Архив   Авторы  

ДНК-машина
Общество и наукаТехнология

Птичий грипп, сибирская язва, черная оспа - вот только несколько биологических угроз, распознать которые можно с помощью генетических маркеров. «Умная молекула», сконструированная израильскими учеными, сможет делать это быстро и безошибочно

 

В день, когда я приехала в Еврейский университет в Иерусалиме, профессора бастовали - требовали повышения зарплаты. Впрочем, протестные настроения из учебных аудиторий не перекинулись в университетские лаборатории. Напротив, работа группы нанохимии и молекулярных методов, возглавляемой профессором Итамаром Вильнером, не прерывалась ни на минуту. Еще бы: развитие новейших технологий - дело дорогое, тут не до простоев. Зарплата зарплатой, но одних только расходных материалов группе требуется почти на миллион долларов в год… Профессор обещал мне рассказать о своем последнем изобретении - искусственно сконструированной «умной молекуле», состоящей из ДНК, умеющей «читать» кусок генома и работающей почти совсем как машина, но только на энзимах. Конечно, мне очень хотелось узнать о ювелирной работе ученых, сработавших на много порядков тоньше, чем знаменитый Левша.

Итамар Вильнер много лет занимается проблемой биосенсоров и считает, что молекула, умеющая «читать» ДНК, получит самое широкое применение. «Сейчас существует большая потребность в определении ДНК для самых разных целей», - говорит он. Например, современные анализы в медицине или эпидемиологии. C помощью генетических маркеров в организме человека или животного обнаруживают болезнетворные бактерии и вирусы. Для онкологических заболеваний характерны особые мутации генов: определить некоторые из них тоже может ДНК-анализ. Птичий грипп, сибирская язва, черная оспа - вот только несколько биологических угроз, распознать которые можно с помощью генетических маркеров.

При этом фактор времени играет в таком анализе не последнюю роль. Между тем метод определения ДНК, используемый сейчас повсеместно, - так называемая PCR (полимеразная цепная реакция), требует значительных временных затрат. Да и без лаборатории, в чистом поле или в больничной палате, его не применить. «PCR - хороший метод, но он не лишен недостатков. Все происходит не так быстро, как хотелось бы, - говорит Вильнер. - Сначала вы берете образец, в котором может содержаться очень малое количество ДНК, которую надо определить. Чтобы с образцом можно было работать, требуется «размножить» ДНК, получив множество ее копий, и только затем «прочитать» ее с помощью специального оборудования».

Специалисты, работающие с ДНК, не раз мечтали о своеобразной лакмусовой бумажке: просто приложи ее к образцу, содержащему нужный ген, и она немедленно изменит цвет... Сделать, казалось бы, несбыточные мечты реальностью помогло развитие нанобиотехнологий. Конечно, для этого пришлось придумать кое-что посложнее, чем простой лакмус. Сконструированные с помощью генной инженерии «умные молекулы» способны не только самостоятельно «прочитать» ДНК, которую требуется определить, но и «просигнализировать» о ее наличии запуском химических реакций, в результате которых выделится красящее или люминесцентное вещество. В результате проба изменит цвет. «Мы разрабатываем общий метод, который в принципе позволяет идентифицировать любую ДНК: вируса, бактерии, клетки организма. Достаточно только предоставить нам образец для сравнения. Этот способ не такой высокоточный, как PCR, но он близок к нему по чувствительности, - говорит Вильнер. - При этом нам не нужно специальное оборудование, с его помощью можно работать в поле, на производстве, в клинике - без лаборатории. И результат анализа будет сразу виден на глаз».

Авторы дали «умной молекуле» еще одно название - «ДНК-машина». Сначала удивляешься: почему машина? Но, пытаясь понять сложный механизм химических реакций, невольно вспоминаешь часовые шестеренки и балансиры. Для того чтобы молекула работала, все должно действовать слаженно, как в часах. Впрочем, создатели предпочитают сравнивать свою «умную молекулу» не с часами, а с автомобилем. Почему? Все просто: как и у автомобиля, у нее есть «отходы». В случае с обычной машиной вы заливаете бак горючим, двигатель работает, но при этом выделяет выхлопные газы. У молекулярной машины тоже есть свое «топливо» и «отходы». В качестве бензина служит та самая ДНК, которую надо опознать. Как у всякого механизма, здесь тоже существует момент старта. «После того как образец ДНК, который мы хотим определить, попадает в поле распознавания нашей молекулярной машины, она автоматически активируется, - говорит Вильнер. - Тут начинается неконтролируемая работа, которую мы не в состоянии остановить». Машина работает и работает, как сумасшедшая. Впрочем, исследователям это только на руку - именно благодаря безостановочной работе появляется большое количество «отходов». «Отходы» - это особая ДНК-структура, которая обладает каталитическими свойствами и работает как энзим, биологический катализатор, направляющий и регулирующий обмен веществ. Исследователи дали этому особому энзиму название «ДНК-зим». Именно благодаря ему результат анализа ДНК, проведенного «умной молекулой», можно увидеть невооруженным глазом. После взаимодействия с добавленным в исследуемый образец гемином (производным гемоглобина) этот катализатор активизируется и заставляет светиться флуоресцентное вещество люминол, которое ученые примешивают в анализируемую биологическую среду. В других случаях химическая реакция может привести к тому, что образец постепенно будет окрашиваться в синий цвет.

Ученые из Иерусалима задумали создать целый «парк» молекулярных машин. У всех у них во многом схожая конструкция - это цепочка пар нуклеотидов, различимая только под электронным микроскопом. Однако в основе ее - продуманный ДНК-дизайн, выполненный генными инженерами и потребовавший не меньше усилий, чем создание какого-нибудь «полноразмерного» мотора. Машина состоит из трех основных частей. Первая - искусственная структура, приспособленная для распознавания той или иной ДНК и взаимодействующая с ней по принципу «ключ-замок». Обычно такая структура состоит из 50-60 оснований ДНК. Эта часть вариабельна: ее строение зависит от того, какой генетический материал нужно распознать. «Нет, эта часть конструкции не представляет собой секрета, - предвосхищает Итамар Вильнер мой вопрос. - Я беру нужный образец ДНК и конструирую соответствующую ему «распознающую» часть машины. Например, чтобы определить ген птичьего гриппа, мы берем из крови или тела подозрительной птицы ДНК. И в том случае, если опасный вирус присутствует в ее организме, происходит «сцепление» структуры, ответственной за распознавание, с ДНК вируса». Впрочем, молекулярную машину можно настроить на распознавание не только ДНК. Сейчас, например, сотрудники исследовательской группы учатся быстро находить в биологическом материале следы кокаина и взрывчатки. Можно предсказать, что эта разработка будет пользоваться спросом.

Две другие части машины также одинаковы во всех молекулярных устройствах. Одна из них представляет собой последовательность оснований ДНК, подходящую для ДНК-зима. Но настоящее «сердце» машины - это ее средняя часть. Именно здесь происходит то, что, без сомнения, является ноу-хау иерусалимских исследователей. Чтобы система успешно работала, необходимы определенные добавки. Это, во-первых, два энзима. Один из них - хорошо известная всем полимераза, участвующая в PCR, ведущей к появлению копий ДНК. Другой скрывается под интригующим названием «энзим-метка». Во-вторых, непременным условием работы ДНК-машины является присутствие смеси всех возможных оснований, из которых состоит ДНК. В тот момент, когда «умная молекула» распознает тот генетический материал, который она должна найти, полимераза и смесь оснований ДНК начинают реакцию полимеризации. Однако вскоре в игру вступает и таинственная энзим-метка. В результате ДНК-зим непрерывно «состругивается» с образующихся цепочек. Таких «отходов» и «стружек» становится все больше. А ДНК-зим за счет химических реакций дает окраску образца, позволяющую увидеть невооруженным глазом, что опасный вирус, бактерия или генетическая мутация найдены. «Вот так это работает, - заключает Итамар Вильнер. - Я определяю нужную ДНК, затем начинается неконтролируемая реакция полимеризации, и в течение приблизительно тридцати минут образуется количество ДНК-зима, достаточное для того, чтобы синий цвет или флуоресценция были заметны на глаз. Это концепция машины».

Исследователь уверен: пройдет совсем немного времени, и техника анализов ДНК благодаря «умным молекулам» изменится до неузнаваемости. На смену громоздкому и дорогому лабораторному оборудованию придут простые в обращении тест-системы, пользоваться которыми сможет практически любой. Кто знает, может, совсем скоро «померить ДНК» будет ничуть не сложнее, чем поставить градусник? Впрочем, у ДНК-машин могут быть и другие применения. «Мы подходим к более сложным темам, таким, как использование молекулярных машин в развитии совершенно новых методов лечения. Это гораздо более сложная задача, - говорит он. - Мы могли бы с их помощью найти у человека ген с мутацией и попробовать «выключить» его».

В этом случае «умные молекулы» будут действовать логически - как компьютеры. Допустим, в организме есть гены с мутациями, характерные для определенных заболеваний, например для рака. Мы уже знаем, что обнаружить такую мутацию для «умной молекулы», введенной в кровеносный сосуд, не составит труда. Что произойдет дальше? ДНК-машина, обнаружив генетический материал, на который она нацелена, заработает. И в качестве «отходов» начнет производить не красящие вещества, а особую ДНК, которая, связываясь с «плохим» геном, просто «выключит» его. «Находя гены, характерные для заболеваний, и «выключая» их, «умная молекула» будет выполнять какие-то функции искусственного интеллекта», - заключает Итамар Вильнер. Впрочем, сам исследователь считает, что о таком применении его детища можно будет подумать только лет через двадцать. И не только потому, что генным инженерам предстоит еще хорошенько подумать над конструкцией подобной машины. Проблема в другом. Во-первых, сама концепция медицины должна стать другой. Сегодня мы лечим заболевания, которые уже появились. Завтра врачи будут прежде всего иметь дело с человеком, который ничем не болен. «Умная молекула» попадет в его организм задолго до начала болезни, - говорит Вильнер. - Но заработает лишь в том случае, если определит у него генетические маркеры заболеваний. И тогда в организм поступит лекарство, которое до этого в связанном виде будет храниться в молекуле. ДНК станет лекарством».

Конечно, создать такое лекарство очень непросто. В человеческом организме есть множество разнообразных энзимов, способных разрушить ДНК. Как сделать так, чтобы ДНК-лекарство могло надежно храниться в молекуле сколь угодно долго? В конце концов, оно может вовсе не понадобиться, если «умная молекула» не найдет у человека «плохой» ген… Это трудная задача. И пока еще очень далекая от практической реализации. Впрочем, ничего невозможного нет. Ведь человек уже научил молекулу поступать логически и работать почти как автомобиль.

Добавить в:  Memori  |  BobrDobr  |  Mister Wong  |  MoeMesto  |  Del.Icio.Us  |  Google Bookmarks  |  News2.ru  |  NewsLand.ru

Политика и экономика

Что почем
Те, которые...

Общество и наука

Телеграф
Культурно выражаясь
Междометия
Спецпроект

Дело

Бизнес-климат
Загранштучки

Автомобили

Новости
Честно говоря

Искусство и культура

Спорт

Парадокс

Анекдоты читателей

Анекдоты читателей
Популярное в рубрике
Яндекс цитирования NOMOBILE.RU Семь Дней НТВ+ НТВ НТВ-Кино City-FM

Copyright © Журнал "Итоги"
Эл. почта: itogi@7days.ru

Редакция не имеет возможности вступать в переписку, а также рецензировать и возвращать не заказанные ею рукописи и иллюстрации. Редакция не несет ответственности за содержание рекламных материалов. При перепечатке материалов и использовании их в любой форме, в том числе и в электронных СМИ, а также в Интернете, ссылка на "Итоги" обязательна.

Согласно ФЗ от 29.12.2010 №436-ФЗ сайт ITOGI.RU относится к категории информационной продукции для детей, достигших возраста шестнадцати лет.

Партнер Рамблера