Мышь, родившая гору

30 лет исполнилось в этом году технологии, благодаря которой получили широкое распространение методы генетического анализа

Неизвестный герой
Всякий раз, когда с экрана телевизора или страниц газет мы узнаем о той или иной ДНК-экспертизе, будь то установление отцовства или судебно-криминалистический анализ биологических улик (кровь, волосы, слюна и т.д.), можно быть на 99% уверенным, что без полимеразной цепной реакции здесь не обошлось.
И хотя подавляющее большинство людей скорее всего даже не слышали о подобной технологии, ее появление в 1983 году дало для развития современной молекулярной биологии больше, нежели любое другое открытие в этой области.
О том, что же представляет из себя ПЦР и как благодаря ей стали возможны многие из нынешних достижений генетики, читайте далее в «Открытой».

Гениальная простота
Сегодня мы знаем, что все без исключения сведения по «устройству» живых существ, неважно, бактерии они, насекомые или птицы, «записаны» в структуре их ДНК (молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты).
Последние, по сути, есть своего рода сборник инструкций, где сообщается, как, когда и какие протеины (белки) должен синтезировать организм, дабы нормально развиваться и функционировать. При этом сама молекула, являющая собой две длинные цепочки, свернутые относительно друг друга в тугую двойную спираль (пружину), составлена из «строительных блоков» всего четырех различных видов (нуклеотидов А, Г, Ц и Т).
Весь секрет в том, что даже ДНК обычной кишечной палочки (E. Coli) содержит примерно 4,6 млн. таких «кирпичиков», а у человека их уже 3 млрд. Таким образом, общая протяженность молекул ДНК (около 2 м в развернутом виде у людей, 1 мм у E. Coli) позволяет без всяких проблем «закодировать» в виде линейной последовательности нуклеотидов (вроде ААГЦТТЦАА) сведения о строении всех существующих в организме белков (у человека их около 22 тыс., у кишечной палочки – 3 тыс.).
Более того, как обнаружили ученые, в ДНК того же человека, например, лишь 2% всей длины молекулы действительно содержит ту или иную полезную информацию. Остальные 98% участков нашего ДНК относятся к категории так называемых «мусорных», не несущих никакой определенной функции (по крайней мере, так это видится биологам сегодня).
А всего, по оценке специалистов, общая доступная «емкость» ДНК человека (в терминах хранения данных) равна приблизительно 5000 книг толщиной в 300 страниц каждая.

Безудержный рост
Возможность извлечь из одной-единственной молекулы ДНК всю «подноготную» ее обладателя всегда представлялась ученым крайне заманчивой. Однако до недавнего времени осуществить подобное было им не под силу. Требовались значительные объемы биологического материала (пучок волос, около 1 мл крови и т.д.), чтобы выделить из них минимально достаточное для анализа количество ДНК.
Все изменилось в 1983 году, когда 39-летний американский биохимик Кэрри Маллис сообразил, как повторить в пробирке то, что природа проделывает ежесекундно в клетках живых организмов.
Метод получил название полимеразной цепной реакции или ДНК-амплификации (ДНК-умножения). Суть его в том, чтобы создать условия, при которых любое, сколь угодно малое, число молекул ДНК будет копировать самих себя.
В этом случае их количество будет удваиваться после каждого цикла (расти в геометрической прогрессии). Так, начав с одной-единственной ДНК, через 30 повторений (продолжительностью 3-5 мин. каждое) мы через пару часов получим «на руки» уже миллиард точных копий данной молекулы. Эта обретенная учеными 30 лет назад способность «размножать» ДНК в дальнейшем оказала огромное влияние на развитие молекулярной биологии.
Так, благодаря ПЦР экспертам-криминалистам, например, для проведения анализа сегодня вполне достаточно крошечной капли крови или единственной ороговевшей частицы кожи, оставленных злоумышленниками на месте преступления.

Заслуженная награда
Высокую чувствительность данного метода, простоту исполнения и возможность работать с практически любым биологическим материалом по достоинству оценило научное сообщество.
В 1993 году Кэрри Маллис за открытие процесса полимеразной цепной реакции был награжден Нобелевской премией в области химии.
Сегодня приборы для проведения ПЦР (амплификаторы) являются частью стандартного набора оборудования большинства биохимических лабораторий мира.
Помимо решения сугубо научных задач (клонирование генов, изучение процесса мутаций и т.д.) ДНК-умножение стало также одним из основных аналитических методов в медицине и криминалистике.
Например, до недавнего времени выявление возбудителей многих бактериальных и вирусных инфекций представляло собой довольно трудоемкую и длительную процедуру.
Сегодня на основе ПЦР разработано множество экспресс-тестов для диагностики самых различных заболеваний – от туберкулеза и СПИДа до бубонной чумы и птичьего гриппа. Установление отцовства, определение родства, выявление генетических заболеваний и злокачественных опухолей также не обходятся ныне без применения метода полимеразной цепной реакции.
Меж тем благодаря популярности американских полицейских телесериалов (вроде «Место преступления: Лас-Вегас») огромное число людей по всему миру узнали о судебно-медицинском аспекте применения ДНК-диагностики (идентификация останков, генетическое дактилоскопирование и т.д.). Естественно, ПЦР и здесь играет ключевую роль.

Восстановленная справедливость
Как утверждают ученые, какими бы непохожими ни казались представители различных рас и национальностей, ДНК всех людей одинакова на 99,9%. Другими словами, из 3 млрд. нуклеотидов («кирпичиков»), что составляют ДНК каждого человека, уникальную индивидуальность ему или ей обеспечивают различия в последовательности всего лишь 3 млн. (0,1%) этих самых «строительных блоков».
Уже в конце 1980-х биологи обнаружили участки ДНК (локусы), где подобная изменчивость встречается чаще всего. Также они показали, что, анализируя строение в совокупности 10 и более локусов, возможно с очень высокой точностью идентифицировать человека.
Иначе говоря, подобно тому, как не существует двух людей с одинаковыми отпечатками пальцев, так и не найти на Земле двух «хомо сапиенс» (кроме однояйцевых близнецов), чей генетический профиль совпадает на 100%.
Данная процедура получила название ДНК-дактилоскопии (в России – геномная регистрация) и быстро стала частью стандартных следственных действий полиции при расследовании многих видов уголовных преступлений.
Так, в Соединенных Штатах под эгидой ФБР с 1994 года функционирует общенациональный банк данных (11 млн. записей на 2012 год), куда стекается информация о ДНК не только лиц, осужденных за те или иные правонарушения, но и генетический материал (слюна, сперма, кровь и т.д.), собранный с мест нераскрытых пока преступлений.
Специальная программа в автоматическом режиме с определенной периодичностью сравнивает эти данные с генетическим профилем преступников, уже имеющихся в базе данных. В случае если совпадение обнаружено, местные власти получают соответствующее уведомление.
По признанию экспертов, подобное «прочесывание» ДНК-профилей стало чрезвычайно важным инструментом раскрытия «висяков» – грабежей, автоугонов, квартирных краж и прочих преступлений, где следствие застопорилось по причине невозможности установить личности подозреваемых.
Говоря о применении ДНК-анализа в системе юстиции США, нельзя не упомянуть о некоммерческом общественном фонде «Проект Невиновность».
Своей задачей эта организация видит помощь тем заключенным, чья невиновность может быть установлена при помощи тех или иных ДНК-тестов (примерно 5-10% всех уголовных дел в США).
Так, с момента своего основания в 1992 году (Нью– Йорк) эта НКО помогла выйти на свободу 311 заключенным (из которых 18 были приговорены к смертной казни).
Дело в том, что проведенные по настоянию организации генетические экспертизы доказали непричастность этих осужденных к вмененным им ранее преступлениям.
Согласно данным фонда, причиной столь вопиющих судебных ошибок были недостоверность показаний свидетелей (в 70% всех случаев), недостаточная надежность или неправильное толкование результатов судебных экспертиз (50%), ложное признание (25%) и намеренный оговор со стороны полицейских информаторов (18%).
Как сообщает организация, ежегодно к ней за помощью обращается примерно 3 тысячи человек, а всего, по разным оценкам, от 2 до 5% (40–100 тыс.) всех заключенных в США, невиновных в совершении предъявленных им обвинений.
Гражданские активисты, выступающие против применения в США смертной казни, часто ссылаются на результаты деятельности фонда «Проект Невиновность» как на еще один довод в поддержку своей позиции.

Александр ЛЕОНТЬЕВ