Вы вошли как ГостьПриветствую Вас, Гость
Главная » 2016 » Июнь » 18 » Когда разгадан код ДНК?
21:58
Когда разгадан код ДНК?

    Веками для человека оставалась загадкой тайна наследственности. Длительное время господствовали теологические теории, утверждавшие, что наследственность зависит лишь от промысла высших сил. Исследование белковых молекул в первой половине прошлого века привело научные круги к мысли, что в каждой живой клетке существует отдельный орган, отвечающий за передачу информации. Запись информации, наиболее вероятно, осуществляется на блоке из макромолекул белков, на которые информация записана как на грампластинку или магнитный диск. Так рассуждали многие биологи, физики и химики.
    Первое знакомство с биологическими полимерами, способными отвечать за передачу информации, произошло в 1868 году, когда молодой немецкий биохимик Фридрих Мишер, при изучении ядер бактерий из гноя пациентов, выделил щелочной экстракт, содержащий неизвестные до этого соединения. Обработка экстракта кислотой давала вещество с сильными кислотными свойствами, ученый назвал это вещество нуклеином. Так же, Мишер установил элементный состав нового вещества.
    Следующий шаг был сделан в 1879 году Косселем в лаборатории Гоппе-Зейлера. Было установлено, что нуклеиновые кислоты включают фрагменты остатков фосфорной кислоты, пуриновые и пиримидиновые гетероциклы, а так же, ряд моносахаридов. Именно в последние десятилетия 19-го века и появились догадки о том, что нуклеиновые кислоты отвечают за передачу наследственной информации.
    В 1930-е годы выделены ряд нуклеиновых кислот и начато подробное исследование их свойств. Но, изучение механизма передачи наследственной информации и структура полимерных молекул из данных мономеров по прежнему неизвестны, по простой причине – нет инструмента для исследований.
    Интенсивные исследования ядерного оружия и ядерной энергетики дали человечеству не только новый источник энергии, но и ряд новых методов изучения вещества. Среди данных методов можно отдельно упомянуть о рентгеноспектральном анализе. Иначе говоря, это получение фотоснимков при огромном увеличении, когда структура вещества изучается по преломлению рентгеновских лучей через монокристалл вещества. Размеры кристалла подчас измеряются долями миллиметра, а увеличение насчитывает десятки тысяч раз.
    В одной из передовых на тот момент лабораторий ядерных методов исследования вещества, в Кембридже, весной 1953 года два молодых физика Джеймс Уотсон и Френсис Крик приблизились к установлению структуры макромолекул дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). При изучении микроснимков, полученных на установке рентгеноспектрального анализа, ученые, расчетными и тригонометрическими методами установили спиралевидное строение макромолекул. Несколько позже было установлено, что спираль образована двумя переплетающимися спиралями, соединенными слабыми водородными связями и солевыми мостиками.
    Необходимо отметить, что для изучения вещества методами, связанными с дифракцией рентгеновских лучей, необходимо, чтобы вещество имело достаточно дальний порядок, иначе говоря, однородную во всем объеме кристалла структуру. Поэтому ДНК предварительно готовили методами кристаллизации из различных растворителей и их смесей. Получение хороших однородных кристаллов из различных веществ (в том числе, полимеров) является сложной и весьма специфической задачей, с которой в 1953 году с блеском справилась талантливая исследовательница из Калифорнии Розалинда Франклин.
    Несколько позже было установлено, что при подготовке образцов для исследований, происходило изменение надмолекулярной структуры ДНК. Перекристаллизация приводила к уплотнению и сглаживанию структуры. Цепочки макромолекул (ММ) выстраивались в ровные плотные ряды, что и позволяло получить рентгенограммы высокого качества. Надмолекулярная структура оказалась намного сложнее.
    Двойная спираль является только вторичной структурой ДНК (первичная структура это последовательность мономеров, соединенных в линейную цепочку). Третичной структурой ДНК являются “клубки”, то есть, особая последовательность “сворачивания” спирали в отдельные ассоциаты овальной формы. Клубки образуют группы, соединенные посредством водородных связей. К слову, длительное нагревание мозга млекопитающего до температуры выше 40*С (температура, при которой начинают разрываться межклубковые водородные связи) приводит к гибели. Разрыв водородных связей третичной структуры происходит при еще большей температуре, порядка 50-60*С. Вторичная структура разрушается только при нагревании в достаточно активном растворителе до 80*С и выше.
    Установлено, что примерно 60-70% информации закодировано в первичной структуре белка, то есть, за счет чередования нуклеиновых кислот в цепочке. Всего известно 20 нуклеиновых кислот, которые могут выстраиваться в любой пропорции и последовательности. Число нуклеиновых кислот в одной ММ достигает нескольких сотен тысяч. Число возможных комбинаций даже точно не исчислимо. Во вторичной структуре закодировано всего 5-10% информации. Третичная и четвертичная структура ДНК содержат прядка 10-15% информации  каждая. Необходимо отметить, что точное изучение третичной и четвертичной структуры ДНК сегодня практически не продвигается, так как, методы рентгенографии не применимы из-за слишком близкого порядка структуры (аморфное вещество), химические методы здесь не помощники, так как, лишь первичная структура определяется ковалентными связями между мономерами. Методы ЯМР позволяют заглянуть в физику химических связей за счет учета колебаний отдельных атомов и группировок, но, картина при исследовании макромолекул ДНК получается непомерно сложной и практически не поддается анализу.

     Достаточно большие (и весьма не безосновательные) надежды возлагаются на компьютерное моделирование, которое позволяет на основе статистических и геометрических методов подсчитывать вероятности существования тех или иных надмолекулярных структур. Мне доводилось познакомится в моей практике с несколькими подобными программами. При возможностях современных процессоров, они способны смоделировать систему из 5-20 фрагментов (в данном случае, мономеров) весьма точно, для системы из нескольких сотен фрагментов они могут показать лишь общие приблизительные зависимости. По состоянию на 2010-2012 годы в мире не было программного обеспечения, которое может взяться за расчет надмолекулярной структуры ММ из более чем, трех-четырех десятков нуклеиновых кислот. О сотнях тысяч говорить не приходится, так как, сложность растет в геометрической прогрессии при добавлении каждого нового мономера (элементарного звена макромолекулы).
    За период с 1953 года до конца прошлого века тысячи научных сотрудников по всему миру активно трудились над изучением первичной структуры ДНК. С этой целью производится постадийная деструкция ММ путем гидролиза, оторванные мономеры исследуют различными химическими или чаще, физико-химическими методами, с целью идентификации. Весь процесс очень долгий и сложный. Например, несколько сотен исследователей в течение многих месяцев устанавливали первичную структуру белковой молекулы (метод идентичен используемому для изучения ММ ДНК) гемоглобина, включающую всего 574 аминокислотных фрагмента. Достоверное изучение ММ ДНК длинной в 500-700 тысяч звеньев не удается провести и сегодня. Существует, и активно применяется в криминалистике метод сравнения первичной структуры ДНК, основанный на групповом приблизительном анализе фрагментов (“кусков”) цепочки ДНК. Это экспресс метод, позволяющий с вероятностью 99% сравнить два образца ДНК. Метод хорош, но, он практически не связан с установлением полной картины строения цепочки ДНК, и тем более, не охватывает надмолекулярной структуры ДНК.
    Начиная с середины 1980-х годов во всем мире широко используются методы модификации живых клеток с использованием рестриктивных ферментов. Данный метод сегодня развивается почти эмпирическим путем, и позволяет лишь приблизительно “отрезать” и “срастить” ММ ДНК в заданном месте. В каком именно месте резать и с чем сращивать решают генетики, причем приблизительно и на основании эксперимента. Например, известно, что в ММ ДНК патиссона фрагменты с 1100 по 1230 звенья отвечает за скорость набора крахмала в плоде. В ММ ДНК картофеля южной породы за скорость отложения крахмала в плоде отвечают звенья с 5800 по 7300. Подобрав ферменты, которые разрежут ММ в заданных местах, вшиваем фрагмент ДНК картофеля в ДНК патиссона, и готово. С вероятностью 80-90% мы получит патиссон, ДНК которого будет на 99,9% отвечать первозданному виду, но, скорость отложения крахмала в плоды будет значительно выше, чем у оригинала. Как это скажется на надмолекулярных структурах ДНК и на свойствах данного вида овощей, сказать сложно и подчас заранее невозможно. Это сильно упрощенная методика работы генетиков, занимающихся производством новых ГМО.
    Как становится понятно из сказанного выше, дословная расшифровка информации в коде ДНК не является обязательным условием, что бы вмешаться в данный код. Ранее мы уже упоминали, что простое облучение семян гамма-квантами приводит к регрессии кода, что дает новые свойства плодам. Данный метод начали использовать еще в 1950-е годы, когда о возможности расшифровки информации в коде ДНК еще только говорили самые смелые теоретики.
    Резюмируя все сказанное выше, отметим, что так называемое разгадывание кода ДНК это условность, ибо читать код как открытую книгу человек еще не научился и по сей день. Мы имеем лишь базовый инструментарий, позволяющий оценивать "плюс-минус", 60-80% основной информации в коде высших животных. Для познания недостающих 30-40% (да и для повышения точности нахождения этих 60-80%) необходимы инструменты и методы, которые еще даже не изобретены.
    
    Здесь показателен случай, когда несколько лет назад в полярных льдах был обнаружен хорошо сохранившийся труп детеныша мамонта. Некоторые, не особенно умные генетики из числа бумагомарателей, даже предположили, что можно “отреставрировать” поврежденный образец ДНК, “врастив” в него недостающие фрагменты от ДНК современных слонов, а затем клонировав животное с данным генетически кодом. Но, вскоре эту информацию опровергли более адекватные научные сотрудники, сообщив, что даже передовые достижения генетики позволяют более-менее прилично оперировать цепочками ДНК с числом фрагментов порядка 400-500, больше не позволяют, ни химические методы, ни рестриктивные ферменты. В ДНК высших млекопитающих (коими мамонты и являются) порядка полумиллиона звеньев нуклеиновых кислот. И это путь, пройденный генетиками за более чем полвека (с 1953 года).
    
     Поэтому говорить о том, что код ДНК разгадан, еще очень рано.

Категория: Пища для размышлений | Просмотров: 385 | Добавил: Chemadm | Теги: днк, ГМО, Наследственность, генетический код, генетика | Рейтинг: 5.0/3
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]