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
Их описали несколько групп исследователей, в том числе советский биохимик Алексей Каледин в 1980 году [26] . Эти полимеразы выдерживали кипячение в водном растворе и работали при 70 °С. Так ПЦР обрела законченный вид.
Еще сложнее оказалось убедить научное сообщество в значимости новой реакции. Руководство и сотрудники родной фирмы отнеслись поначалу к идее Маллиса без энтузиазма. Журналы “Science” и “Nature” (на меньшее Маллис был не согласен) его статью отклонили со стандартной отговоркой: статья узкоспециальная, а они публикуют только статьи, имеющие общенаучное значение.
А по прошествии пары лет Маллису пришлось доказывать, наоборот, что это он придумал реакцию ПЦР. Пока он доводил свою методику до уровня Nature, руководство компании, оценившее наконец значимость ПЦР, поручило двум сотрудникам разработать диагностические тесты на ее основе. Их статья в “Science” вышла раньше статьи Маллиса в “Nature”. И тут же встрепенулись другие ученые. У победы много отцов, со всех сторон стали доноситься голоса ученых, утверждавших, что это они открыли ПЦР. Задним числом реакция выглядела тривиальной, основанной на общеизвестных фактах, вот людям и казалось, что они все этого уже делали.
В пользу Маллиса говорил патент, где он был единственным автором. С патентом вышла такая история. Так как Маллис выполнял исследования в рабочее время на оборудовании фирмы, то и патент был собственностью фирмы. За свою работу Маллис получил премию в десять тысяч долларов, а по прошествии нескольких лет компания “Cetus” продала этот патент за триста миллионов долларов.
Впрочем, Маллиса в компании тогда уже не было, он покинул ее сразу после того, как довел до ума реакцию ПЦР. Он занимался разного рода бизнесом до 1993 года, когда ему присудили Нобелевскую премию по химии. С тех пор он полностью отдался виндсерфингу и писательству, счастливо женился, да еще периодически эпатирует общественность заявлениями о том, что американцы на Луне не были, а знаменитые кадры сняты в Голливуде, что нет и СПИДа как болезни, вызываемой вирусом ВИЧ, что изменение климата из-за техногенных выбросов углекислого газа и озоновые дыры – это все выдумки политиков, экологов и ученых, стремящихся нагреть на этом руки. Его за это клеймят сумасшедшим. Так ли это, вам судить. Но внешность у него характерная – настоящий изобретатель, с сумасшедшинкой в глазах.
Вернемся ненадолго к самому методу. Почему ПЦР относят к крупнейшим достижениям
В сущности, мы имеем химический реактор, в котором находятся исходные вещества и молекулярная машина. Мы вносим в реактор одну молекулу образца, шаблона, затравки, называйте как угодно, и машина начинает сборку его точных химических копий. Что внесем, то и получим. Эх, распространить бы эту реакцию на всю химию. Да и вообще. Наша извечная беда: единичный экземпляр какого-нибудь устройства мы сделаем, и он будет лучшим в мире, но вот наладить его серийное производство – выше наших сил. Изобрести бы на этот случай какую-нибудь специальную машинку, вроде нанояпонца.
Метод ПЦР удивительно легко автоматизируется. Первые автоматические устройства поступили в продажу в начале 1990-х годов – пример рекордно быстрой промышленной реализации научно-технической разработки. В настоящее время ДНК-амплификатор – довольно рутинный прибор, которым оснащены все хорошие медицинские диагностические центры. Он немногим больше лазерного принтера, в нем можно одновременно осуществлять несколько десятков различных реакций ПЦР в маленьких пластиковых пробирках.
Поражает простота осуществления ПЦР. Не требуется никаких предварительных операций выделения или очистки исходной ДНК, иногда берут просто содержащий ее материал – каплю мочи, слюны, крови, кусочек ткани или кости. ПЦР- амплифицирование во многие тысячи раз упростило, ускорило и удешевило процесс выделения специфического фрагмента ДНК, например, какого-то гена. То, что раньше достигалось многомесячным трудом коллектива высокопрофессиональных специалистов, ныне осуществляет один работник со специальной подготовкой за один рабочий день.
За 25 лет, прошедшие с момента открытия ПЦР, были разработаны как множество ее вариантов, так и многочисленные ее применения в биологии, биотехнологии, медицине, криминалистике, популяционных исследованиях. В сущности, все эти области немыслимы сегодня без использования полимеразной цепной реакции. И неслучайно говорят, что история их развития четко разделяется на два периода: до открытия ПЦР и после.
Я рассказал лишь о двух направлениях практического использования исследований ДНК. Напомню еще о биочипах, описанных во второй главе. Их получают, прививая к поверхности носителя короткие (6–20 звеньев) олигонуклеотиды, а принцип действия основан на комплементарном связывании с фрагментами ДНК. Есть еще генетически модифицированные растения и животные. К ним можно относиться по-разному, но никуда не деться от факта, что это наше будущее, а если быть совсем точным, то уже настоящее. Есть множество и других применений, включая гипотетические ДНК-компьютеры.
В основе всего лежит манипулирование ДНК – нанообъектом – с помощью молекулярных машин, имеющих наноразмеры. Это не просто нанотехнологии, это нанотехнологии в квадрате.
Помню, как я пытался весной 2008 года убедить в этом ученых подмосковного Пущино, центра отечественной молекулярной биологии, на научном кафе, посвященном нанотехнологиям. Не убедил. Они так и остались при своем мнении, что нанотехнологии – это производство неорганических материалов и электроники. Мои ссылки на мировой опыт и призывы к здравому смыслу не произвели впечатления, у ученых был убойный аргумент: “нанотехнологические” гранты давали только в указанных областях, молекулярная биология не присутствовала в перечне спонсируемых тем ни в каком виде.
Ситуация с финансированием с тех пор изменилась, во вновь созданном отделении нанотехнологий Российской академии наук появились академики-биологи, но в общественном сознании генная инженерия и смежные области по-прежнему не ассоциируются с нанотехнологиями, а молекулярные биологи, даже получая соответствующие гранты, упорно отказываются именовать себя нанотехнологами. Научное сообщество в некоторых своих проявлениях удивительно консервативно, тут новое мышление зачастую пробивает себе дорогу намного медленнее, чем в умах широкой общественности. Впрочем, иногда это идет во благо. Ведь новое не всегда означает
