Школа юного биохимика и микробиолога. Научные истории о развитии молекулярной генетики

Исторический экскурс в развитие любой науки позволяет легче понять ее достижения. Я расскажу вам как на протяжении 100 лет от момента открытия нуклеиновых кислот до современных возможностей технологий генной инженерии развивалась молекулярная генетика и почему 20-й век назвали веком ДНК.

Давным-давно, в конце 19 века, в немецком городе Тюбинген жил химик по имени Фридрих Мишер... Его интересовало содержимое клеток, и очень хотелось изучить их химический состав. Это сейчас ученые пишут гранты, собирают образцы... А раньше, чтобы сделать интересный эксперимент, в ход шел тот материал, который был под рукой. И Фридрих начал с изучения гноя, который он собирал с грязных бинтов из больнице рядом с его лабораторией. Путем относительно простой химической реакции, он выделил желтовато-белесое вещество, которое он назвал нуклеин, а также установил, что вещество это по природе является кислотой и содержит массу фосфора. В последствии он провел массу времени выделяя нуклеин из всевозможных клеток и отмечая, что это вещество постоянно присутствует в клетках животных.

Далее с нуклеином забавлялись лет 50. Выяснили, что кроме 4 типов азотистых оснований и фосфора, он так же состоит из сахаров, пентоз. Оказалось, есть два типа нуклеина: в состав одного входит рибоза, а другого - дезоксирибоза. Со временем, эти два разных типа нуклеина окрестили ДНК и РНК. Еще в 50-х, ученые считали что ДНК свойственна только клеткам животным, а вот клетки грибов и растений содержат в основном РНК. В те стародавние времена, ДНК выделяли ведрами. Например, 54 кг вилочковой железы телят мололи в 52х литрах физраствора, отделяли ДНК 200 л метанола и получили, в результате, 1,7 кг ДНК!! В современной лаборатории, ученые иногда бьются годами чтобы выделить 0,01 г ДНК из доступных образцов. А тогда все было проще: пошел к мяснику, купил корову, мясо съел, а из требухи навыделял ДНК. Эх, какие были времена!

Также мы с вами постараемся понять, как ученые додумались до того, что ДНК является носителем генетической информации. Среди этих ученых был и дедушка Мендель, и другие ученые мужи. Доэкспериментировались они до того, что поняли что именно ДНК передаются от родителя потомкам, и именно в ней лежит генетическая информация. Так родилась наука Генетика.

Но на этом дело не кончилось, т.к. господа по имени Френсис Крик, Джеймс Уотсон и Морис Уилкинс (а также забытая на многие годы лабораторный инженер Розалинда Франклин, которая, собственно, и делала все эксперименты), расшифровали наконец структуру ДНК в 50-х годах 20 века. За это всем, кроме Розалинд дали Нобельскую премию в 1962. Увы, она умерла за четыре года до этого.

Структуру ДНК расшифровали и это стало рождением науки Молекулярная биология. А что делать дальше? Надо узнавать как вся эта информация записана в молекуле. Расшифровывать белки и раскладывать их на составляющие кирпичики, в 60-х уже умели. И РНК открыли. РНК тоже нуклеиновая кислота, однако, у нее и сахар другой, и Урацил вместо Тимина, и цепочка всего одна. Работать с ней было проще: молекулы коротенькие и никаких двойных спиралей. Вот с нее и начали. Нашли, как считывать ее структуру, одну букву за раз. Делали это хитро, разными типами очистки и разделения. А с ДНК возились долго, почти 20 лет. Группа Фрэда Сангера решила, чтобы не работать с километровыми ниточками ДНК за раз, их надо порезать. Вот они чисто механически, рвали длинные молекулы ультразвуком на кусочки из 100-500 букв. К тому времени уже, благодаря Кэри Муллису, знали как размножить ДНК и какие биохимические реакции этим заправляют. Вкратце, сливаем в пробирку саму ДНК, затравку, А, Г, Т и Ц, и хитрый белок, который складывает ДНК (ДНК-полимераза), ну и чуток магния (чтоб поднять полимеразе настроения). Только вместо хороших А, Г, Т и Ц, Сангер и коллеги подмешали немного букв дефектных. Если у сахара, который сидит на буквах, отрезать парочку атомов, то полимераза обидится и дальше складывать ДНК не будет.

Опять, имеем 4 пробирки. В одной примешан бракованный А, в другой Г, и.т.д.. В результате опять получаем супчик, где полимераза останавливалась там, где ей попадалась дефектная буква. И опять делаем гель-электрофорез, читаем по принципу от коротких к длинным. Позже к каждой букве подвесили флуорофор. А стал зеленым, Г - черным, Ц - синим, а Т - красным. Когда буковки встраиваются в ДНК, они выкидывают свой цветной флажок. Эти цветовые сигналы записывает компьютер и переводит флажковую шифровку в буквы. Уже к концу 90-х стало ясно, что расшифровку отдельных кусочков надо поставить на потоковое производство, поэтому аппараты для секвенирования постоянно усовершенствовались. Для сравнения: расшифровка генома дрожжей заняла 20 лет. 72 лаборатории сотрудничали в проекте, сотни часов биологов, химиков, инженеров и программистов. Сейчас же, в феврале 2021, секвенировать 1 дрожжевой геном можно за минуту...

Это далеко не все научные и абсолютно правдивые истории о развитии науки молекулярная генетика, потому что история эта продолжается и сейчас.