Как вы думаете, сколько видов живых организмов существует на Земле? Не спешите отгадывать, ведь точного ответа на этот вопрос нет. По подсчётам учёных, количество варьируется от двух до ста миллионов, включая людей, животных, а также микробы и организмы из таинственных и труднодоступных мест, которые ещё не открыты. А насколько все эти организмы отличаются друг от друга? Например, разница между маленькой бактерией, скажем, кишечной палочкой, и самым большим млекопитающим — синим китом очевидна и внешне. Но если взять двух китов? Разнообразие может существовать не только между видами, но и особями, и даже отдельными клетками одной особи. Сравните себя и своего близкого родственника. Уверен, что вы сможете перечислить многое, что может отличать вас по внешности или характеру. Интересно, чем обусловлено это разнообразие? И как решается, какой будет внешность человека? Ответ существует.
Основная частица
Ответ таится в макромолекуле, которая является хранителем кода биологической памяти всех живых организмов. Она называется ДНК. ДНК или дезоксирибонуклеиновая кислота, а простым языком — генетический код является одной из основополагающих молекул в живых организмах. Сама молекула похожа на винтовую лестницу. «Перила лестницы» — это молекулы фосфата и дезоксирибозы, соединённые «ступенями» — нуклеотидами аденином (А), гуанином (Г), тимином (Т), цитозином (Ц). Нуклеотиды образуют пары в строгом порядке аденин-тимин, гуанин-цитозин. Эти пары образуют комплексную спиралевидную лесенку, которая, в зависимости от организмов, имеет разную длину и количество. Например, во время клеточного деления количество молекул ДНК в ядре клетки удваивается и образует 92 молекулы ДНК, но после деления в клетке стабильно держится 46 молекул ДНК.
А на чём держится этот романтический союз между А и Т, или Г и Ц? А, Г, Т и Ц называются основами (но в химическом понимании этого слова, не в буквальном) и каждый из них прикреплён к каркасу. Каркас состоит из пентозы (пяти-углеродного сахара и фосфатной группы). Для создания генетического кода мы можем сшивать фосфатные группы к пентозе, образуя фосфодиэфирные связи. Для образования уже двухцепочечной молекулы нам надо взять две нити, и одну из них повернуть на 180 градусов по длинной оси, но чтобы две нити были друг к другу комплементарны, то есть А должен быть в паре с Т, а Г с Ц. Благодаря физико-химическим свойствам, двухцепочечная ДНК молекула образует спираль. Красивая аналогия получится, если сравнить структуру ДНК с железными дорогами, где шпалы будут нашими парными нуклеотидами, а рельсами будет
ДНК — очень дисциплинированна молекула, потому что любые «опечатки» в последовательности нуклеотидов изменют наследственную информацию.
считаться каркас, на котором держатся наши нуклеотиды. А поездами можно считать разные белки и прочие сложные молекулы, которые могут резать эти микроскопические железные дороги, перенаправлять, модифицировать и читать их. Порядок последовательности нуклеотид имеет строгий характер, как компьютерный бинарный код, но уже четверичный код из наших А, Т, Г и Ц. Этот порядок расположения нуклеотидов хранит в себе информацию. Например, последовательность «ТАТААА» в эукариотах означает место, где начинается транскрипция, то есть синтез молекулы мРНК по нотам ДНК. Ещё один пример, последовательность «AAГЦTT» является местом разреза ДНК специальным ферментом HindIII. А теперь представьте, сколько разнообразной информации может поместиться в ДНК длиной 3,1 миллиарда пар нуклеотид, как в геноме человека?
Такие изменения называют мутациями. Опечатка в ДНК-коде во время делении клеток ведёт к её мутации, которая быстро исправляется специальными белками в самой клетке. Но если же вдруг клетка не пропустит эту ошибку, то эти мутации остаются в ДНК и при определённом количестве ошибок они ведут к неправильной функции клеток, что может вызвать такое заболевание как рак. Мутации могут накапливаться годами, вот почему большинство видов рака более распространены у пожилых людей. Как же вылечить все эти генные мутации и «замазать» опечатки? Внедрить в клетку новую ДНК, содержащую специальный ген, способный скорректировать эффекты мутации, вызывающую болезнь. Новая ДНК попадает в клетку с помощью вирусов или бактерий.
Маэстро манипуляций Долгое время структура ДНК для учёных была тайной за семью печатями, а его открытие считалось самым важным дело для биологов XX столетия. Загадку разрешила «фотография № 51» — рентгенограмма волокон натриевой соли тимусной ДНК в B-форме. Снимок в мае 1952 года сделала учёная Розалинд Франклин после 100-часовой экспозиции волокон B-формы ДНК на рентгеновском дифрактометре. Франклин изучала структуры веществ с помощью рентгеноструктурного анализа, который заключался в том, что пучок рентгеновских лучей направляли на вещество, а потом по картине рассеивания на фотографии, и судили о его структуре. Крестообразное расположение дифракционных пятен служило прямым указанием на структуру в виде спирали. Дальнейший анализ данных позволил ей сделать вывод, что спираль ДНК состоит из двух нитей. Однако Нобелевскую премию за открытие получила не Розалинд, а другие учёные — Джеймс Уотсон, Френсис Крик и Морис Уилкинс.
Фотография знаменитой рентгенограммы: Волокна натриевой соли тимусной ДНК в B-форме. Снимок был сделан Розалинд Франклин и Реймондом Гослингом
Фактически они позаимствовали снимок Розалинд без её ведома — пожалуй, это одна из самых печальных страниц в истории биологии. Розалинд ещё за два года до модели ДНД Крика и Уотсона в публикации 1951 года настаивала на том, что ДНК имеет структуру в виде спирали с основаниями внутри и остовом снаружи. А в 1953 году, когда знаменитые статьи в Nature не были опубликованы, поняла, что нить ДНК состоит из двух цепочек. Конечно, спустя некоторое время Уотсон, Крик, Уилкинс признали, что без «фотографии № 51» они не смогли бы построить модель ДНК, но Розалинд не удалось разделить с ними самую престижную награду в мире науки. Многолетняя работа с вредным излучением не прошла даром: она скончалась от рака в 1958 году.
Выделяем ДНК
Конечно, у вас вряд ли найдётся дорогое и сложное оборудование, которое используют учёные. Однако попробовать себя в этой роли можно и дома. Механизмы получения ДНК одинаковы везде — и дома, и в самой современной лаборатории (это во всех смыслах не такое уж и сложное дело).
Итак, что нам понадобится для выделения ДНК? МАЛЕНЬКАЯ ПРОБИРКА (или любой другой прозрачный флакончик); 90%-Й СПИРТ (перед началом эксперимента его нужно сильно остудить в морозильнике); ЖИДКОСТЬ ДЛЯ МЫТЬЯ ПОСУДЫ; МЕЗИМ (или любое другое лекарство для улучшения пищеварения); ПОВАРЕННАЯ СОЛЬ; ПИПЕТКА; ЗУБОЧИСТКА.
- Первым делом растворите в небольшом количестве воды соду, соль и средство для мытья посуды. Эта смесь понадобится, чтобы расщепить клеточную мембрану и мембрану ядра. Только так мы сможем добраться до ДНК. Наши клетки отлично чувствуют себя при рН = 7,2–7,5. Но если поместить клетку в раствор с более высоким рН, то из неё начнёт выходить вода, чтобы «разбавить» неприятную для клетки среду, и мембрана разрушается. Основную роль в этом процессе сыграет лаурилсульфат натрия, компонент средства для мытья посуды. Он разрушает слой фосфолипидов, из которого состоит мембрана.
- После приготовления раствора, нужно получить клетки, из которых мы будем выделять ДНК. Можно взять любые, но интереснее всего — выделить собственную ДНК (поэтому и клетки нужны свои). Самый простой способ их раздобыть — пожевать щеки! Покровные или эпителиальные клетки щёк легко и безболезненно отслаиваются. Защёчный эпителий (или буккальный, от латинского слова «buccа» — «щека») часто используют для нужд криминалистики, потому что его взятие абсолютно безопасно даже для новорождённого. Прежде нужно тщательно прополоскать рот чистой водой (чтобы не выделить заодно ДНК из еды). А после жевания снова прополоскать рот и выплюнуть буккальный эпителий в пробирку с раствором. Тщательно перемешайте, чтобы помочь лаурилсульфату сделать своё чёрное дело. Вуаля! Мембраны разрушены, и ДНК вышла в раствор
- Но не всё так просто. ДНК находится в комплексе с белками, которые нужно разрушить. Для этого мы растворяем измельчённую таблетку средства для улучшения пищеварения в тёплой воде и вливаем в наш раствор. В таблетках содержится протеаза — фермент, переваривающий белки. Лучше всего он работает при температуре тела — около 37 градусов С, поэтому пробирку нужно некоторое время держать в тепле.
- Но и это ещё не всё. Теперь в растворе вся «начинка клетки», поэтому следующий этап — отделение ДНК. Осторожно влейте в пробирку холодный спирт. ДНК не растворяется в спиртовом растворе, поэтому через пару минут можно будет увидеть, как она в виде белых нитей осаждается в пробирке. Нити можно аккуратно намотать на зубочистку и перенести в отдельную пробирку или хранить в холодильнике.
Фантом из Хайльбронна
Конечно, в судебной экспертизе такие эксперименты «на коленках» не проводятся! Вокруг нас очень много разной ДНК — ДНК многочисленных бактерий, ДНК из чешуек кожи, ДНК из пыльцы растений… Когда на кону судьба людей, анализ ДНК должен проводиться в стерильной среде, очищенной от микроорганизмов и другой посторонней ДНК, в перчатках и лабораторной одежде. В 1993–2009 годах в Европе орудовал фантом из Хайльбронна, серийный убийца. Его ДНК находили в разных странах Европы, он не оставлял следов и, казалось, мог даже проходить сквозь стены. Образцы его ДНК были обнаружены на месте 40 преступлений. Анализы установили, что ДНК принадлежит женщине, но дальше расследование заходило в тупик. Разгадка личности фантома оказалось проста — преступления совершали разные люди, а ДНК принадлежала упаковщице ватных палочек, которыми собирали ДНК с мест преступлений.
