Прогресс человеческой цивилизации иногда воспринимается как неотвратимое поступательное движение вперёд. Вроде ползущего ледника знаний, медленно, но неотвратимо покрывающего и изменяющего под себя окружающий мир. На самом деле, это не совсем так. Прогресс больше похож на стекающую по мокрому стеклу каплю. Встречая другое скопление влаги, наша капля сливается с ней, мгновенно продвигаясь по своему пути, и дальше движется уже чуть быстрее из-за возросшей массы.
Эти “скопления влаги”, позволяющие человеческому знанию совершить мгновенный рывок ‒ научные открытия. Они дают в руки учёных новые инструменты, позволяющие заглянуть в ранее недоступные тайники природы. Они же дают исследователям нечто гораздо более важное, чем просто новые данные ‒ новые способы думать.
В двадцатом столетии для биологии таким катализатором стали секвенирование и полимеразная цепная реакция. Но если секвенирование ‒ выяснение последовательности составных частей в биологических полимерах, так и не вышло за пределы научных лабораторий, то ПЦР сегодня широко применяется не только в науке, но и в медицине, сельском хозяйстве, юридической практике, а с наступлением ковидной эпохи, и в сфере развлечений, и даже обыденной жизни.
В чём же суть этого метода? В своей основе он очень прост. В пробирке воспроизводится процесс, лежащий в основе жизни любой клетки ‒ создание копии нуклеиновой кислоты. И для этого даже используются все те же реагенты, хотя и в урезанном, по сравнению с клеткой, комплекте. Нуклеотиды ‒ кирпичики будущей цепи, ферменты, выстраивающие новую цепочку, и праймеры ‒ небольшие кусочки цепи, определяющие, какой именно участок будет копироваться.
Если всё так просто, то почему же полимеразная цепная реакция получила широкое распространение только в последнее время? Всё дело именно в меньшем количестве сопровождающих реакцию ферментов. В клетке и расплетение двойной цепи, и поиск нужного участка генома и подачу мономеров осуществляют специальные вещества. В пробирке создать настолько сбалансированную среду практически невозможно. Поэтому вместо биологических катализаторов реакцию ускоряет повышенная температура. Именно она ответственна и за “расплавление” изначальной молекулы, и за поиск праймером своего участка, и за быструю подачу к месту синтеза новых нуклеотидов. Но без одного фермента ‒ полимеразы, всё-таки не обойтись никак. Только, вот беда, при температуре, необходимой для начала реакции, полимераза денатурирует и перестаёт работать.
Поэтому победоносное шествование ПЦР по лабораториям началось только после того, как была открыта термостабильная ДНК-полимераза. Выделили её из экстремофильной бактерии, живущей в практически кипящей воде возле горячих источников. Так что ей оказались нипочём те температуры, что долгое время должны выдерживаться внутри амплификатора. Именно так называется аппарат, в котором полимеразную цепную реакцию и проводят.
Вторая, гораздо более просто решаемая задача, это подбор праймеров. Полимераза не может начать синтез новой цепи с нуля, ей нужна определённая затравка. Именно её роль и выполняет праймер. И это для учёных большая удача, ведь при помощи праймера исследователь может очень точно выбирать, какой именно участок генетического материала будет многократно размножен. Праймер строго специфичен к определённому участку определённого гена, и если нужного гена в анализируемом образце не обнаружится, то и вся остальная реакция тоже не пройдёт. Поэтому исследователь всегда должен чётко знать, что он ищет, какова структура того гена, что отвечает за интересующий его признак.
Именно поэтому в начале эпидемии коронавируса так долго не могли получить надёжно определяющие его тесты. Вначале учёным нужно было выяснить геном вируса, а затем найти в нём такие участки, которые всегда встречаются у искомого возбудителя, но не бывают ни у каких других. Сейчас для этого выбрали два вирусных гена. Один указывает на всё подсемейство коронавирусов в целом. Второй же уникален для современного штамма, вызвавшего пандемию.
Более подробную информацию вы можете прочитать здесь.