Технологии ДНК

Тридцать циклов ПЦР превращают один фрагмент ДНК примерно в миллиард копий.

Копирование ДНК в пробирке

Для большинства способов изучения ДНК её нужно гораздо больше, чем содержится в капле крови или в волосе. Эту задачу решает полимеразная цепная реакция, или ПЦР. NHGRI называет её молекулярным ксероксом: это быстрый и недорогой способ скопировать выбранный небольшой участок ДНК. В ней действуют те же правила спаривания оснований, что и в клетке. Образец нагревают, чтобы две цепи разошлись, затем охлаждают, чтобы короткие затравки, праймеры, прикрепились с обеих сторон от нужного участка, а затем термостойкая ДНК-полимераза строит на каждой матрице новую парную цепь. Это один цикл.

Каждый цикл может удвоить число копий, поэтому их количество быстро растёт. После 10 циклов из одной молекулы может получиться 2¹⁰ = 1024 копии, после 20 циклов 1 048 576, а после 30 циклов 1 073 741 824, то есть около миллиарда. В настоящих реакциях удвоение немного не дотягивает до идеального, но суть остаётся той же. Кэри Маллис, который придумал ПЦР в 1983 году, получил Нобелевскую премию по химии в 1993 году. NHGRI перечисляет области применения: большая часть картирования в проекте «Геном человека», генетическая дактилоскопия, обнаружение бактерий и вирусов, диагностика генетических заболеваний.

Сортировка фрагментов по размеру

Чтобы увидеть, что получилось в реакции, в лабораториях часто используют гель-электрофорез. Его принцип объясняет OpenStax. Пластинку агарозного геля, который делают из вещества морских водорослей, пропитывают солевым раствором, а образцы ДНК вносят в маленькие лунки на одном её конце. ДНК заряжена отрицательно из-за фосфатных групп, поэтому, когда через гель пропускают электрический ток, ДНК движется к положительному электроду. Гель работает как спутанная сеть: мелкие фрагменты быстро проскальзывают сквозь неё, а крупные отстают. Через некоторое время самые мелкие фрагменты оказываются дальше всего от лунок. Затем краситель делает полосы видимыми.

Чтение букв и всего генома

Определение порядка оснований называется секвенированием. Фредерик Сэнгер разработал метод обрыва цепи. В нём используются слегка изменённые нуклеотиды, которые останавливают растущую цепь там, где они встраиваются; если рассортировать оборванные фрагменты по размеру, последовательность открывается по одному основанию. Сэнгер получил Нобелевскую премию по химии в 1980 году, и именно его метод использовали в проекте «Геном человека». Проект официально начался в октябре 1990 года и завершился в апреле 2003 года, более чем на два года раньше срока. Он охватил около 92 процентов генома, насколько позволяла техника того времени. Последние 8 процентов, полные повторов, закончил консорциум Telomere-to-Telomere в 2022 году, и получилась полная последовательность из 3.055 миллиарда пар оснований.

Сравнение геномов показывает, насколько люди похожи. NHGRI отмечает, что о геномах любых двух людей часто говорят, что они идентичны примерно на 99.9 процента. При 3 миллиардах оснований 0.1 процента всё равно даёт около 3 миллионов различий, и этого хватает, чтобы рисунок ДНК каждого человека был особым.

Редактирование ДНК

Инструменты редактирования генома действуют как ножницы, которые разрезают ДНК в выбранном месте; затем учёные могут удалить там ДНК, добавить или заменить её. NHGRI описывает CRISPR как более простой, быстрый, дешёвый и точный метод, чем старые методы редактирования, и сейчас им пользуются многие учёные, которые редактируют геномы. Эмманюэль Шарпантье и Дженнифер Даудна разделили Нобелевскую премию по химии 2020 года «за разработку метода редактирования генома». Исследователи с его помощью выключают отдельные гены у таких животных, как мыши и рыбки данио, чтобы узнать, что эти гены делают. Методы лечения разрабатываются, но NHGRI указывает на нерешённые проблемы: инструменты иногда режут не в том месте, а изменения в яйцеклетках, сперматозоидах или эмбрионах передались бы будущим поколениям. Многие страны ограничивают такое редактирование, а NIH не финансирует исследования по редактированию эмбрионов человека.