Что современная химия и биохимия умеют делать с нуклеиновыми кислотами

Замечательной способностью ДНК является возможность ее размножения. В принципе для этого нужны лишь должным образом подготовленные нуклеотиды и ДНК-полимераза. Поэтому, получив некоторое небольшое количество ДНК, ее можно размножить. В настоящее время эта процедура для небольших молекул ДНК или определенных кусков большой молекулы хорошо разработана. Она получила название амплификации, или полимеразной цепной реакции (ПЦР). Имеется лишь одна осложняющая, но без особого труда преодолимая проблема. Дело в том, что особенностью всех известных ДНК-полимераз является их неспособность начать синтез новых полимерных цепей. Они могут только удлинять уже существующую цепь, связанную с комплементарной матрицей.

В живых организмах эта трудность преодолевается довольно сложным образом. Когда приходит время для удвоения ядерной или бактериальной ДНК, вступает в действие специальный фермент, выбирающий определенные участки ДНК, с которых должна начаться репликация, и синтезирует на них короткие затравочные фрагменты РНК — прай-меры. Фермент, по сути дела, является РНК-поли-меразой, но выполняющей специальную функцию. Его часто называют ДНК-праймазой. После образования праймера ДНК-полимераза продолжает рост цепи уже с помощью дезоксирибонуклеотидов. Таким образом, вначале образуется ДНК, несущая на 5'-конце небольшой фрагмент РНК:

Из неспособности ДНК-полимераз начинать синтез новых цепей ДНК следует, что для осуществления ПЦР помимо ДНК-полимеразы и мономеров необходимы праймеры. Если речь идет об амплификации определенного участка ДНК, то достаточно ввести в систему праймеры, комплементарные 3'-концам выбранных участков обеих нитей. Это делают при умеренной температуре, чтобы дуплекс матрицы с праймером был достаточно прочным. После проведения синтеза дочерних копий выбраного участка новые дуплексы разрушают нагреванием до достаточно высокой температуры, чтобы развести исходную и новосинтезированную нити, затем снова охлаждают до температуры, благоприятствующей образованию дуплексов с праймером и последующей репликации. Ясно, что при каждом таком цикле количество копий амплифицируемого участка удваивается, то есть за 20 циклов можно увеличить количество интересующей исследователя последовательностей в 220 = 106 раз.

Среди многочисленных применений ПЦР следует в первую очередь отметить, что она нашла применение для выявления мутантных генов, что имеет огромное практическое значение для выявления наследуемых заболеваний. При проведении ПЦР при этом вводятся такие праймеры, чтобы они помогли ему простимулировать амплификацию му-тантного гена, но не дали возможность амплифици-ровать неизмененный ген. Если выявляемая мутация присутствует, то на последней стадии амплификации на фоне разнообразных фрагментов ДНК, которые не подверглись амплификации, получится большое количество мутантного фрагмента, который легко обнаружить и определить, что это именно искомый фрагмент, поскольку он имеет определенный заранее известный размер. При наличии хороших реактивов и приборов удается зарегистрировать изначально ничтожные количества определенной последовательности. ПЦР позволяет проводить такие тонкие анализы, как пренатальную диагностику — определение нежелательной последовательности у плода на первых неделях беременности. В зависимости от характера заболевания, провоцируемого таким мутантным геном, можно либо принять специальные меры для нейтрализации негативного эффекта, вызываемого этим геном, либо в некоторых не поддающихся профилактике случаях рекомендовать женщине своевременно избавиться от дефектного плода и тем самым предотвратить появление дефектного ребенка.

Возможность химически синтезировать, а также направленно вырезать из природных ДНК различные гены привела к рождению новой области биотехнологии — генной инженерии. Появились методы, позволившие вставлять произвольные гены в небольшие молекулы ДНК, способные внутри определенных клеток автономно размножаться, или самокопироваться синхронно с репликацией клеточной ДНК. Появилась возможность встроить ген, не свойственный данному организму, в наследственные структуры этого организма. А поскольку ген может программировать образование кодируемого им продукта — белка или РНК, — то такой организм может начать производить несвойственный ему продукт. Оказалось возможным производить в клетках бактерий нужные человеку или какому-либо важному для сельского хозяйства животному белки. Одним из самых впечатляющих примеров является организация генноинженерного производства человеческого инсулина. Это чрезвычайно важный гормон, производимый поджелудочной железой и совершенно необходимый для усвоения сахара. Недостаток, а тем более полное отсутствие инсулина приводят к тяжелейшему и широко распространенному заболеванию — диабету. Основным средством спасения диабетиков является ежедневное введение инсулина. Большая часть больных может пользоваться бычьим инсулином, который добывают из поджелудочной железы крупного рогатого скота на мясокомбинатах. Однако существуют многие десятки тысяч диабетиков, которые не могут использовать чужеродный инсулин, несколько отличающийся по структуре от человеческого. Создание гена человеческого инсулина позволило поставить производство человеческого инсулина с помощью бактерий, то есть генноинженерными методами. В настоящее время созданы бактерии, производящие многие белки, нужные в медицине или сельском хозяйстве, такие, как гормон роста для повышения продуктивности мясного животноводства и человеческий интерферон для профилактики и лечения некоторых вирусных заболеваний.

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.