Фото Дмитрия ГЕРАЙКИНА
25 апреля – День ДНК, учрежденный в честь открытия дезоксирибонуклеиновой кислоты. Научные исследования, проводимые в этой области, позволяют бороться с рядом наследственных заболеваний, узнавать генетические предрасположенности к заболеваниям, идентифицировать родственников и многое другое. Об этом и не только «ЗН» поговорила с Петром Владимировичем Колосовым, к. х. н., с. н. с. Центра рекомбинантных технологий АлтГУ.
Что такое ДНК?
ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота. Но разные специалисты ответят на этот вопрос по-своему. Химики скажут, что это молекула. Информатики ответят, что это носители информации, которые можно сравнить с жестким диском, например. В моем представлении – это инструмент. С ДНК мы сталкиваемся ежедневно, выделяем, режем, делаем встройки. Но если говорить прямо – это действительно макромолекула, которая является носителем генетической информации.
Когда открыли ДНК, кто открыл, как это произошло?
ДНК – это сложный объект для изучения. И открытие ДНК не было одномоментным действием какого-то конкретного ученого. Те представления о ДНК, которые мы сейчас имеем, это результат работы многих ученых из разных стран на протяжении длительного времени. ДНК открывали на протяжении почти 100 лет. Что я имею в виду? Например, известно, что И. Ф. Мишер в 1869 г. выделил вещество из клеток, содержащее в своем составе азот и фосфор, и назвал его «нуклеин», позже оно было названо нуклеиновой кислотой, но какова его функция, строение, роль в передаче информации, еще предстояло выяснить. Структура двойной спирали ДНК была предложена Ф. Криком и Дж. Уотсоном в 1953 году, за что они удостоились Нобелевской премии. Но их заслуга – это систематизация тех знаний, которые накопились за годы изучения ДНК.
Чем отличаются гены от ДНК?
Можно сказать точно: гены неразрывно связаны с ДНК. Вообще, ген – структурная единица, ответственная за выполнение определенной функции. Гены определяют строение, свойства клеток, предрасположенность к болезням, внешность и так далее. ДНК же содержит в себе вообще всю информацию: цвет глаз, группу крови, иммунитет. Информация в ДНК записана в виде кода, состоящего из четырех азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т). Очень часто в профессиональном сленге азотистые основания называют буквами, прослеживается своеобразная связь с лингвистикой, суть генетического кода – три буквы кодируют одну аминокислоту, а целый ген – цепочка из троек – кодирует белок, то есть один ген равен одному белку. И все это кодируется в ДНК. На самом деле, азотистых оснований больше, чем четыре, ученые искусственно синтезировали аналоги природных букв, и даже создали искусственную ДНК, состоящую из 8 азотистых оснований, и более того, смогли в пробирке перезаписать информацию с ДНК на РНК. Что касается оснований, то после выделения нуклеина ученым хотелось установить, из каких структурных элементов он состоит. Сегодня мы знаем, что это три элемента: углевод – дезоксирибоза, остаток фосфорной кислоты и азотистые основания. Эти три элемента соединяются, получается нуклеотид – звено, из которых строится цепь ДНК. Именно азотистые основания отвечают за генетический код. Почему они так называются? Это органические вещества, богатые азотом, и они взаимодействуют с кислотами, то есть проявляют осно́вные свойства (химия, 8-й класс, тема «Кислоты и основания»).
А ДНК от РНК?
Не будем углубляться в химию. Попытаюсь образно: ДНК – это жесткий диск, т.е. долговременная память, а РНК – оперативная память. Как это работает? Ген инсулина в геноме – в единичном экземпляре. Допустим, в клетке появляется много глюкозы, особый сенсор на это реагирует и заставляет клетку делать копии гена инсулина с ДНК в виде РНК. Дальше синтез инсулина происходит с этих копий РНК. Инсулин преобразует глюкозу, ее становится мало и сенсор выключает синтез РНК. Инсулин перестает нарабатываться. Ключевая функция ДНК – хранение информации, ключевая функция РНК – реализация генетической информации, т.е. участие в синтезе белков. ДНК более стабильна, РНК в большей степени подвержена мутациям. Но не все так однозначно в природе, РНК тоже может выступать в роли носителя генетической информации, например у вирусов, таких как COVID-19, грипп, ВИЧ.
Как работает тест на родство?
Тест на родство работает на основе сравнения последовательностей ДНК двух или более людей. Каждый человек имеет свою уникальную последовательность букв в ДНК, за исключением однояйцовых близнецов. Потому что такие близнецы получаются из одной оплодотворенной яйцеклетки. Соответственно все дочерние клетки несут в себе идентичные материнской молекулы ДНК.
Хоть это и не относится напрямую к моим научным интересам, но в целом известно многим, что для анализа могут брать образцы крови, волос, ногтей или других тканей. Можно использовать любую клетку организма, потому что каждая клетка несет в себе один и тот же набор хромосом. Чаще всего в таких анализах берут эпителиальные клетки с внутренней стороны щек. При анализе используется не вся ДНК, а определенные маркерные области, и у разных коммерческих фирм анализируемые участки могут отличаться. Отсутствие совпадения в этих маркерных областях свидетельствует об отсутствии родства, а степень совпадения может свидетельствовать о степени родства.
Примерно по такой технологии, но с меньшей точностью работают и тесты на принадлежность к определенной народности, принадлежность к ней отражается в самой ДНК. Исторически сложилось, что перемещение в пространстве ограничено во времени, люди жили обособленными группами веками, каждая группа накапливала свои признаки, которые закреплялись в ДНК. Чем ближе люди проживали друг другу, тем больше совпадений в ДНК.
Перспективы генной инженерии?
Есть очень амбиционные задачи, связанные с получением биологически активных веществ. Очень часто лекарственные препараты получают из редких видов растений, животных, иногда из ядов. Как правило, это очень дорогостоящие процессы. Амбициозность заключается в том, чтобы воспроизвести метаболизм таких БАВ в бактериях или дрожжах, таким образом можно повысить их доступность, снизить стоимость и увеличить производство этих веществ.
Какие исследования ведутся в Центре рекомбинантных технологий АлтГУ?
В центре мы занимаемся тем, что получаем рекомбинантную ДНК. Иначе говоря, мы берем кусок гена или ген целиком и встраиваем его в другую молекулу ДНК. Это нужно, чтобы получать продуценты полезных для человека белков. На самом деле очень много белков в промышленности получают с помощью рекомбинантных технологий. Самый известный – инсулин. Те же полимеразы для ПЦР тоже получают рекомбинантными технологиями. Рекомбинантными технологиями изготавливают многие ферментные препараты для пищевой промышленности, для медицины, сельского хозяйства, производства моющих средств, косметологии. Примеры таких препаратов: амилазы для переработки крахмала в глюкозу, липазы и фосфолипазы для переработки растительных масел, целлюлазы и фитазы для обогащения кормов сельскохозяйственных животных, кератиназы для переработки пера птиц.
Акцент
На самом деле, азотистых оснований больше, чем четыре, ученые искусственно синтезировали аналоги природных букв, и даже создали искусственную ДНК, состоящую из 8 азотистых оснований, и более того, смогли в пробирке перезаписать информацию с ДНК на РНК.
Эльвира ПЕТРЕНЕВА
