Если искать самую популярную научную аббревиатуру последних месяцев, то в голову сразу приходит ПЦР. По данным Яндекса за прошедший месяц более 3 миллионов запросов содержали это понятие. Только с начала марта по середину июня в России сделали более 15 миллионов ПЦР-анализов.
Но что это такое? Как работает эта биотехнология? ПЦР-метод и ПЦР-тест - это синонимы? Специально для вас мы разобрались в одном из важнейших изобретений биологов ХХ-го века. Думаем, это стоит понимать и взрослым, и детям.
1. ПЦР - это какой-то тест на вирусы?
Не совсем. ПЦР расшифровывается как полимеразная цепная реакция. По сути это биохимический метод, который позволяет размножить в пробирке отдельные молекулы ДНК или РНК до количеств, достаточных для анализа.
2. Как это работает?
Полимеразная цепная реакция - это своеобразный ксерокс для молекул ДНК и РНК.
ДНК с химической точки зрения похожа на ожерелье, состоящее из бусин - нуклеотидов. В огромной молекуле встречаются всего 4 типа бусин, которые легко синтезировать в лаборатории. Вся генетическая информация ДНК закодирована в последовательности нуклеотидов.
Чтобы собрать точную копию, нужно лишь найти микроскопическую машинку, которая будет скользить вдоль “ожерелья”, опознавать тип каждой “бусины”, брать из окружающего раствора нужную и собирать точно такое же “ожерелье”.
Сделать такую машинку человеку не под силу, но к счастью, она есть в каждой клетке почти любого живого организма. Этот ксерокс - фермент ДНК-полимераза (или РНК-полимераза). Можно сказать, ПЦР повторяет в пробирке процесс размножения нуклеиновых кислот, который происходит в наших клетках каждую секунду.
Кстати, единственные живые (с некоторой точки зрения) существа, не способные самостоятельно размножать свои нуклеиновые кислоты - это вирусы. Именно поэтому они паразитируют на клеточных организмах: им приходится захватывать чужие механизмы для копирования себя.
3. А откуда берутся эти ферменты - полимеразы?
На самом деле, извлечь такой принтер ДНК/РНК можно почти из любой клетки. Метод будет работать.
Проблема в том, что если реакцию не останавливать время от времени, “бусы” получатся бесконечными, запутанными, и пользы не будет. Для завершения печати одной копии и синтеза следующей пробирку сильно нагревают. Полимеразы любых многоклеточных существ при этом ломаются. Но ученые нашли выход: они берут ферменты термофильных бактерий, обитающих в кипящих гейзерах и вулканических озерах. Их полимеразы не повреждаются при нагревании, поэтому их не нужно добавлять в раствор между разными циклами копирования.
4. С ПЦР разобрались. А причем тут диагностика вирусных заболеваний?
В тканях человека и на бытовых поверхностях никогда не будет достаточного количества вирусной ДНК или РНК, чтобы аналитические приборы могли ее заметить. ПЦР просто позволяет увеличить концентрацию анализируемого вещества, затем его изучают - пропускают через прибор, который определяет последовательность “бусин” (это называется “секвенирование”). Зная ее, врачи могут по справочнику определить, какой именно вирус они нашли. Однако, не все так просто, как кажется на первый взгляд: ПЦР-метод имеет ряд ограничений.
5. Каких ограничений?
Во-первых, ПЦР-тест на основе человеческих биоматериалов не может определять количество частиц вируса в организме. В двух разных пробах, взятых у одного человека, может быть разное количество первичного генетического материала вируса, а после размножения разброс в результатах будет просто колоссальный.
Во-вторых, даже простой качественный ответ есть вирус/нет вируса может быть неточным. С одной стороны, в мазок, взятый изо рта или носа человека вирусный материал может и не попасть.
С другой стороны, увеличение количества ДНК или РНК при ПЦР происходит экспоненциально: из одной молекулы получаются сначала две, на следующем цикле их уже 4, затем 8, 16, 32. Таким образом даже из очень старого случайного обрывка вирусной РНК может накопироваться информации на уверенный сигнал.
В-третьих, ПЦР-тест не позволяет отличить функционирующий вирус в организме от старого полуразрушенного фрагмента вирусной РНК или ДНК.
6. Что мы точно можем сказать по результатам ПЦР-теста?
Несмотря на все ограничения, можно сделать несколько надежных выводов:
1) Если ПЦР-тест оказался положительным, скорее всего человек имел контакт с вирусом. По данным обзора в журнале The Lancet, количество ложноположительных ПЦР-тестов на вирусы не превышает 4%. Правда, это не значит, что человек был именно инфицирован, но в какой-то мере вирус попал на его ткани.
2) Если у человека положительный ПЦР-тест на какой-либо вирус, это не значит, что человек заразен. По данным исследований, обсуждавшихся в The New York Times, до 90% людей с положительным тестом не имеют живого вируса в организме.
3) Отрицательный ПЦР-тест не всегда означает отсутствие контакта человека с вирусом. Увы, доля ложноотрицательных результатов ПЦР-тестов может быть велика из-за описаных выше недостатков методов взятия пробы. Для каждого вируса количество ложноотрицательных тестов определяется отдельно.
7. Правильно ли я понимаю, что при ПЦР живые организмы, например, вирусы, копируются и размножаются?
Нет, полимеразная цепная реакция не создает живые копии вирусов. Эти “принтеры” могут распечатывать только сами молекулы ДНК, причем часто в виде отдельных фрагментов, с поломками и ошибками. Для ученых эти ошибки не важны, но организмы так образоваться не могут.
8. Для чего еще используется ПЦР-метод?
Практически всегда, когда вы слышите о технологиях работы с генами - в процессе участвует ПЦР. Яркие “бытовые” примеры: криминалистическая экспертиза, установление родства, генетические тесты на разные заболевания. Но это все, пожалуй, побочные применения.
Настоящую революцию полимеразная цепная реакция сделала в биотехнологии. Без этого метода невозможна генная модификация организмов, исследования геномов животных, экспериментальная персонифицированная медицина и многие другие направления работ.
Не зря создателю ПЦР Кэри Муллису вручили Нобелевскую премию по химии в 1993 году.
____________
Sciencely — это образовательные программы для детей 7-16 лет в онлайне и офлайне, а также наборы для научных экспериментов. Мы, выпускники естественнонаучных факультетов МГУ и молодые врачи, делаем непонятное понятным и для ребят, и для родителей. Занимайтесь и будьте с нами: https://scly.me/us