, взяв в качестве примера профессионально близкую ему генную инженерию.

Рассказ о работе удивительных молекул, ставших инструментами генных инженеров, будет гораздо понятнее, если рассмотреть какую-нибудь занятную технологическую задачу. Например, поставить перед собой цель создать трансгенную светящуюся мышь. В хозяйстве она вряд ли пригодится, зато у ваших соседей наверняка такой не окажется.

Припомним теорию: вся информация об устройстве нашего организма записана в длиннющих молекулах ДНК, которые состоят из четырех типов нуклеотидов (назовем их A, T, G и C), последовательно соединенных друг с другом. Каждая клетка организма содержит полный набор ДНК — так называемый геном.

Каждый ген кодирует один белок. Белки тоже являются полимерными молекулами, но в отличие от ДНК они построены не из нуклеотидов, а из двадцати типов аминокислот. Три последовательно соединенных нуклеотида ДНК однозначно кодируют одну аминокислоту белка: например, триплет A-T-G кодирует одну и ту же аминокислоту как у человека, так и у какой-нибудь бактерии. Благодаря такой унифицированности мы можем переносить гены из одного живого существа в другое.

В принципе, любую последовательность нуклеотидов можно синтезировать химически. Однако мы пока не можем сами придумать ген, определяющий нужные нам свойства. Зато мы можем попытаться найти живое существо, обладающее такими свойствами (в нашем случае — способность к флуоресценции), и выделить нужный ген из него. Для этих целей выберем морские кораллы. Обычно их окраска флуоресцентная: если в темноте посветить на живой коралловый риф синей лампочкой (например, из детектора валюты), он засияет всеми цветами радуги. Это светятся так называемые GFP-подобные белки, содержащиеся в кораллах, — среди них есть голубые, зеленые, желтые и красные. Наша задача заключается в выделении из коралла и подготовке к внедрению в мышь гена, кодирующего зеленый флуоресцентный белок.

Для начала необходимо раздобыть живой коралл, убедиться, что под ультрафиолетовой лампой он светится (то есть содержит нужный нам белок), и выделить из него РНК. Как правило, поиск нового гена начинается именно с РНК — она не содержит ненужных нам некодирующих белок участков. Однако в работе с РНК есть свои сложности: в частности, она быстро разрушается специальными ферментами, обильно выделяемыми нашим организмом для защиты от вирусов. Поэтому заранее поставим одноразовые пластиковые пробирки на лед (при низкой температуре ферменты работают хуже) и наденем резиновые перчатки. Кроме пробирок нам понадобятся настольная центрифуга, несколько автоматических пипеток с одноразовыми наконечниками и набор реактивов для выделения РНК.

Аккуратно отщипываем от коралла маленький (чуть больше спичечной головки) кусочек ткани и помещаем в пробирку. В нее же наливаем реагент для разрушения ткани и начинаем теребить кусочек коралла пипеткой. Все надо делать быстро, иначе РНК успеет развалиться. Когда большая часть ткани растворится, начинаем крутить пробирку в центрифуге. Осадок трогать не станем, отберем только жидкость и перенесем ее в другую пробирку.

Теперь мы имеем раствор, в котором содержатся белки, ДНК, РНК и масса других компонентов. Из всей этой смеси нам нужна только РНК. Для разделения (фракционирования) разных классов биологических молекул используется, как правило, изменение их растворимости — например, если добавить в наш раствор спирта и немного соли, большая часть ДНК и РНК выпадут в осадок. Еще раз «прокрутив» пробирку на центрифуге и удалив жидкость, мы получим обогащенный РНК образец. Эту процедуру придется повторять несколько раз, добавляя в смесь разные вещества; в итоге мы избавимся от большинства примесей и получим относительно чистый раствор молекул РНК, часть которых, как мы надеемся, кодирует нужный нам белок.

Для дальнейшей работы уже недостаточно физико-химических методов. Тонкие операции с биологическими молекулами мы будем проводить, используя инструментарий, позаимствованный у природы, а именно ферменты.

В молекулярной биологии применяется множество ферментов, выделенных из разных организмов, — если их поместить в подходящий по составу солевой раствор и добавить все необходимые для реакции компоненты, ферменты заработают в пробирке так же, как и внутри клетки. Выделять нужные ферменты нам не придется, все они продаются специализированными компаниями.

Теперь на основе каждой молекулы РНК мы должны синтезировать соответствующую ей (комплиментарную) молекулу ДНК (кДНК). ДНК более стабильна, а главное, для работы с нею существует гораздо больше методов. Правда, большинство живых существ не умеет строить ДНК по РНК (наоборот, ДНК является матрицей, с которой обычно синтезируется РНК), однако из этого правила есть исключения. Так называемые ретровирусы (к ним относится, например, ВИЧ — вирус, вызывающий СПИД) почему-то выбрали именно РНК для хранения своей наследственной информации. Для размножения ретровирус должен встроить свои гены в геном жертвы, поэтому с вирусной РНК должна сперва считаться ДНК-копия. Такая реакция называется обратной транскрипцией. Ретровирусы «изобрели» для нее специальный фермент, ревертазу, чем сильно поспособствовали прогрессу молекулярной биологии.

Для работы ревертазе требуется так называемая затравка — короткий фрагмент ДНК, заранее прикрепленный к молекуле РНК. Когда ревертаза натыкается на затравку, она «садится» на РНК и ползет по ней в направлении от конца к началу молекулы. При этом ревертаза захватывает из раствора отдельные нуклеотиды и присоединяет их к затравке, тем самым удлиняя цепочку ДНК. РНК при этом играет роль матрицы.

Синтез кДНК мы проведем с помощью набора реактивов SMART, выпускаемого фирмой Clontech (США). Кроме ревертазы и солевого буфера, в котором этот фермент работает, в набор входят также два коротких (длиной около пятидесяти нуклеотидов) фрагмента одноцепочечной ДНК — праймеры. Каждая цепочка синтезированной нами кДНК будет начинаться с одного из этих праймеров и заканчиваться последовательностью нуклеотидов второго праймера. Для чего это нужно, мы скоро узнаем.

У животных все молекулы РНК, кодирующие белок (есть и другие, но сейчас нам это не важно), заканчиваются несколькими десятками идущих подряд нуклеотидов А (поли-А). Благодаря этому мы можем использовать в качестве затравки первый праймер, содержащий комплиментарную последовательность, поли-Т. Присоединяя нуклеотиды к праймеру поли-Т, ревертаза ползет по РНК, синтезируя ее ДНК-копию. Когда ревертаза доходит до самого начала молекулы РНК, происходит еще одно важное для нас событие. Разогнавшийся фермент не останавливается сразу, а достраивает еще три лишних нуклеотида С. Тут в игру вступает второй праймер, до сих пор свободно плававший в растворе. К его концу химически присоединен маленький кусочек РНК, состоящий всего из трех нуклеотидов, G-G-G. Этими нуклеотидами он «прилипает» к свешивающейся с только что синтезированной ДНК последовательности C-C-C, как бы продолжая собой цепочку РНК. Обманутая ревертаза обнаруживает, что матрица еще не кончилась, и достраивает на конце молекулы ДНК последовательность, комплиментарную «прилипшему» праймеру.