Что современная химия и биохимия умеют делать с нуклеиновыми кислотами

Химия и биохимия нуклеиновых кислот не только углубили наши представления об огромной группе важнейших биологических процессов, связанных с сохранением, размножением и использованием наследственной информации, заложенной в генетическом материале клеток, но дали мощный импульс для становления современной биотехнологии с важными практическими выходами. Для того чтобы не вслепую манипулировать нуклеиновыми кислотами, было необходимо научиться изучать их структуру, прежде всего составляющие их последовательности нуклеотидов. Впервые ценой воистину героических усилий это было сделано для нескольких тРНК, состоящих из нескольких десятков нуклеотидов. Приятно отметить, что на первом этапе соревнования за установление первичной структуры тРНК в лидирующей пятерке была и группа советских ученых, возглавляемая А.А. Баевым. Однако созданные в ходе этих работ методы были настолько трудоемки, что для прорыва в исследование ДНК и больших молекул РНК они были непригодны. Революционные решения, принципиально отличающиеся как друг от друга, так и от первых методов, были найдены в США Алленом Максамом и Уолтером Гилбертом и в Англии Фредериком Сенгером. Эти методы, в особенности метод Сенгера, сделали возможным секвенирование нуклеиновых кислот общим размером в миллионы нуклеотидных пар.

Конечно, в рамках одной статьи рассказать в деталях об этих методах невозможно. Поэтому придется ограничиться изложением наиболее принципиальных особенностей метода, причем только метода Сенгера. Особенностью проблемы является необходимость определить последовательное расположение очень большого числа остатков нуклеотидов (за один проход — несколько сот). Зато свойства каждого остатка уже хорошо изучены. Основополагающая идея Сенгера состояла в том, чтобы исследовать последовательность не самой ДНК или, точнее, ее достаточно длинного фрагмента, а исследовать структуру новосинтезированной ДНК, полученной на исследуемой ДНК как матрице с помощью ДНК-полимеразы. Из-за комплементарности новой ДНК по ее последовательности нуклеотидов нетрудно восстановить структуру матрицы. При этом оказалось возможным частично заменить в смеси мономеров, из которой синтезируется новая цепь, один из них на так называемый дидезоксинуклеотид. На рис. 1 приведена химическая формула нуклеотида, а именно тимидинфосфата, обозначенного символом dT. Остатком фосфорной кислоты он связан в цепи с предыдущим нуклеотидом. Его ОН-группа должна присоединить следующий нуклеотид при продолжении роста цепи. Оказалось, что при репликации можно совершить небольшой обман ДНК-полиме-разы — подмешать к смеси нуклеотидов дидезокси-

Рис. 1. Структуры тимидин-5'-трифосфата и его дидезоксианалога

рибонуклеотид, у которого эта ОН-группа отсутствует. Его можно обозначить в представленном случае символом ddT. С какой-то вероятностью ДНК-полимераза узнает и присоединит к растущей цепи очень похожий ddT вместо dT. Так как синтез идет в строгом соответствии с принципом компле-ментарности, то это произойдет напротив той точки матричной ДНК, где находится комплементарный dA. Но из-за отсутствия у ddT ОН-группы эта цепочка не сможет расти дальше, произойдет обрыв цепи. Обрыв с определенной вероятностью может произойти в любой точке напротив dA. Таким образом, получится смесь новосинтезированных цепей разной протяженности, причем длины (числа нук-леотидных остатков) всех этих цепей точно соответствуют номерам остатков dA матрицы. Следовательно, в таком эксперименте определяются точки расположения всех остатков dA в исследуемой ДНК. Если три аналогичных эксперимента провести со смесями, содержащими примеси других диде-зоксинуклеотидов: ddA, ddC и ddG, то аналогично будут расставлены по номерам все остальные три нуклеотида на исследуемой ДНК. Разделить же полученные смеси по длинам не представляет труда с помощью электрофореза — метода, основанного на перемещении заряженных молекул под действием постоянного электрического поля. Дело в том, что каждый остаток нуклеотида содержит остаток фосфорной кислоты, который несет отрицательный заряд. Поэтому, будучи помещены в электрическое поле, фрагменты разной длины будут перемещаться к аноду с разными скоростями. Так как электрофорез обычно проводят в очень вязкой среде (геле), то эта среда оказывает сопротивление перемещению фрагментов, тем большее, чем больше размером фрагмент. Этот фактор пересиливает действие поля, поэтому, чем длиннее фрагмент, тем медленнее он двигается, но все они располагаются в порядке, соответствующем их длинам. Остается только "увидеть" место каждого фрагмента. До сих пор для этой цели чаще всего используют радиоактивную метку: в нуклеотиды, из которых синтезируется новая цепь, вводят радиоактивный фосфор. Поэтому после окончания гель-электрофореза гель прикладывают к рентгеновской пленке и на месте нахождения фрагментов после проявления радиоавтографа появляются темные пятна. На рис. 2 схематично показаны такой радиоавтограф и читаемая с него последовательность маленького кусочка ДНК.

Перейти на страницу:
1 2 3 4

Биологически мембраны

Важнейшее условие существования клетки, и, следовательно, жизни – нормальное функционирование биологических мембран. Мембраны – неотъемлемый компонент всех клеток.


Биологические ресурсы

Несколько поколений россиян выросло под бодрые звуки песни "Широка страна моя родная! Много в ней лесов, полей и рек. С тех пор и страна стала не такой широкой, как была, а что происходит с полями и реками - читатель этой книги уже знает. На очереди - сведения о растительном мире, в том числе и о лесах.

Стратегии эволюции и кислород

Испокон веков людей волновал вопрос, как возникли живой мир и они сами. Кажущаяся непостижимость происхождения организмов во всей их сложности и совершенстве неизменно толкала человечество к религии. Действительно, как можно, не прибегая к Создателю, объяснить появление живых существ во всем их необычайном разнообразии?.

Кембрийский парадокс

Примерно 530 миллионов лет назад, в начале кембрийской эпохи, на Земле произошло уникальное событие - внезапно, быстро и почти одновременно возникло множество новых биологических форм, ставших предшественниками важнейших типов современных организмов вплоть до человека.