Загадки генетики Феномен жизни
Как ни трудно признаться, но все мы пришли в этот мир с одной целью – передать свою ДНК последующим поколениям. Иного смысла в существовании живых организмов на планет нет. Неприятно, конечно, осознавать, что тело каждого из нас является лишь живой оболочкой, под которой и заключена ДНК. А вот разницы в смысле жизни между человеком и ничтожной бактерией нет никакой.
Человечество уже много тысячелетий блуждает во тьме и пытается докопаться до смысла жизни. Для этого были созданы различные культуры, религии, музыка, поэзия, живопись. Но всё это никак не связано с генами и белками. То есть получается, что феномен жизни не имеет никакого отношения к разуму и душе.
Однако следует заметить, что именно человеческое тело является одной из самых лучших упаковок, в которой 2-цепочечня молекула размножается наиболее комфортно. Само же 2-цепочечное строение считается наиболее оптимальным для быстрого размножения.
Да и действительно, если мы разведём 2 цепи ДНК, а затем синтезируем комплементарные цепи на каждой из них, то в результате получим 2 дочерние молекулы, которые будут абсолютно идентичны материнской молекуле. Далее мы можем повторить то же самое действие с 2-мя дочерними молекулами. В этом случае мы уже получим 4 внучатые молекулы. И так до бесконечности. Данный процесс, приводящий к экспоненциальному увеличению числа особей, называют цепной реакцией.
Цепная реакция ДНК
Вначале цепную реакцию относили к важнейшему классу химических реакций. Этот процесс был открыт и теоретически обоснован в 30-е годы XX столетия. Открытие оказалось чрезвычайно важным для науки. На это указывает хотя бы то, что открывшему химические цепные реакции Н. Н. Семёнову в 1956 году присудили Нобелевскую премию по химии.
Благодаря цепной реакции, люди смогли объяснить такое явление как тепловой взрыв. Она оказалось тем фундаментом, на котором впоследствии спроектировали атомную бомбу и ядерные реакторы.
А что же молекула ДНК? В ней цепная реакция протекает точно также, как и в ядерном реакторе, то есть в контролируемом режиме. Иными словами, просматривается полная аналогия. А раз таковая наблюдается, то цепную реакцию ДНК можно осуществить и в пробирке. Для этого нужно только расплавить молекулу, то есть разделить её комплементарные цепи посредством нагревания.
Синтез праймеров ДНК к 80-м годам XX века стал обычным делом. Сам праймер – это короткий кусочек однонитевой ДНК или РНК. Служит он в качестве затравки при работе ревертаз и ДНК-полимераз. Ревертаза представляет собой фермент, ведущий синтез ДНК по матрице РНК. Называется такой процесс обратной транскрипцией. А ДНК-полимераза тоже фермент. Он ведёт синтез ДНК по матрице ДНК.
В чём же заключается суть ПЦР – полимеразной цепной реакции, используемой для размножения молекулы ДНК в пробирке? Вначале выбирается ДНК-мишень для размножения. При этом необходимо знать концевые последовательности выбранной мишени. После этого синтезируются 2 праймера.
Один из них комплементарен нижней цепи молекулы на левом конце мишени. Второй комплементарен верхней цепи на правом конце мишени. Образец нагревается до плавления мишени. При этом комплементарные цепи разъединяются. Следующий этап заключается в охлаждении образца. Этот процесс осуществляется для того, чтобы получить 2 субстрата, которые будут участвовать в реакции удлинения праймера.
К субстратам добавляется ДНК-полимераза. Она приводит к удлинению 2-х праймеров навстречу друг другу. Так появляются 2 дочерние молекулы. Они лишь частично состоят из 2-х цепочек, а всё остальное – это длинные 1-цепочечные хвосты. Последующие циклы нагревания – охлаждения – добавления полимеразы приводят к синтезу новых молекул, у которых участок-мишень 2-цепочечный.
Но ДНК-полимеразу нужно добавлять в каждый цикл. А вот Taq ДНК-полимераза позволяет проводить ПЦР в автоматизированном режиме. Данную полимеразу выделили из термофильных бактерий, живущих только в горячих источниках Камчатки. Она выдерживает температуру нагревания равную 94 градусам по Цельсию.
В настоящее время ПЦР проводят при помощи термоциклёра. В пробирке смешивают ДНК-мишень, четыре дНТФ (мономерный предшественник для синтеза ДНК при помощи ДНК-полимеразы) и Taq-полимеразу. Затем пробирка помещается в термоциклёр.
Последний программируется по следующей схеме: вначале идёт нагрев до 94 градусов по Цельсию, затем выдерживание в течение 1 минуты и понижение температуры до 60 градусов по Цельсию. Опять выдерживание в течение 1 минуты. При этом праймеры связываются с комплементарными участками мишени. Следующий этап заключается в нагреве до 72 градусов по Цельсию и выдерживания в течение минуты, во время которой происходит реакция удлинения праймера. На этом цикл заканчивается, и термоциклёр начинает новый цикл по той же самой схеме. И так может продолжаться до бесконечности.
Тут необходимо сказать, что в отличии от живой природы, где размножение линейных молекул ДНК связано с различными проблемами, в случае ПЦР проблем концов никогда не возникает. Объясняется это тем, что используется синтетический праймер ДНК, а не праймер РНК, как при репликации молекулы в клетке. ПЦР изобрёл Кари Мулис. За это в 1993 году он получил Нобелевскую премию по химии.
Надо отметить, что полимеразная цепная реакция работает просто потрясающе. Данный метод оказался просто незаменимым в разнообразных биотехнологических приложениях. Если феномен жизни заключается в цепной реакции ДНК, то тогда никакого секрета в смысле существования уже нет. Следует также заметить, что в наше время набирает обороты искусственная жизнь. Она процветает в тысячах ПЦР-машинах, установленных в лабораториях по всему миру.
Вячеслав Маркин
