ПЦР – полимеразная цепная реакция – лежит в основе огромного количества анализов, используемых для научных экспериментов в генной и биологической инженерии, в криминалистике, при установлении родственных связей, а также для выявления обширного ряда различных наследственных и вирусных заболеваний. В нашей статье мы расскажем Вам об истории развития технологии ПЦР, которая помогает медикам спасать жизни в условиях напряжённой эпидемиологической ситуации.
В 1960-х годах микробиолог Томас Брок исследовал крошечные формы жизни, обитающие в кипящих термальных источниках Йеллоустонского национального парка. Тогда он даже представить не мог, что его открытие приведёт к масштабной революции в медицине. В 1964 году Брок путешествовал по стране и остановился в Йеллоустоне, чтобы впервые в жизни увидеть местные термальные источники. В бассейнах горячей воды микробиолог заметил разноцветные слои волокнистой массы: рейнджеры парка не смогли пояснить ему, что представляет собой это нечто. Тогда Брок решил самостоятельно заняться исследованием жизни в термальных источниках, поскольку что-то подсказывало ему, что та цветастая масса была живой.
Вернувшись в Йеллоустон в 1965 году, Томас Брок взял образец желеобразного вещества, обнаруженного им на стенке источника Octopus Spring. Температура этого водоёма составляла почти 88 ℃: учёные того времени предполагали, что ничто живое не может существовать в таких условиях. В своём журнале Брок описал взятый им образец как что-то «определённо живое». Годом позже он вновь вернулся в национальный парк в компании аспиранта Гудзона Фриза, чтобы возобновить изучение оказавшейся водорослями мягкой и липкой массы в источнике Mushroom Spring. Практически во всех полученных образцах учёные обнаружили бактерии. Среди них была и Thermus aquaticus – экстремально термофильная бактерия, ферменты которой вошли в основу технологии ПЦР.
С момента открытия двухспиральной формы ДНК в 1953 году учёные по всему миру с остервенением искали новые способы для исследования этих крошечных генетических молекул. В то время процесс получения даже единичного экземпляра молекулы был чрезвычайно трудоёмким, а для научных экспериментов учёным требовалось гораздо большее количество ДНК. В 1980-х годах биохимик Кэри Муллис разработал технику ПЦР, которая имитировала естественную репликацию ДНК для получения большего количества копий. Исследуя генетические молекулы, он обнаружил специфический фермент – ДНК-полимеразу, который участвует в репликации ДНК. Этот фермент буквально считывает отрезки цепи нуклеотидов молекулы и использует их в качестве шаблона для последующего копирования генетической информации. Метод Муллиса предусматривал череду циклов нагревания и охлаждения молекул ДНК, количество которых практически удваивалось с каждым циклом. Однако ещё на ранних этапах экспериментов биохимик столкнулся с проблемой. Частое воздействие высоких температур денатурировало ДНК-полимеразу подобно тому, как нарушается и изменяется структура белков в яичнице в процессе её готовки. Это значительно замедляло процесс и делало его менее эффективным.
Компания Cetus Corporation, в которой трудился Кэри Муллис, была одной из первых биотехнологических организаций в мире. В её лабораториях также происходило исследование термофильной бактерии Thermus aquaticus. Муллис знал, что данная бактерия прекрасно размножается в условиях экстремально горячих температур, а значит, в делении её ДНК должен принимать участие термостойкий аналог ДНК-полимеразы. Тогда он стал использовать для ПЦР термостабильную Taq-полимеразу, которая без проблем переживала многочисленные циклы нагревания, что значительно упростило и ускорило процесс репликации ДНК. В 1993 году Муллис получил Нобелевскую премию по химии за создание технологии ПЦР, которая революционизировала молекулярную биологию и медицину.
Спустя годы с момента открытия Брока и Муллиса учёные значительно усовершенствовали технологию ПЦР. Когда-то ПЦР была процедурой, выполнение которой было возможно исключительно в пределах самых совершенных лабораторий, а сегодня она стала гораздо более привычной даже в небольших больничных лабораториях. Благодаря повышению темпов деления молекул ДНК обнаружить фрагменты нуклеиновой кислоты возбудителя какого-либо заболевания в пробе биологических жидкостей пациента стало гораздо проще даже при условии их малой концентрации в оригинальном образце. Актуальный в наше время ПЦР-тест на выявление возбудителей COVID-19 несколько отличается от стандартного. Генетическая информация вируса SARS-CoV-2 содержится в одноцепочной РНК, потому для его выявления необходимо использовать метод ПЦР в реальном времени с реакцией обратной транскрипции. Первый шаг данного теста заключается в превращении молекулы РНК в ДНК, а затем происходит измерение количества генетических молекул в образце с использованием флуоресцентного красителя, вживляемого структуру ДНК. Чем ярче светится образец, тем активнее происходит репликация молекул.
Стремление Томаса Брока к изучению крошечных форм жизни буквально изменило мир. Тем удивительнее осознавать, что современники Брока осуждали его за проявление инициативы в казавшемся им бесполезным исследовании, которое никогда не найдёт практического применения. Учёные уверены, что многочисленные неизведанные организмы, обитающие в кромешной тьме глубин океана, на леденящих душу и тело просторах Антарктиды, в глубине вулканов и кипящих термальных источников, таят в себе невероятные биологические механизмы выживания, которые всё ещё ждут своего часа славы. Чтобы научиться бороться с микроорганизмами и защитить себя от их воздействия, людям нужно как следует изучить их, чтобы знать врага в лицо.
