Хронограф
18152229
29162330
310172431
4111825
5121926
6132027
7142128

<март>

Путеводители

Приз за прочтение

Последовательность нуклеотидов в ДНК человека надо расшифровывать заново

  
Всё великое многообразие известных нам форм жизни закодировано в «словах», составленных всего из четырех «букв» — азотистых оснований в молекуле ДНК. Прочитать эти слова — сложная задача, начинающаяся с того, что вычисляются «силуэты» генотипа. Иллюстрация: Jane Ades, NHGRI 

К нелегкому делу добывания ваших первых миллионов существуют разные подходы — можно надеяться на удачу и сыграть в игру «миллионер», можно попробовать разыскать богатых родственников где-нибудь в Америке, а можно прочитать ДНК и выиграть 10 миллионов долларов. Фонд «X-Prize Foundation», известный своими премиями за организацию суборбитальных космических полетов, объявил новый конкурс — на этот раз в области геномного секвенирования.

Награда достанется тому, кто сумеет расшифровать 100 любых человеческих геномов в кратчайшие сроки (10 дней) и при минимуме денежных затрат. Теперь молекулярные биологи шутят, что в программу Олимпийских игр пора вводить новый вид спорта — геномное секвенирование. Вы можете удивиться — зачем затевать эту гонку, ведь геном человека «полностью расшифрован» еще в 2000 году, и скоро, если верить прессе, у каждого из нас будет генетический паспорт, а то и диск с записью генетического кода?

Но все далеко не так просто, как представляется по громким заголовкам. Потратив около 15 лет и несколько миллиардов долларов (за такие деньги вполне можно запустить ракету на Луну) на программу с претенциозным названием «Геном человека» (Human Genome), ее организаторы задумались — а что дальше-то с полученными данными делать? Вспоминается старый анекдот — девушка приходит устраиваться на должность секретаря, а работодатель спрашивает: «Вы с какой скоростью печатаете?», она отвечает: «Примерно 2000 знаков в минуту… Но такая ерунда получается!». То же и с секвенированием…

Чтобы от потраченных денег была практическая польза, необходимо продолжить секвенирование геномов, накопить больше данных и хорошенько разобраться в них. Еще один немаловажный момент — приборы для секвенирования и саму процедуру желательно упростить настолько, чтобы методика стала доступна любому медицинскому центру. На сегодняшний день полная расшифровка генома человека занимает более полугода, стоит около 20 миллионов долларов и проходит с некоторым количеством ошибок и неточностей. Вот и решили прогрессивные специалисты из «X-Prize Foundation» бросить клич среди ученых всего мира — придумайте новый быстрый и дешевый метод секвенирования, а мы вас за это озолотим.

Кстати, если вы не ученый, но патриот и меценат, мечтающий показать США, что и мы не лыком шиты, то тоже вполне можете поучаствовать в этой гонке, спонсируя группу исследователей в России. Но для начала неплохо бы разобраться, что такое секвенирование генома, каковы проблемы и перспективы.

  
Считается, что биологические микрочипы повлекут революцию в медицине. По крайней мере, в том, что касается диагностики. Современная практика генетических исследований основывается на принципе «один эксперимент — один ген». Микропич позволяет иметь дело со всей молекулой целиком и находить, в каких ее участках вероятны повреждения. Фото: U.S. Department of Energy Genomics:GTL Program

Секвенирование? Нет ничего проще…

Мудреное слово «секвенирование» означает всего лишь «определение нуклеотидной последовательности» (от англ. sequence — последовательность), но когда одна не в меру пытливая школьница попросила меня объяснить, как осуществляется секвенирование, я надолго впала в состояние задумчивости. В новой российской комедии «Хоттабыч» некие умельцы расшифровывают геном сказочного старичка и переселяют его с помощью этого кода и компьютерной программы из реального мира в Интернет. Пожалуй, это неплохая иллюстрация к секвенированию ДНК, правда, осуществить его за пару часов, как показано в фильме, пока что невозможно.

Молекула ДНК составлена из нуклеотидов четырех типов, которые обозначают буквами A, G, C, T — и это единственное, что можно сказать понятного и вразумительного о строении ДНК. Все остальное настолько сложно и изобилует такими терминами, которые, боюсь, отобьют у всякого охоту читать эту статью. Поэтому давайте попробуем представить себе секвенирование как расшифровку (или чтение) некого текста, написанного на давно забытом языке и состоящего из трех миллиардов букв. Мало того, что неоткуда взять словарик для изучения этого языка, и во всем придется разбираться самостоятельно, так еще этот «текст» не на папирусе написан, а в крохотной живой клетке! И чтобы его разглядеть, придется подключить к работе математиков, химиков, физиков, программистов, биоинформатиков и прочих чудесных специалистов со всеми их идеями, реактивами и громоздкой аппаратурой.

В самом секвенировании загадки уже давно нет, и человек, решивший им заняться, должен будет в первую очередь обзавестись соответствующей инструкцией, где будет подробно расписано, как, что, сколько и куда. Например: «Добавьте к клеткам E.coli (кишечной палочки) 500 мкл холодного 70% этанола… Вырежьте из агарозного геля фрагмент ДНК… Перемешайте, отфильтруйте и подсушите осадок» и т.п. В общем, ничего фантастического в чтении ДНК нет — просто для этого требуется немного более сложное оборудование, чем лупа и словарик древнеарамейского. Помимо прочего, при расшифровке геномов в ход идут фото- и видеоаппаратура и сложные компьютерные программы, которые обрабатывают данные и преобразовывают весь этот хаос из 3 миллиардов «букв» в некое подобие «фразы».

  
Для полной расшифровки генома необходима научная лаборатория размером с небольшой завод, полгода работы и химические реактивы, стоимость которых превышает стоимость полугодового содержания такого «заводика». Так выглядит один из цехов лаборатории секвенирования в Институте Эли и Юдит Броудов в Бостоне. Фото: The Broad Institute of MIT and Harvard

Офисная ДНК-техника

Немаловажная составляющая большинства методов чтения ДНК — ПЦР, или полимеразная цепная реакция. Наверняка эту аббревиатуру приходилось слышать тем, кто обращался по объявлению — «Медицинский центр такой-то быстро, эффективно и анонимно проведет анализ на урологические и половые инфекции с помощью ПЦР». Бояться ПЦР не стоит — это полезное изобретение помогает всего за один день проанализировать пробы сразу на множество инфекций (по 170 рублей за каждую). ПЦР позволяет отыскать даже единственный «ошметок» чужеродной ДНК в организме человека, размножить его и получить в пробирке несколько миллиардов проб, по которым легко определить вид патогена. Если во время этой процедуры будут найдены, скажем, «фразы» из «лексикона» хламидии, значит, пациенту не повезло - в его организме гостят неприятные «иностранцы».

Перед секвенированием генома в научных целях также запускается ПЦР для получения как можно большего количества материала. Вот что по поводу современных методов секвенирования думает знаменитый физик, лауреат нескольких премий Фримен Дайсон (Freeman Dyson) , известный своими необычными научными предсказаниями: «Расшифровывающие машины, которые теперь существуют, — это чудеса изобретательности, но они громоздки и дороги. В них молекулы ДНК загружаются навалом и анализируются банальными химическими методами. Но химические реагенты стоят также дорого, как и сами машины. Машина, способная анализировать единственную молекулу, была бы намного дешевле, да и работала бы быстрее». Более того, он предполагает, что «через тридцать лет портативный секвенатор стоимостью в несколько сотен долларов займет свое место на рабочем столе в офисах рядом с персональными компьютером, принтером и ДНК-синтезатором». А почему бы и нет? Я рискну пойти в своих предсказаниях еще дальше — в необозримом будущем можно будет носить полевой секвенатор и портативный диагностический прибор в кармане и помещать в них, например, пожелтевшие листья вашей любимой сирени, чтобы понять причины ее плохого самочувствия.

Нечто похожее на такие секвенаторы уже появилось у нас в стране, причем именно российского производства. Они, правда, пока непригодны для чтения целых геномов, по которым и проходит конкурс фонда «X-Prize». А в американских публикациях на тему секвенирования нередко упоминаются фамилии ученых российского происхождения. Но чтобы создать новые методы и принять участие в гонке за десятью миллионами талантливых ученых и продуктивных идей недостаточно. Думаете, из желающих стать миллионерами уже выстроилась очередь? Ничего подобного, и причин тому множество.

  
Джейн Роджерс (Jane Rogers) возглавляет одну из самых авторитетных лабораторий секвенирования в Институте Сэнгера в Кембридже (Великобритания). Фото: Wellcome Trust Medical Photographic Library

Никто не хочет стать миллионером?

Когда в программу «Геном человека» вливались солидные инвестиции, ее спонсоры определенно рассчитывали на колоссальную выгоду, которая ожидалась от результатов этих исследований. В частности, предполагалось, что после расшифровки генома появятся лекарства нового поколения. Если узнать, где именно в ДНК «записана» информация о тех или иных белках (которые, как известно, отвечают за многие функции нашего организма), то можно разработать препараты, исправляющие «поломки» на молекулярном уровне.

И опять мы возвращаемся к анекдоту, упомянутому в начале статьи — геном расшифровали, но к разгадке его секрета приблизились не намного. Теперь мы умеем читать туманные «фразы» в наших клетках, но вот понять, что они означают и какие «команды» запускают, пока не в силах. Понадобится еще немало лет, чтобы в этом разобраться, поэтому самый известный и цитируемый дешифровальщик генома человека Крейг Вентер (Craig Venter), бывший руководитель компании «Celera Genomics», переключился на другие исследования. Теперь он секвенирует геномы почвенных и морских микробов и утверждает, что именно это приведет человечество на новую ступень развития. Среди микробов много видов, до сих пор неизвестных науке, и, возможно, они помогут нам открыть новые лекарства и возместить урон, нанесенный экологии нашей планеты.

Кто знает, может быть, его методы и оправданы — по крайней мере, изучать гены прокариот несколько проще. У эукариотных же организмов, то есть и у человека, каждый виток ДНК таит в себе загадку. Если мысленно размотать суперспирализованную молекулу ДНК, то получиться нить длиной более метра. Нить эту можно сравнить с фантазийной фенечкой из бисера — вроде бы материал однородный, но все «бусины» разного «цвета» и «формы». Гены (участки ДНК) тоже имеют мозаичную структуру, и если перевести все это в удобную «лингвистическую» форму, то один ген может выглядеть, к примеру, так — «КзрОмкЛщеБотАзмСйцОэхРъфЕячЗпнеКьюжА». В зависимости от изменений физиологической ситуации один и тот же ген «образует» разные «слова» путем вырезания «бессмысленных вставок», или интронов. И тогда появляются «команды», запускающие совершенно разные функции — «колбасорезка», «колба», «бас», «сор», «река» и т. д. Благодаря такой занятной головоломке в одном и том же гене закодировано множество смыслов и функций.

  
Джеймс Инглезе и Кристофер Остин (Национальный институт здоровья США) со специальным роботом, созданных фирмой Kalypsys для исследования по молекулярной генетике. Фото: Carla Garnett, NIH Record
Кстати, когда молекулярные биологи видят в какой-нибудь статье про генетически модифицированные организмы фразу «с помощью гена скорпиона изменили окраску шерсти крысы», лица их становятся печальны. Дело в том, что некорректно говорить «ген скорпиона» или «ген крысы», поскольку у крыс, рыб, человека и многих других эукариот не только схожее количество генов, но и сами гены очень похожи. Внешне мы мало напоминаем крыс не потому, что у нас гены разные, а потому, что вышеописанная головоломка у каждого вида по-своему разгадывается.

Шанс есть у каждого

Несмотря на всю эту детективно-генетическую неразбериху, по сравнению с которой «Замок» Франца Кафки — просто детская забава, генетики не унывают, и бум в расшифровке геномов продолжается. В 2005–2006 годах были прочитаны геномы некоторых насекомых, собаки, шимпанзе, проведено сравнение между ДНК обезьян и человека и опубликовано множество занимательных результатов в журнале «Nature». У россиян же интерес к этому процессу невелик, поскольку если кому-то и захочется поучаствовать в конкурсе, то придется пробиваться через тернии самостоятельно. Например, я знаю биолога, который еще несколько лет назад разработал новую методику параллельного секвенирования (до этого делался упор на последовательное секвенирование, непригодное для чтения целых геномов). Российские академики его не поддержали, а вскоре этот метод пришел на ум и американцам, в итоге его запатентовавшим. К слову, приведу высказывание профессора психологии университета Тулузы Пьера Паше (Pierre Pachet): «Теория Луи Пастера о микробах — смешная фантазия» (1872 год). Ну и кто теперь помнит того профессора? Зато пастеризованное молоко есть чуть ли ни в каждом доме, так что неплохо бы относиться к нестандартно мыслящим людям с большим уважением.

Тем не менее отдельные энтузиасты считают, что нам вполне по силам выиграть конкурс. Для обеспечения группы российских разработчиков из 5–6 человек необходимо около 6–9 миллионов рублей и 2–3 года работы, после чего можно будет оценить шансы на победу.

А пока пожелаем россиянам удачи и обратим наши взоры на зарубежных коллег. Национальный институт здравоохранения США ориентирует ученых на снижение стоимости секвенирования генома человека до тысячи долларов к 2014 году. В гонке принимают участие компании «VisiGen Biotechnologies» (Хьюстон, Техас), «454 Life Sciences Corporation» (Коннектикут), «Westheimer Institute for Science and Technology» и др. Кстати, организаторы конкурса обещают дополнительный миллион долларов той команде, которая сумеет прочитать геном таких известных людей, как соучредитель Microsoft Поль Аллен (Paul Allen), соучредитель Google Ларри Пэйдж (Larry Page) и ведущий телеканала CNN Ларри Кинг (Larry King).

Революция отменяется

Несколько месяцев назад в СМИ промелькнуло сообщение примерно на такую тему: «Революция в генетике — новый метод секвенирования позволит прочитать геном за несколько часов. Теперь каждый человек сможет узнать все о грозящих ему болезнях». Наверняка метод профессора Массимилиано Ди Вентра (Massimilliano Di Ventra) из Калифорнийского университета в Сан-Диего (University of California at San Diego) лучше устаревшего метода Сэнгера, однако вряд ли его команда составит конкуренцию «454 Life Science» или группе исследователей медицинского факультета Гарвардского университета под руководством Джорджа Черча (George Church). Уж сколько было громких заявлений, сколько грантов получено, но добиться необходимой точности и скорости чтения целого генома не удавалось.

  
Финансируемый Министерством энергетики США Объединенный институт генома — одни из самых крупных участников программы «геном человека». Каждый из таких мониторов позволяет увидеть «буквы» небольшого участка молекулы ДНК, а все они вместе — прочитать всё «слово». Фото: U.S. Department of Energy Joint Genome Institute

Зато у Джорджа Черча с его полони-секвенированием (от «polymerase colony» — «полимеразная колония») и «454 Life Science» с их параллельным пиросеквенированием по Маргулису–Эгхольму–Ротбергу отличные шансы на победу. Так, «454 Life Science» удалось расшифровать геном бактерии Mycoplasma genitalium всего за 4 часа. Эта фирма вызывает симпатию окружающих еще и трогательной историей создания метода — новорожденный сынишка ученого Джонатана М. Ротберга (Jonathan Rothberg, один из представителей списка самых богатых среди молодых в «Forbes») не мог дышать, и перепуганный отец решил расшифровать его геном для выяснения причин недуга. К счастью, ребенок поправился, а работа над секвенированием все набирает обороты.

Как видите, слишком рано обращать внимание на этически-романтические рассуждения репортеров о том, что скоро все мы будем расшифрованы, записаны на диски и занесены в базу. Мол, после этого вновь войдет в моду евгеника, начнется тотальная дискриминация, богатые смогут заплатить за воздействие на «гены старения» и продлить молодость, а там, глядишь, и до событий романа Олдоса Хаксли «О дивный новый мир» недалеко — еще до рождения каждый из нас будет запрограммирован и отнесен к определенной касте.

В действительности новые технологии мало изменяют человечество в целом — как истребляли леса сто лет тому назад, так и истребляем, как терпели социальное неравенство в прошлых веках — так и терпим. Так что, друзья-земляне, давайте будем меньше беспокоиться о судьбе генофонда будущих поколений и больше размышлять о нынешнем состоянии нашей планеты и ее обитателях. Иначе однажды настанет день, когда будет нечего и некому секвенировать.

Читайте также в журнале «Вокруг Света»:

 

Ольга Кувыкина, 23.11.2006

 

Новости партнёров