CHITAT-KNIGI.COM
Читать бесплатно хорошую книгу!
  • Главная
  • Жанры
  • Авторы
  • ТОП книг
  • ТОП авторов
  • Контакты

Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Часть 46 из 73 Информация о книге
Составляем слова из букв

Получается, читать ДНК нелегко. Через 15 лет после открытия пространственной структуры ДНК Рэй Ву и Дейл Кайзер сумели распознать 12 нуклеотидов в геноме вируса [49]. Весь этот геном содержит около 48 тысяч нуклеотидов. Пять лет спустя Аллан Максам и Уолтер Гилберт получили последовательность из 24 нуклеотидов ДНК – область lac-оператора (см. главу 4). Для этого потребовалось два года напряженной работы – на секвенирование с такой скоростью генома человека ушло бы 250 миллионов лет. Явно были нужны куда более эффективные методы.

И такие методы появились1. Несколько следующих страниц мы посвятим именно им – и не только из-за их значимости в современном мире, но и потому, что одним своим существованием они заявляют о важности познания физической природы ДНК и других биомолекул. Понятийным фоном для этой практической главы послужат такие свойства, как размер, жесткость и электрический заряд, и такие темы, как самосборка и предсказуемая случайность.

В 1976–1977 годах появились два остроумных метода определения последовательности ДНК: один разработали те самые Максам и Гилберт, а другой – Фредерик Сэнгер с коллегами. Метод Сэнгера оказался проще и в итоге доминировал в отрасли больше двух десятилетий. Я начну рассказ о техниках чтения ДНК именно с секвенирования по Сэнгеру.

Представьте, что у вас нет возможности последовательно, буква за буквой читать слово М-О-Л-Е-К-У-Л-А, но вы видите перед собой множество оборванных копий этого слова, в каждой из которых различима лишь последняя буква: «??Л», «?О», «?????У» и так далее. Заметив, что все трехбуквенные фрагменты оканчиваются на Л, все четырехбуквенные – на Е и так далее, вы установите, что вместе они образуют слово МОЛЕКУЛА. В принципе, в этом и состоит суть метода Сэнгера и еще нескольких подходов: чтение осуществляется путем распознавания отдельных кусочков, а не последовательного движения по цепи.

В главе 1 мы уже описывали несколько шагов из этого рецепта. Представьте себе не весь геном, а что-то более податливое – скажем, фрагмент ДНК размером несколько сотен пар нуклеотидов. Полимеразная цепная реакция (ПЦР) создает несметное число копий этого фрагмента, а тепло разделяет каждую двойную спираль на одноцепочечные половинки. Пока забудьте об одной из них и представьте миллионы идентичных одноцепочечных ДНК. Как вы помните, ДНК-полимераза создает идеальный комплемент любой цепи ДНК: руководствуясь принципом комплементарности, она сшивает из свободных нуклеотидов новую партнерскую цепь. А теперь представьте, что ученый применяет ДНК-полимеразу для репликации ДНК, как в нормальной ПЦР, но вводит в массив свободных нуклеотидов небольшое количество дефектных молекул: они мало отличаются от обычных A, Ц, Г, T и по-прежнему встраиваются в растущую цепь ДНК, но уже к ним новые нуклеотиды присоединиться не могут. Полимераза не умеет отбраковывать такое строительное сырье, и если ей попадается нормальный свободный нуклеотид, новая цепь удлиняется, если же встраивается измененный вариант, он блокирует дальнейший синтез и остается в цепи последним. Поскольку добавление терминирующих нуклеотидов происходит по воле случая и сравнительно редко, ученый получает множество цепочек ДНК, которые начинаются одинаково, но различаются по длине.

Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир - i_103.jpg

Пока складывается впечатление, что измененные нуклеотиды просто нарушают ход ПЦР, однако они сконструированы так, чтобы не только препятствовать удлинению ДНК, но и работать «маячками» – испускать свет одного из четырех цветов, уникальных для не-совсем-A, не-совсем-Ц, не-совсем-Г и не-совсем-T. Распознаваемым сигналом могут служить не только цвета. Сначала в секвенировании по Сэнгеру использовали радиоактивные метки, а вместо ПЦР (которую тогда еще не изобрели) для клонирования ДНК привлекали бактерий. Здесь мы описываем более поздние и эффективные разновидности метода, основанные, однако, на тех же принципах [50].

На последнем этапе плавления ДНК-дуплекс разделяется на две нити, и фрагменты разной длины оказываются маркированными на концах: теперь они напоминают те куски слов, где видно лишь последнюю букву. Ученый по-прежнему не знает длину конкретных фрагментов, и они слишком малы, чтобы наблюдать их в видимом свете. Как мы узнали из главы 1, ПЦР эксплуатирует одну из важных физических характеристик ДНК – плавление, то есть разделение двойной спирали на отдельные цепи при превышении специфической температуры. Секвенирование по Сэнгеру задействует и другое важное свойство ДНК – электрический заряд.

Как мы отметили в главе 3, описывая наматывание ДНК на гистоны, ДНК заряжена отрицательно, а значит, ее можно перемещать с помощью электрических полей: притягивать к положительно заряженным электродам и отталкивать от отрицательно заряженных2. В обычной воде кусочки ДНК движутся со сходной скоростью вне зависимости от размера. У крупных фрагментов заряд больше, а следовательно, их толкает бо́льшая электрическая сила, но и сопротивление жидкости они встречают бо́льшее. Физика масштабирования этих двух сил в зависимости от размера фрагмента сложна и неочевидна, но в итоге их эффекты почти нивелируют друг друга, и в негустой жидкости подвижность фрагмента слабо зависит от его длины. А вот в гелевых пластинах ситуация меняется. Длинные молекулярные цепочки пищевого желатина, например, спутываются и формируют пористую трехмерную сеть, пропускающую воду. Чтобы перемещаться по гелю, однонитевая ДНК (черная на рисунке) должна змейкой пробираться через поры – по-научному это называется рептацией. ДНК приходится то и дело извиваться, с чем короткие молекулы справляются гораздо быстрее, чем длинные.

Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир - i_104.jpg

Предсказуемая случайность броуновского движения – важнейшее условие для такого способа перемещения. Без нее ДНК застревала бы в геле, каким бы сильным ни было электрическое поле: попади концы нити в разные поры, молекула повисла бы на препятствии, как полотенце на веревке, и не смогла бы высвободиться. Но благодаря броуновскому движению ДНК постоянно колеблется и переориентируется, выбираясь из одного отверстия и проскальзывая сквозь другое. Статистическая прогнозируемость микроскопической случайности дает нам четко определенную и поддающуюся математической обработке скорость движения молекулы.

Итак, после амплификации ДНК с проставлением концевых меток и прогона фрагментов ДНК через гель под действием электрического поля [51] мы получаем возможность прочитать нуклеотидную последовательность. Все фрагменты одной и той же длины будут светиться одним цветом. Допустим, нити из 27 нуклеотидов заканчиваются модифицированным Ц, несущим, скажем, красную метку. А нити из 28 нуклеотидов заканчиваются модифицированным T с синей меткой. И так далее. Среди нитей из 27 нуклеотидов нет ни одной синей, поскольку все фрагменты этой длины, как точные копии друг друга, должны заканчиваться Ц, а все терминирующие Ц – красные. (Быть может, читая последние страницы, вы переживали за выпавшую из нашего поля зрения вторую исходную цепь ДНК, которая могла бы стать матрицей для второго набора молекулярных фрагментов. Не бойтесь: в секвенировании по Сэнгеру особый подбор праймеров заставляет ДНК-полимеразу работать только с одной из цепей двойной спирали, потому вторая вообще не реплицируется.)

Все фрагменты ДНК совместно попадают в тонкую трубку с гелем, проходя по которой, разделяются из-за разной скорости движения. Наблюдая за флуоресценцией проходящих через трубку точек, ученый фиксирует, например, вначале красный сигнал, затем синий, еще один синий, за ним зеленый и так далее, и интерпретирует их как последовательность ЦTTA+++++. Вот мы и прочитали ДНК.

Перейти к странице:
Предыдущая страница
Следующая страница
Жанры
  • Военное дело 2
    • Спецслужбы 2
  • Деловая литература 81
    • Деловая литература 1
    • Корпоративная культура 4
    • Личные финансы 9
    • Малый бизнес 1
    • Маркетинг, PR, реклама 15
    • О бизнесе популярно 46
    • Управление, подбор персонала 6
    • Экономика 8
  • Детективы и триллеры 1352
    • Боевики 167
    • Дамский детективный роман 12
    • Детективы 414
    • Иронические детективы 101
    • Исторические детективы 240
    • Классические детективы 99
    • Криминальные детективы 93
    • Крутой детектив 64
    • Маньяки 9
    • Политические детективы 28
    • Полицейские детективы 149
    • Прочие Детективы 390
    • Техно триллер 2
    • Триллеры 643
    • Шпионские детективы 46
  • Детские 194
    • Детская образовательная литература 5
    • Детская проза 70
    • Детские остросюжетные 28
    • Детские приключения 97
    • Детские стихи 4
    • Прочая детская литература 34
  • Детские книги 299
    • Детская фантастика 114
    • Детские детективы 3
    • Книги для подростков 23
    • Сказки 106
  • Документальная литература 403
    • Биографии и мемуары 254
    • Военная документалистика 2
    • Искусство и Дизайн 7
    • Критика 6
    • Научпоп 6
    • Прочая документальная литература 32
    • Публицистика 136
  • Дом и Семья 99
    • Домашние животные 6
    • Здоровье и красота 18
    • Кулинария 14
    • Прочее домоводство 4
    • Развлечения 3
    • Сад и Огород 3
    • Спорт 3
    • Хобби и ремесла 4
    • Эротика и секс 50
  • Драматургия 39
    • Драма 38
    • Киносценарии 1
    • Мистерия 1
    • Трагедия 1
  • Жанр не определен 1
    • Разное 1
  • Компьютеры и Интернет 4
    • Базы данных 1
    • Интернет 1
    • Программное обеспечение 1
    • Прочая компьютерная литература 1
  • Любовные романы 15032
    • Исторические любовные романы 495
    • Короткие любовные романы 1294
    • Любовно-фантастические романы 6693
    • Остросюжетные любовные романы 382
    • Порно 46
    • Прочие любовные романы 33
    • Слеш 271
    • Современные любовные романы 6283
    • Фемслеш 27
    • Эротика 3337
  • Научно-образовательная 186
    • Альтернативная медицина 1
    • Астрономия и Космос 3
    • Биология 15
    • Биофизика 2
    • Биохимия 2
    • Ботаника 2
    • Военная история 2
    • Геология и география 3
    • Государство и право 1
    • Детская психология 4
    • Зоология 2
    • Иностранные языки 1
    • Культурология 28
    • Литературоведение 15
    • Медицина 23
    • Обществознание 4
    • Педагогика 7
    • Политика 14
    • Прочая научная литература 33
    • Психотерапия и консультирование 19
    • Религиоведение 5
    • Секс и семейная психология 7
    • Технические науки 1
    • Физика 5
    • Философия 13
    • Химия 2
    • Юриспруденция 5
    • Языкознание 7
  • Образование 325
    • Бизнес 45
    • Биография и мемуары 46
    • Здоровье 10
    • История 169
    • Карьера 4
    • Психология 159
  • Поэзия и драматургия 19
    • Басни 1
    • Драматургия 5
    • Лирика 1
    • Поэзия 13
  • Приключения 359
    • Вестерны 2
    • Исторические приключения 202
    • Морские приключения 39
    • Природа и животные 16
    • Прочие приключения 86
    • Путешествия и география 33
  • Проза 1165
    • Антисоветская литература 3
    • Афоризмы 1
    • Военная проза 55
    • Историческая проза 178
    • Классическая проза 74
    • Контркультура 9
    • Магический реализм 46
    • Новелла 5
    • Повесть 16
    • Проза прочее 11
    • Рассказ 45
    • Роман 66
    • Русская классическая проза 33
    • Семейный роман/Семейная сага 2
    • Сентиментальная проза 4
    • Советская классическая проза 38
    • Современная проза 1002
    • Эпопея 1
    • Эссе, очерк, этюд, набросок 2
  • Прочее 701
    • Газеты и журналы 3
    • Изобразительное искусство, фотография 6
    • Кино 3
    • Музыка 3
    • Театр 1
    • Фанфик 686
  • Религия и духовность 133
    • Буддизм 1
    • Православие 1
    • Прочая религиозная литература 1
    • Религия 10
    • Самосовершенствование 39
    • Эзотерика 85
  • Справочная литература 27
    • Прочая справочная литература 2
    • Путеводители 8
    • Руководства 6
    • Справочники 8
    • Энциклопедии 6
  • Старинная литература 65
    • Античная литература 1
    • Древневосточная литература 4
    • Мифы. Легенды. Эпос 20
    • Прочая старинная литература 41
  • Техника 2
    • Автомобили и ПДД 1
    • Архитектура 1
  • Фантастика и фентези 14874
    • Альтернативная история 2088
    • Боевая фантастика 3027
    • Героическая фантастика 794
    • Городское фэнтези 1016
    • Готический роман 4
    • Детективная фантастика 368
    • Ироническая фантастика 77
    • Ироническое фэнтези 61
    • Историческое фэнтези 246
    • Киберпанк 137
    • Космическая фантастика 921
    • Космоопера 18
    • ЛитРПГ 777
    • Любовная фантастика 183
    • Любовное фэнтези 113
    • Мистика 261
    • Научная фантастика 531
    • Попаданцы 4615
    • Постапокалипсис 479
    • Сказочная фантастика 11
    • Социально-философская фантастика 261
    • Стимпанк 73
    • Технофэнтези 41
    • Ужасы 103
    • Ужасы и мистика 407
    • Фантастика 250
    • Фантастика: прочее 137
    • Фэнтези 6978
    • Эпическая фантастика 155
    • Юмористическая фантастика 688
    • Юмористическое фэнтези 633
  • Фольклор 3
    • Народные сказки 3
  • Юмор 94
    • Анекдоты 1
    • Комедии 1
    • Прочий юмор 36
    • Сатира 1
    • Юмористическая проза 52
    • Юмористические стихи 3
CHITAT-KNIGI.COM

Читать онлайн бесплатно книги полностью без регистрации

Контакты
  • chitatknigicom@gmail.com
Информация:
  • Карта сайта
  • Слушать Аудиокниги
  • Руководства по ремонту автомобилей
© chitat-knigi.com, 2021 - 2026. | Вход
Этот сайт использует cookie для хранения данных. Продолжая пользоваться сайтом, вы даете свое согласие на работу с этими данными в соответствии с нашей политикой конфиденциальности.
Я согласен