Модель двойной спирали ДНК. Иллюстрация с сайта thednastore.com
Как прочесть 60 миллиардов букв за один день
В 1953 году в журнале Nature была опубликована работа двух молодых британских ученых Фрэнсиса Крика и Джеймса Уотсона, в которой они представили модель двойной спирали ДНК. В статье была фраза: "Мы вполне отдаем себе отчет в том, что установленное нами специфическое спаривание непосредственно указывает на возможный механизм копирования вещества наследственности". Открытие пространственной структуры ДНК привело к началу новой эры в молекулярной биологии.
Вскоре после выхода работы Крика и Уотсона был открыт генетический код, который определяет соответствие между нуклеотидами ДНК и аминокислотами белка. То есть, ученые научились по последовательности блоков ДНК – нуклеотидов – определять, какова будет структура кодируемого ими белка. Белки являются материалом для построения клеток, тканей и органов. Нарушение структуры белков определяет развитие разнообразных заболеваний. Последовательность аминокислот белка "записана" в ДНК.
Основной сложностью оставалось определение последовательности ДНК или секвенирование (от англ. sequence - последовательность). Первые методы были очень трудоемкими и позволяли определять последовательность относительно небольших участков ДНК. К тому же, в некоторых из них использовались весьма токсичные реагенты – как, например, в методе Максама-Гилберта.
В 70-е годы XX века британский ученый Фредерик Сэнгер разработал метод "терминации цепи", который позже получил название метода Сэнгера. Существенно менее затратный, метод Сэнгера быстро завоевал популярность и стал своеобразным "золотым стандартом" секвенирования. Но до промышленного использования было еще далеко, так как метод позволял за один "прогон" определять максимум несколько сотен нуклеотидов.
Однако метод Сэнгера был хорош именно тем, что он легко поддавался автоматизации. В конце 90-х годов появились приборы, позволяющие автоматически секвенировать ДНК – секвенаторы. Секвенаторы существенно повысили скорость и точность определения последовательности ДНК. Современные приборы позволяют за несколько часов определять последовательность сотен нуклеотидов.
"Геном человека"
Постепенное совершенствование технологий синтеза и их автоматизация привели к тому, что ученые всерьез задумались о реализации до сих пор недостижимой цели: секвенировании целого генома человека. В 1986 году группа ученых из США начала работу над проектом, который позднее получил название "Геном человека".
Одним из идеологов проекта был Джеймс Уотсон. Он активно продвигал идею секвенирования генома человека, и его усилия не пропали даром. Вопрос о расшифровке генома человека был внесен на рассмотрение в Конгресс США, и в итоге в Штатах была принята национальная программа "Геном человека". Вскоре к американцам присоединились ученые из многих других стран, и в 1990 году была создана международная организация HUGO (Human Genome Organization).
Авторы проекта предполагали, что смогут расшифровать геном человека к 2005 году. Все хромосомы были поделены между странами-участницами проекта. Однако несмотря на постоянно растущую скорость секвенирования, только в 1999 году ученые из Великобритании и Японии объявили о расшифровке 22-й хромосомы. Это самая маленькая из 23 хромосом человека. (Правда, более поздние исследования показали, что 21 хромосома все же чуть меньше 22-й.)
Вероятно, геном человека не был бы расшифрован до сих пор, если бы к проекту не подключилась биотехнологическая компания Celera Genomics, созданная Крейгом Вентером – весьма одиозной фигурой в научном мире. Специалисты этой компании усовершенствовали методы секвенирования ДНК и смогли полностью завершить расшифровку оставшихся хромосом человека к 2001 году. Сначала Вентер хотел продавать расшифрованную последовательность ДНК, однако под давлением HUGO согласился открыть свободный доступ к полученной информации.
Сейчас секвенирование ДНК – обычная процедура. Собственные секвенаторы есть во многих лабораториях и медицинских центрах. Помимо человека исследователи определили последовательность ДНК многих других организмов: бактерий (геном одной из них Вентер секвенировал еще до участия в проекте "Геном человека"), растений, насекомых (кстати, геном знаменитой мухи-дрозофилы – тоже дело "рук" Вентера), млекопитающих.
Про деньги
Тем не менее, даже сегодня секвенирование ДНК – довольно дорогое удовольствие. Кроме того, это относительно медленная процедура. Если для определения последовательности небольшого участка ДНК или расшифровки генома какой-нибудь бактерии время не имеет большого значения, то для "промышленного" секвенирования нынешних скоростей явно недостаточно.
Чтобы стимулировать усердие ученых в разработке новых еще более совершенных методов секвенирования фонд X-Prize, созданный для поддержки "безумных" научных проектов, объявил о премии в десять миллионов долларов для самых "быстрых" ученых. Премия достанется тому, кто предложит методику, позволяющую расшифровать сто геномов человека в течение не более чем десяти дней при стоимости не более десяти тысяч долларов за геном.
Несмотря на почти невероятные условия, похоже, что в скором времени эти деньги уйдут по назначению. Семнадцатого апреля в журнале Nature появилась статья, авторы которой сообщили, что за два месяца смогли секвенировать геном "отца" двойной спирали ДНК Джеймса Уотсона. Стоимость работ, правда, составила 1,5 миллиона долларов, но по сравнению с почти тремя миллиардами, которые были потрачены на "Геном человека", это совсем немного.
Зачем вообще может быть нужно "потоковое" секвенирование полных человеческих геномов? Если отбросить теории о создании государства тотального контроля и прочие "теории заговоров", то остается только один разумный ответ. Знание последовательности ДНК необходимо для медицины. В частности, для своевременного диагностирования заболеваний и разработки лечения. Однако для этих целей совсем необязательно знать последовательность всех нуклеотидов человеческого генома. Чтобы определить наличие мутации, которая определяет развитие того или иного заболевания, достаточно знать последовательность определенного небольшого участка ДНК.
Получается, что X-Prize учрежден напрасно и усилия, которые ученые тратят на удешевление и ускорения методов секвенирования, пропадают даром и уводят ценные руки и головы от тех областей науки, где они действительно нужны? Это не так. Если ученым удастся разработать технологию, которая позволит в день секвенировать десять полных геномов за разумные деньги, то определение последовательности небольших участков ДНК будет занимать несколько минут и станет доступным для большинства людей.
И вот за это, пожалуй, стоит заплатить десять миллионов.
Ирина Якутенко
Ирина Якутенко
