Машины для секвенирования генома необходимы для предотвращения вирусных вспышек, но ключевым фактором является финансирование.
В больнице в Ухане, Китай, 41-летний мужчина с трудом дышит. Он поступил 26 декабря 2019 года с лихорадкой и симптомами, похожими на грипп, но врачи не могут понять, что его беспокоит. Несколько других людей на его рабочем месте, на крытом рынке морепродуктов, также больны.
Его врачи проводят тесты на грипп и другие инфекции, но результаты оказываются отрицательными. Затем они берут образец из его легких, заполняя дыхательные пути стерильным физиологическим раствором, а затем отсасывают жидкость.
Врачи еще не знают об этом, но в этом образце обнаружен неизвестный на тот момент вирус. Он вторгся в клетки его легких, завладел их механизмами и приказал им производить армию новых вирусов. Всего за 10 часов каждая инфицированная клетка создает достаточно новых вирусов, чтобы заразить еще тысячу клеток.
Код для этих инструкций — и, следовательно, ключ к победе над вирусом — лежит в его геноме. Эта информация о том, что в конечном итоге получило название SARS-CoV-2, нового коронавируса, вызывающего COVID-19, хранится в образце для промывания легких в морозильной камере и ждет “прочтения”.
Основной геном
На протяжении большей части истории люди не понимали, что движет жизнью. Но за последние 150 лет ученые обнаружили, что черты характера — такие тривиальные, как цвет глаз, и такие важные, как восприимчивость к болезням, — передаются от родителей к их потомству. Ключ к этому процессу, наследственность, находится в геноме каждой клетки.
Геномы необходимы для всех форм жизни — даже для неживых агентов, таких как вирусы. Они включают инструкции по построению клеток или вирусных частиц и по тому, что должны делать эти клетки или вирусы. Геномы даже содержат схемы передачи этих инструкций от родителей к потомству.
С момента открытия наследственности ученые идентифицировали молекулы, содержащие геномы, расшифровали их код и научились “читать” и “записывать” информацию. Теперь ученые могут прочитать последовательность генома за день или два, одним нажатием кнопки. Машины, которые делают это, ставшие обычным явлением в исследовательских лабораториях, произвели революцию в том, как ученые обнаруживают, анализируют, лечат и предотвращают вирусные вспышки.
Молекула наследственности
Самые ранние подсказки к тайнам наследования появились в 1860-х годах, когда австрийский монах Грегор Мендель экспериментировал с растениями гороха. Скрещивая растения с разными признаками, Мендель наблюдал, какие признаки — например, цвет, размер или форма — передаются и как часто. Но он не мог определить, как эти черты были переданы.
Пока Мендель скрещивал горох, швейцарский врач и химик Фридрих Мишер, доктор медицинских наук, проводил исследования, которые в конечном итоге привели к идентификации вещества, содержащего наследственную информацию. Исследуя лейкоциты из заполненных гноем бинтов, Мишер выделил уникальный компонент клеток, который он назвал “нуклеин”. Более 70 лет спустя ученые поняли, что нуклеин Мишера - это то, что придает наследственность.
В 1944 году Освальд Эйвери, доктор медицины, исследователь из Института медицинских исследований Рокфеллера в Нью-Йорке, совершил прорыв, изучая бактерии пневмококка. Существует две формы этой бактерии, R и S; S-форма более смертоносна, R - менее. Но эта черта может передаваться между двумя типами бактерий. Изучая компоненты, которые превращали R-типы в S-типы, он показал, что эти молекулы обладают химическими и физическими свойствами нуклеина.
Но прошло еще десятилетие, прежде чем исследователи полностью оценили открытие Эйвери, во многом благодаря работе в Кембриджском университете американского биолога Джеймса Уотсона, доктора философии, и английского физика Фрэнсиса Крика, доктора философии. В 1953 году, используя рентгеновские кристаллографические снимки, сделанные химиком Розалиндой Франклин, доктором философии, Уотсон и Крик собрали картонные вырезки дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), чтобы определить, как ее компоненты сочетаются друг с другом. Их работа привела к публикации модели двойной спирали. Эта модель сыграла важную роль в продвижении исследований, которые показали, что геном существа, кодирующий структуру и функции каждой клетки, записан в ДНК.
Теперь мы знаем, что молекула, похожая на ДНК, рибонуклеиновая кислота (РНК), служит посредником внутри клеток. Обычно это копия ДНК, которая преобразуется в белки рибосомами клетки. Многоклеточные организмы, такие как люди и растения, а также микробы, такие как бактерии и даже некоторые вирусы, имеют геномы, состоящие из ДНК. Но многие вирусы, включая SARS-CoV-2, хранят свой генетический код в виде РНК. РНК-вирусы обходят стадию ДНК при производстве белка, поэтому они могут размножаться быстрее и заражать больше клеток. Они также эволюционируют быстрее, чем ДНК-вирусы, поэтому у них больше шансов мутировать и приобретать новые черты.