ДНК и её человек

Новым методом заинтересовались и биологи. ДНК-фингерпринт уличил в неверности не только некоторых людей, но и домовых воробьев – оказалось, они меняются женами. С помощью нового метода изучали родословные редких животных (например, лесных ибисов Цюрихского зоопарка), чтобы избежать инбридинга при скрещивании. Уже в конце 1990-х гг., когда на свет появилась знаменитая овечка Долли, для нее сделали фингерпринт, чтобы убедить скептиков, что она именно та, за кого себя выдает, – клон овцы-донора клетки, а не обыкновенная дочь своей суррогатной матери[21].

Убийца – кондитер

Но нам пора вернуться к менее милым расследованиям – уголовным. Алек Джеффрис и Питер Гилл из службы судмедэкспертизы британского министерства внутренних дел (запомним Питера Гилла, он нам еще встретится) показали, что ДНК в образцах, с которыми обычно имеют дело криминалисты, – в крови или пятнах спермы – сохраняется достаточно хорошо для фингерпринта[22]. Однако было понятно, что инновационный метод слишком сложен для рядового криминалиста, да и в любом случае не всегда на месте преступления найдется достаточно высококачественной ДНК.

Для улучшения и упрощения технологии Джеффрис с соавторами предложили использовать систему маркеров к единичным локусам (участкам) вместо коровой последовательности, подходящей ко всему, – брать уникальные маркеры, которые будут метить лишь две полоски в каждом из образцов. (Еще раз напомним, что в каждой нашей клетке – два экземпляра генома, один получен от мамы, другой от папы, поэтому и каждый минисателлитный участок представлен двумя копиями.) Иными словами, можно будет сравнивать сходства и различия по каждому локусу отдельно, а не по всем сразу[23]. Это гораздо проще и убедительнее.

Инновация была использована, когда Джеффриса пригласили поучаствовать в расследовании двойного убийства, с которого мы начали свой рассказ. Итак, 21 ноября 1983 г. в городе Нарборо 15-летняя Линда Манн пошла в гости и не вернулась домой. Ее нашли изнасилованной и задушенной у тропинки в малолюдном месте. Криминалисты взяли образец спермы, по нему определили группу крови и ферментный профиль преступника. Эти данные подходили 10 % лиц мужского пола в популяции. Дело осталось открытым.

Тридцать первого июля 1986 г. в городе Эндерби 15-летняя Дон Эшворт, возвращаясь из гостей, решила срезать путь до дома. Тело со следами зверского избиения, изнасилования и удушения нашли через два дня. Группа крови преступника оказалась той же, что и в первом случае.

Первым подозреваемым стал Ричард Бакленд, 17 лет, с трудностями в обучении, который знал Дон и казался чересчур осведомленным о некоторых неопубликованных подробностях преступления. На допросе он сознался в убийстве Дон, но потом взял свои слова назад, а убийство Линды отрицал.

Итак, генетики сделали ДНК-фингерпринт. Оба образца, взятые с трупов, принадлежали одному человеку, однако не подозреваемому – его образец выглядел совершенно иначе. Потом Джеффрис вспоминал, что первой его мыслью было: “Боже, с методом что-то не так!” Полиция привела тебе преступника, есть признание, давай, подтверждай его вину, ученый… Но с методом все было так. Просто насильником и убийцей оказался другой человек.

Ричард не был невинно осужден, и это, конечно, хорошо. Почему этот дурачок признался в том, чего не совершал, – на этот вопрос никакой ДНК-фингерпринт не ответит. И кто же настоящий преступник, в конце концов?

Следственная группа взяла образцы крови и слюны у 5511 мужчин, каждый из которых теоретически мог совершить убийства. Совпадений не было, и полиция уже приготовилась разочароваться в большой науке. Но одна женщина услышала, как человек по имени Келли рассказывает в пабе, что за деньги сдал кровь вместо приятеля, и сообщила об этом полиции.

Умником, избежавшим ДНК-анализа, оказался Колин Питчфорк, 27-летний работник хлебозавода, женатый человек, отец двоих детей. Он сказал товарищу по работе, что не может сдать кровь, потому что уже сдал ее под чужим именем, по просьбе друга, который якобы боялся обвинения из-за юношеской кражи со взломом. Питчфорк делал украшения для тортов, был на хорошем счету, правда, начальник отметил, что он “не может оставить женщин в покое и все время болтает с ними”. До брака этот фуд-дизайнер подвергался аресту за эксгибиционизм и проходил терапию.

Результаты ДНК-идентификации оказались положительными. Питчфорк признался в многочисленных эпизодах непристойного обнажения, в двойном изнасиловании и убийстве и еще одном изнасиловании. После убийства Линды он был одним из тех, кого допросили, и тогда он ответил, что присматривал в это время за своим маленьким сыном. Действительно, ребенок спал в его машине, пока он насиловал Линду, а потом он отвез ребенка домой и уложил в кроватку. После убийства Дон он так же спокойно вернулся домой и испек пирог для семьи. На вопрос: “Почему Дон Эшворт?” он ответил так: “Возможность. Она была там, и я был там”.

Питчфорка приговорили к пожизненному заключению, причем судья выразил надежду, что ради общественной безопасности этот преступник никогда не будет освобожден.

Как нам сообщает “Википедия”, первый человек, осужденный благодаря анализу ДНК, все еще под арестом, хотя не так давно ему смягчили режим содержания, газеты пишут, что ему даже разрешают выходить на волю под честное слово. (Вспоминая “Коротенький отпуск мистера Лавдэя” Ивлина Во, сомневаюсь в разумности этой меры. Многие британские граждане тоже сомневаются, но, возможно, тюремным психиатрам виднее…) Адвокаты делают акцент на его примерном поведении, самообразовании и упорной работе над переводом печатных нот в символы Брайля для нужд слепых[24]. В 2009 г. на выставке в лондонском Саутбэнк-центре появилась бумажная скульптура, сооруженная Колином Питчфорком (видимо, он скучает по работе), – оркестр и хор, сделанные из кусочков партитуры девятой симфонии Бетховена. Фигурки музыкантов, разлинованные нотными станами, казались одетыми в полосатые тюремные робы. Общественность возмутилась, но дело было сделано: произведение кондитера-убийцы продали на благотворительном аукционе за 600 фунтов, из которых он получил 300[25]. Ходатайства творческой личности об условно-досрочном освобождении до сих пор отклонялись.

Напоследок небольшое замечание, не связанное с молекулярной биологией. ДНК-анализ – это прекрасно, и все же добро не победило бы, если б не свидетельница, которая отнеслась серьезно к болтовне в пабе.

Прежде чем перейти к следующим уголовным сюжетам, вернемся немного назад. К тому, что случилось за полтора года до того, как Джеффрис проявил радиоавтограф первого ДНК-фингерпринта, – майской ночью 1983 г., по другую сторону Атлантического океана, в округе Мендосино, Калифорния, на трассе 128 между Кловердейлом и Бонвиллом. Для тех, кто работает с ДНК, эта трасса уже стала таким же научным мемом, как яблоко Ньютона и галапагосские вьюрки Дарвина.

Кэри Муллис и полимеразная цепная реакция

Иногда Нобелевскую премию дают за годы упорной работы, иногда – за вдохновенное озарение. Хотя за озарением чаще всего тоже следуют годы упорной работы. Как, например, в истории открытия полимеразной цепной реакции – ПЦР.

В чем секрет этого открытия? Кэри Муллис – умный и незаурядный человек, но умных и незаурядных в молекулярной биологии на этапе ее эффектного старта было пруд пруди. Может, дело в везении, что бы это ни значило. Или в умении не упустить удачу, не отмахнуться от золотого блеска на краю поля зрения, не забыть о нем ради рутины. Нобелевский лауреат Эдмунд Фишер сказал по аналогичному поводу: “Счастливый ученый тот, кто ищет иголку в стоге сена, а находит дочку фермера”.

Ракетное топливо и другие вещества

Эксцентричность и нонконформизм Кэри Муллиса выделяют его даже на фоне коллег и современников, среди которых мало скучных людей. В своей Нобелевской лекции[26] он отмечает, что родился в тот самый год, когда вышла “Что такое жизнь с точки зрения физика?” Эрвина Шрёдингера (1945), и добавляет: “Я жил в Колумбии, Северная Каролина, где никто не заметил, что у нас нет экземпляра [этой книги]. Но мой дом был в нескольких кварталах от дикой, неосвоенной лесной зоны с ручьем, поссумами, енотами, ядовитыми змеями, драконами и веткой железной дороги. Не нужна нам была книга”. Родители развелись, мать работала риелтором и не требовала от детей железной дисциплины. Когда Уотсон и Крик открыли структуру ДНК, братья Муллисы играли в лесу и лазили в неосвещенную ливневую канализацию под городом. Когда за открытие структуры ДНК вручали Нобелевскую премию, Кэри с товарищами увлекся ракетостроением. В качестве топлива использовали смесь калийной селитры, купленной в магазине, с сахаром, утащенным с маминой кухни, и угольной пылью. В те старые добрые времена, ностальгически вспоминает Муллис, мальчик мог спокойно купить динамитный запал. Ракета была четырех футов в длину (тут мама немного забеспокоилась). Однажды юные ракетостроители запустили лягушку пусть не в космос, но на высоту около мили, и она вернулась живой. А в другой раз напугали пилота самолета, идущего на посадку. “Виноваты”, – коротко комментирует этот случай Муллис.

В школе (еще одна вещь, сегодня почти невозможная) ученики могли бесконтрольно экспериментировать в химической лаборатории. Это занятие Кэри никогда не надоедало, и уже во время учебы в Технологическом институте штата Джорджия на каникулах Муллис с товарищем устроили лабораторию органического синтеза в старом курятнике на окраине. Синтезировали они всякие вредные и взрывающиеся вещества (в то время законодательство еще не успело запретить подобные инициативы): “Никто не хотел их делать, но кое-кто хотел их иметь, так что производство было за нами. Мы не страдали ни от скуки, ни от начальства. Мы сделали достаточно денег, чтобы приобретать новое оборудование”. Среди их клиентов был руководитель Columbia Organic Chemical Company, покупавший и перепродававший их продукцию.

Когда Кэри Муллис поступил в аспирантуру Калифорнийского университета в Беркли, уже был расшифрован генетический код, но ДНК – длинный нудный полимер – юного биохимика не интересовала, он предпочитал небольшие молекулы с интересными свойствами. Он занимался синтезом и структурой бактериального белка – транспортера железа. Ему повезло и с руководителем дипломной работы: биохимик Джон Драйан “Джой” Нейландс управлял лабораторией так, что студенты не ощущали тягот академической дисциплины. Например, Кэри Муллис выбрал в качестве спецкурса астрофизику, резонно рассудив, что молекулярной биологии он может научиться у коллег, а заниматься астрофизикой потом некогда будет. По-видимому, мечты о космосе его не отпускали. В то время он написал статью “Космологическая значимость обратного течения времени”, о “невидимом компоненте Вселенной”, для которого время движется в другую сторону. Послал ее Кэри – когда речь идет о фундаментальных проблемах, скромность неуместна! – в журнал Nature. Многие в молодости размышляют о тайнах мироздания и придумывают завиральные идеи вселенского масштаба, но случай Муллиса уникален тем, что Nature статью напечатал[27]. Публикация в журнале первого ряда выручила его, когда встал вопрос о том, может ли быть присвоена степень PhD человеку, не изучавшему молекулярную биологию.

Получив степень, Кэри Муллис отправился в Канзас, потому что его тогдашняя жена собиралась там учиться в медицинской школе. Теперь он захотел стать писателем, но быстро понял, что для этого ему не хватает жизненного опыта: герои получались плоскими и неубедительными. Пришлось вернуться к наукам о жизни (к счастью для человечества). Муллис нашел работу в медицинской школе. Через два года, после развода с женой, он возвратился в Беркли. Работал в ресторане, затем в Университете Калифорния (Сан-Франциско). А потом попал на семинар о клонировании гена соматостатина, и это так впечатлило его, что он начал искать работу, где требовалось бы синтезировать ДНК.

Такая работа нашлась в компании Cetus. С 1979 г. Муллис работал там, был очень доволен. В то время в Сан-Франциско появилось несколько биотехнологических компаний и научных групп, занимавшихся синтезом ДНК. И в начале 1980-х Муллис, уже будучи руководителем лаборатории, столкнулся с парадоксальной проблемой: у него было слишком много олигонуклеотидов – коротких кусочков ДНК с заданной последовательностью “букв”. Олигонуклеотиды, они же олиги на лабораторном жаргоне, синтезировала специальная машина, купленная в компании Biosearch, и руководитель понял, что эта механизация создает угрозу рабочим местам. Если машина синтезирует за восемь часов столько олигонуклеотидов, сколько сотрудники лаборатории вручную за три недели, зачем нужны сотрудники? Может, их уволить? Муллису эта идея не нравилась, никого увольнять он не хотел и начал размышлять над тем, куда бы применить большое количество коротких цепочек ДНК. Что бы такого сделать с помощью этого неожиданно возникшего ресурса и ловких рабочих рук, желательно с пользой и выгодой для всех?

Ночь на трассе

Итак, майской ночью 1983 г. Кэри Муллис, как обычно, ехал на своей серебристой “хонде” по трассе 128, направляясь из Беркли в Мендосино, в летний домик, где собирался провести выходные. С ним в машине была его девушка Дженнифер Барнетт, химик компании Cetus. (Роман их протекал столь бурно, что в Нобелевской лекции Муллиса о Дженнифер рассказывается едва ли не больше, чем о ПЦР.) Дорога поднималась в горы, вокруг цвели каштаны. Дженнифер спала, Кэри вел машину и думал, куда девать олиги.

В соседней лаборатории под руководством Генри Эрлиха занимались детекцией точечных мутаций в ДНК. Вот, скажем, мутации, которые гарантированно приводят к тяжелому заболеванию или смерти плода (ряд таких мутаций уже был известен). Беременная женщина по какой-то причине беспокоится, есть ли мутация у ее ребенка, если есть – это показание к аборту по страховке. Как бы это выяснить быстро, недорого и с гарантией?

Современная молекулярная диагностика все это умеет: и выделить ДНК плода из крови матери (теперь даже биопсия не нужна!), и прочитать ее определенный участок. Но в 1983 г. это казалось абсолютной утопией. Не так просто было даже получить нужный фрагмент ДНК – то есть были способы, но Кэри Муллис хотел придумать что-то побыстрее и подешевле.

Дано: мы можем синтезировать любой олигонуклеотид. Можем мы синтезировать нуклеотид, комплементарный участку рядом с мутацией, в наличии или отсутствии которой мы хотим убедиться? Нет проблем. А можем мы добавить к ДНК, которую хотим проанализировать, такой олигонуклеотид и ДНК-полимеразу, чтобы та наращивала цепочку ДНК, начиная от олигонуклеотида, совсем как в секвенировании по Сенгеру? (В такой реакции олигонуклеотид называется праймером, или затравкой, потому что с него начинается синтез ДНК.) Только пусть праймер будет вплотную к сайту (точке) мутации, а в смеси будут дидезоксинуклеотидтрифосфаты с радиоактивной меткой – те, которые у Сенгера останавливают синтез цепочки. Это будет как секвенирование одного нуклеотида. (И в самом деле, немного похоже на один цикл некоторых современных методов секвенирования!)

Теоретически мы все это можем. Практически – будут проблемы: на относительно коротком фрагменте ДНК, в несколько тысяч нуклеотидов, это сработало бы, но геном человека длинен, нужный участок короток, его концентрация исчезающе мала, к тому же есть ненулевая вероятность, что в нашем огромном геноме присутствуют другие похожие участки, с которыми может гибридизоваться олигонуклеотид. (Вспомним саузерн-блоттинги Алека Джеффриса: подобрать зонд, который не метил бы в ДНК все подряд, – непростая задача.) И как тогда отличить интересующий нас сигнал от ложного? Жизнь вечно портит самые прекрасные идеи. Ладно, пропустим это и будем думать дальше, как будто проблемы нет.

Но раз олигонуклеотидов у нас много, почему бы не сделать два олигонуклеотида, комплементарные обеим цепям ДНК, по обе стороны от сайта мутации? (Читатели не забыли, что нити ДНК имеют направление, от 5’ – к 3’ – концу, и только в этом направлении полимераза может наращивать цепь? Два таких олигонуклеотида “указывали” бы на возможную мутацию с двух сторон.) И пусть к одному олигу полимераза присоединит дидезоксинуклеотид А, а к другому – дидезоксинуклеотид Т, и мы точно убедимся, что А не заменен на G… не слишком красивая идея, зато простая и осуществимая.

Что может пойти не так? Ну, прежде всего, в образце могут быть обыкновенные свободные нуклеотиды, и ДНК-полимераза, конечно, будет присоединять их, тогда прощай радиоактивный фрагмент определенной длины. Но можно перед анализом обработать образец ферментом – бактериальной щелочной фосфатазой, которая отъест все фосфатные группы от нуклеотидов, и тогда полимеразе не с чем будет работать, кроме тех меченых нуклеотидов, которые добавим мы. Только как ее потом убрать, чтобы она добавленные нуклеотиды не съела? В то время считалось, что щелочную фосфатазу невозможно инактивировать нагреванием, якобы потом она восстанавливает активность (на самом деле инактивировать ее возможно, если не добавлять в раствор цинк, отмечал позднее Кэри Муллис, но хорошо, что я тогда об этом не знал…).

Думаем дальше: а что можно сделать, если не избавляться от обычных нуклеотидов? Пусть полимераза их использует, разрешаем. Пусть она нарастит такие длинные цепочки, какие сможет. А потом слегка нагреем раствор, чтобы двойные цепочки ДНК расплавились и разошлись, и охладим, чтобы к однонитевой ДНК присоединились новые праймеры. Олигов, как мы помним, у нас много, добавим в смесь, сколько не жалко…

Но позвольте, ведь теперь, кроме ДНК образца, у нас появились еще две нити, синтезированные в первой реакции, и каждая из них тоже содержит участок, комплементарный противоположно направленному праймеру. Четыре цепочки ДНК вместо двух изначальных… Стоп! Но это же как раз то самое, что нам было нужно: увеличение концентрации интересующего нас участка ДНК, чтобы он стал заметнее на фоне всей остальной ДНК, которая нас сейчас не интересует.

А если сделать это специально?

А если сделать это не один раз, а два, три, четыре, пять, шесть? И в каждом цикле число нитей ДНК будет удваиваться, как в той сказке про царя, изобретателя шахмат и рисовые зерна на шахматной доске…

Кэри остановил машину, нашел в бардачке ручку и бумагу и начал считать. Если, скажем, раз 30 повторить этот цикл – “добавить к образцу полимеразу, нуклеотиды и праймеры – провести реакцию – расплавить ДНК – провести реакцию” – то образец будет содержать множество копий интересующего нас фрагмента ДНК, а все остальное, ненужное и путающее, станет на его фоне малозначащей примесью.

Дженнифер проснулась и спросила, почему они не едут. Кэри снова тронулся в путь и примерно через милю сообразил, что праймеры необязательно должны быть разделены всего одним нуклеотидом. Черт с ними, с точечными мутациями – таким способом можно получить в достаточном количестве любой фрагмент ДНК!

До изобретения Кэри Муллиса эти фрагменты получали в основном клонированием. Слово “клонирование” вообще означает получение множества копий одного объекта. Клонирование животных – получение генетически идентичных копий особи из ее соматических, то есть неполовых клеток. Клонирование человека – популярный фантастический сюжет, с приматами дело пока не очень ладится (лишь в начале 2018 г., через 22 года после овцы Долли, китайцы опубликовали статью о клонировании детенышей макаки). Клонирование растений широко известно под названием “черенкование”. Клонирование клеток, например лимфоцитов, вырабатывающих антитела, – размножение клеток определенного типа.

Клонированием ДНК называли довольно сложную процедуру – включение нужного фрагмента в кольцевую ДНК (плазмиду), внедрение этой ДНК в кишечную палочку E.coli и выращивание этих кишечных палочек, сначала на чашке Петри, потом в колбе с питательной средой. Бактерии размножаются, копируют плазмиду и вместе с ней наш кусок ДНК; потом плазмиду можно будет выделить, вырезать нужный кусок рестриктазой и отделить его от других с помощью электрофореза. Дело долгое, к тому же культура кишечной палочки пахнет замоченным и протухшим бельем (точнее, наоборот, таз с бельем у нерадивой хозяйки имеет запах этой бактерии). Но ДНК нужна для работы, да и запах привычного человека радует: если так пахнет, значит, культура не загрязнена посторонними микроорганизмами.

Что представляло собой клонирование ДНК на тот момент, когда Кэри Муллис вез Дженнифер в горы? Ну, например, как-то так. Интересующую нас ДНК нарезаем рестриктазой на куски по несколько тысяч пар нуклеотидов. Затем фрагменты вставляем в плазмиду, или вектор, – колечко ДНК, предварительно разрезанное той же рестриктазой. Плазмиды бактерий – дополнительные, внехромосомные генетические элементы, которыми они могут обмениваться или поглощать их из внешней среды. Плазмида может содержать некие дополнительные гены, полезные в определенных условиях, например гены устойчивости к антибиотику. Внедрение вектора в бактерии называется трансформацией – это, по сути, тот самый процесс, который использовали для доказательства роли ДНК как наследственного материала Эвери с коллегами в первой главе, помните?

Чтобы бактерия не перестала копировать наш вектор, в нем как раз и содержатся гены устойчивости к антибиотику, и тот же антибиотик добавлен в агар-агар в чашке Петри. Кто отказался от вектора, тот не выживет. Но как отличить бактерию с “пустым” вектором от бактерии с вектором, в который вставлен фрагмент ДНК? Для этого фрагмент вставляется не куда попало, а в другой ген, отвечающий за синтез красителя. Трансформированные бактерии высевают на агар-агар – не густо, с таким расчетом, чтобы из каждой бактерии выросла одна точечка-колония. По цвету колонии отличают встройки от пустышек.

Стерильной зубочисткой колонии бактерий, содержащие плазмиды с нашей ДНК, перемещают в колбу с жидкой средой, колбу в термостат и наращивают биомассу. Игла в яйце, яйцо в утке… А куда деваться?

Коллекция клонированных фрагментов из одного образца называется ДНК-библиотекой.

Так вот, с самого начала было очевидно, что ПЦР намного удобнее! Клонирование in vitro, не в живой клетке, а в пробирке! Любой фрагмент ДНК в любом количестве, без всех этих танцев с бубнами вокруг кишечной палочки. И, что еще более важно, – определенный фрагмент, тот самый, который находится между нашими праймерами. Кэри снова затормозил: о такой потрясающей возможности опасно было думать на ходу.

Какой бы жуткой смесью ни была наша исходная ДНК, благодаря магии комплементарности мы получим именно нужный участок. Интересующий нас ген у конкретного человека. Ген, который мы еще не изучали, но который изучен для другого вида (мы помним, что большинство гомологичных генов млекопитающих сходны между собой)… Да это же бомба! Не какое-то там предложение по оптимизации, а открытие, которое перевернет молекулярную биологию! “«Тор всемогущий!» – вскричал я”.

…Нет, не может быть. Используя только хорошо известные методы, делая то, что все уже давно делают, разве что чуть-чуть по-другому, решить сразу несколько самых докучных проблем молекулярной биологии – это слишком просто и слишком здорово, такого не бывает. Или кто-то уже придумал это и прямо сейчас делает и вот-вот опубликуется или уже опубликовался. Или Кэри упускает что-то очевидное, и все это невозможно по какой-то фундаментальной причине, как невозможны вечный двигатель и летающая свинья.

Сонная Дженнифер не захотела выслушать его очередную гениальную идею. Сам же Муллис этой ночью не спал и все выходные проработал. Чертил бесконечные схемы своей реакции, взбадривался местным каберне, считал себя то гением, то идиотом, неспособным увидеть ошибку, которая обязана быть во всем этом, просто обязана, потому что жизнь – это боль. Интернета тогда не было, и телефона в коттедже не было, и до начала рабочей недели он не мог ни поделиться ни с кем, кроме Дженнифер (которая так и не проявила энтузиазма), ни проверить свои соображения по литературным данным.

К Нобелевской премии и далее

В понедельник поход в библиотеку показал: никто еще не пытался амплифицировать ДНК с помощью двух праймеров, и нет никаких очевидных причин, запрещающих это делать! Аналогичный результат дали беседы с коллегами. (Как это обычно бывает, много позднее дотошные люди откопали публикацию норвежского биохимика Хьелля Клеппе, работавшего у нобелевского лауреата Хара Гобинда Кораны, и их соавторов. Там были несколько фраз, очень похожих на описание принципа метода ПЦР, но они, по-видимому, так и не проверили эту идею экспериментально.)[28]

Тем не менее докладом Муллиса никто не восхитился, на лабораторном семинаре в компании Cetus его едва слушали. К счастью, идеей заинтересовался один из двух лаборантов, Фред Фалуна, и с его помощью Кэри решил попытаться амплифицировать 400-нуклеотидный фрагмент ДНК человека – участок гена фактора роста нервов. (“Амплифицировать” как раз и значит “сделать множество копий этого участка”.) Муллис оптимистично предполагал, что этот ген может состоять из одного экзона и его удастся выцепить из цельной ДНК человека, без всякой возни с клонированием и колониями, с помощью реакции, которую он только что придумал.

Единственным человеком, кроме Фалуны, который разделял энтузиазм Кэри Муллиса летом 1983 г., был Рон Кук, основатель компании Biosearch – той самой, которая вывела на рынок первую коммерчески успешную машину для синтеза ДНК. Может, потому, что это было хорошо для его бизнеса, или потому, что он был рациональным химиком с неповрежденным мозгом, саркастически замечал Муллис в своей Нобелевской лекции. Именно Кук посоветовал ему, коль скоро никто в Cetus не принимает его идею всерьез, не делиться с нанимателями результатом, который не связан напрямую с его обязанностями, а самостоятельно довести ее до ума и самому запатентовать. Но Муллис сомневался, что это возможно, и ответил, что ему нравится Cetus и что компания его, конечно же, не обидит, если идея принесет прибыль.

В сентябре Кэри поставил первый опыт с геном фактора роста нервов: добавил в пробирку с человеческой ДНК праймеры и полимеразу и оставил ее на 12 часов. Но когда он провел электрофорез, никакой полосы, соответствующей фрагменту длиной 400 нуклеотидов, не появилось.

Пришлось признать, что реакция не будет совсем уж простой. Дело в том, что двунитевая ДНК распадается на две свободные нити при определенной температуре (94–95° С), а комплементарные нити слипаются, подобно половинкам застежки-молнии, при низкой (желательно не выше 68° С). Для описания этих процессов молекулярные биологи заимствовали термины из металлургии, двунитевая ДНК у них “плавится”, коротенькие праймеры “отжигаются” на свободную нить[29].

Конечно, живая клетка не должна нагреваться и остывать каждый раз, как захочет копировать свою ДНК, – в клетке расплетание и заплетание двойной спирали обеспечивают специальные белки. Но в пробирке проще действовать чистой физикой, чем добавлять все эти белки.

Соответственно, цикл усложняется: нагреть раствор с образцом ДНК – добавить праймеры – охладить пробирку – добавить ДНК-полимеразу – провести реакцию – нагреть пробирку – охладить пробирку и добавить новую полимеразу, потому что старая сварилась при нагреве и потеряла активность – провести реакцию… Чуть больше возни, но ради великой цели можно и повозиться.

В 1986 г. Рэндалл Сайки из Cetus придумал использовать для ПЦР термостабильную Taq-полимеразу. Это фермент бактерии Thermus aquaticus (от ее первых букв образовано название фермента), которая была обнаружена в горячих источниках Йеллоустонского парка; она вполне комфортно себя чувствует при температуре 70–80 °C. Белки этой бактерии, в том числе, конечно, и ее ДНК-полимераза, при температурах ПЦР не инактивируются, так что от мороки с добавлением фермента в каждом цикле научные сотрудники избавились. Помню, как на немецкой биотехнологической конференции участникам дарили значки с надписью “Guten Taq!”.

В этот момент отношения Кэри и Дженнифер окончательно испортились, и научные успехи его мало радовали. Первый удачный эксперимент состоялся лишь 16 декабря 1983 г. На этот раз Муллис поставил себе более скромную задачу: амплифицировать определенный участок плазмиды pBR322, привычного инструмента молекулярщиков. И все получилось.

В 1985 г., отшлифовав метод, Муллис отправил статью о нем в Nature. Этой статье не так повезло, как той его дебютной, про обратное течение времени, – она не была опубликована. Рецензенты нашли ее чисто технической и неоригинальной. Публикация в Science состоялась, хотя и не с первого захода. Было даже так: в 1985 г. вышла статья сотрудников Cetus, с Муллисом в середине списка соавторов, о применении ПЦР для исследования гена бета-глобина на предмет поиска мутаций, приводящих к серповидноклеточной анемии[30]. Статья собственно про ПЦР – про ПЦР как метод амплификации ДНК – увидела свет в 1988 г.[31]

К тому времени полимеразная реакция уже вышла в публичное пространство – после того, как у Муллиса появилась возможность представить ПЦР на майском симпозиуме 1986 г. в знаменитой лаборатории Колд-Спринг-Харбор. Реакция научного сообщества была быстрой и впечатляющей. Cetus начала получать множество запросов о PCR, это заставило руководство внимательнее присмотреться к выдумкам Муллиса и изучить возможности дальнейшего развития технологии. Компания позволила автору посвятить все время совершенствованию ПЦР и, когда он добился успеха, наградила его беспрецедентно большим бонусом в $10 000. Позднее Cetus продала патент на ПЦР за $330 млн компании Hoffmann-La Roche. Говорили ему умные люди… Правда, сама Cetus примерно в то же время прекратила существование, в июле 1991 г. было объявлено о ее слиянии с биотехнологической компанией Chiron. Юридическая часть истории на этом не заканчивается, там еще много интересного[32]. Права на метод в итоге принадлежат Hoffmann-La Roche и ее “дочке” Roche Molecular Systems, у них более тысячи патентов и заявок, так или иначе связанных с ПЦР.

Научное сообщество воздало должное Кэри Муллису. В 1989 г. Science объявил полимеразу “молекулой года”. В 1993 г. Муллису за изобретение ПЦР была присуждена Нобелевская премия. Десять лет с той ночи на трассе, пять лет с публикации – можно сказать, высшее признание пришло практически мгновенно! Лекцию новоиспеченный нобелиат прочел ироничную, местами провокационную, как и следовало ожидать, и всячески подчеркивал, что успех ПЦР в то время очень мало вознаградил его за потерю Дженнифер, “этой прекрасной, сумасшедшей женщины-химика”.

Компанию Cetus Муллис покинул еще в 1986 г., недовольный обращением с ним и с другими сотрудниками в группе ПЦР, – с выходным пособием в размере зарплаты за пять месяцев. Занимался он с тех пор многим, но, как правило, “избегал занудства”, используя выражение Джима Уотсона. И это мягко сказано.

Муллиса вспоминают все журналисты, которым надо рассказать о том, какими странными бывают нобелевские лауреаты. Он публично заявлял, например, что причина СПИДа – вовсе не вирус иммунодефицита человека, по крайней мере не только вирус. Он отрицал изменение климата на Земле; обозвал социологию “бесполезной наукой” за то, что она не желает считаться с астрологическими прогнозами. Муллис не скрывает, что в молодости принимал ЛСД, подчеркивает, что это было обычной практикой в то время и что этот опыт дал ему “больше, чем любые курсы”. Впрочем, как он особо отмечает, он не был под веществами, когда в 1985 г. повстречал в лесу зеленого светящегося енота – посланца инопланетян. Говорит он и более возмутительные вещи – например, о том, как вредны для науки приверженность догмам, грантовая система и попытки коммерциализации.

Его автобиография называется “Танцуя нагишом на поле разума” (Dancing Naked in the Mind Field)[33]. Не удержусь от короткой цитаты: “Нам повезло, что в нашем детстве русские были врагами. Мы тренировались прятаться под партами на тот случай, если бы они осмелились сбросить ядерную бомбу на Колумбию, Южная Каролина, во время уроков. В 1957 году русские запустили космическую гонку, отправив Спутник I на орбиту вокруг Земли. Он был всего двадцати трех дюймов в диаметре, но это революционизировало американскую образовательную систему. Правительство влило миллионы долларов в научное образование. Это было удачное время, чтобы быть молодым и влюбленным в науку”. Рассуждение вполне в духе Кэри Муллиса. Наверное, так говорить нехорошо – “повезло, что были врагами”. Надо бы придумать другие способы, побуждающие правительство вливать миллионы в научное образование.

После ухода из Cetus Муллис два года проработал директором по молекулярной биологии компании Xytronyx. Выступал консультантом по научным вопросам, в том числе и на судебных процессах[34]. В 1992 г. основал бизнес по продаже украшений, содержащих амплифицированную ДНК покойных знаменитостей – Элвиса Пресли, Мэрилин Монро. С 2003 г. по настоящее время он руководит созданной им компанией Altermune LLC. Компания планирует реализовать оригинальную идею: вызывать у организма иммунный ответ против определенного вещества (которое вызывает иммунный ответ всегда) и с помощью особых молекул-адапторов перенаправлять этот ответ на патоген, который надо уничтожить[35],[36]. Удачи ему – а мы продолжим об амплификации ДНК.

Итак, какие возможности принесла в молекулярную биологию полимеразная реакция с двумя праймерами?

“Аналитики склонились к приборам ПЦР…”

Прежде всего – медицина, как и хотел Кэри Муллис. Сам он на своем сайте ядовито заметил, что “на медицину ПЦР повлияла намного меньше, чем на медицинскую журналистику”[37], но тут он не совсем прав.

Чего стоит хотя бы применение в диагностических целях, быстрый и легкий анализ на инфекционные агенты. На заре микробиологии для этого был создан фенотипический метод: образцы, взятые у больного, высевали на питательную среду, смотрели, что вырастет, определяли бактерий, окрашивая их различными красителями и затем изучая под микроскопом. Настоящее искусство! Затем появились иммунологические методы, так или иначе использующие антитела – молекулы иммунной системы, в своем роде не менее удивительные, чем ДНК, способные избирательно взаимодействовать с одним и только одним чужеродным веществом (например, поверхностным белком бактерий). Но полимеразная цепная реакция все упростила: берешь образец, выделяешь тотальную ДНК или просто разрушаешь клетки и прочие структуры, чтобы ДНК стала доступной, добавляешь полимеразу и праймеры, комплементарные определенным участкам генома бактерии или вируса, по которым определяют вид и штамм, – и вперед.

Если в образце есть хотя бы следовые количества ДНК возбудителя болезни, в нем пойдет полимеразная реакция. Современные методы даже позволяют с помощью ПЦР количественно определять ДНК вируса или бактерии – узнать не только то, есть ли в образце клостридия или туберкулезная палочка, но и много ее или мало. Это называется “полимеразная цепная реакция в реальном времени”: количество синтезированной ДНК в образце определяют непосредственно в каждом цикле и строят график вроде тех, что показаны на рисунке. (На плато он выходит, потому что в реальной жизни ничто не может умножаться бесконечно – реагенты кончаются.) Многие вирусы имеют РНК-геном, но и на них есть свои приемы: ни одна зараза от ПЦР не укроется.

Однако для этого надо знать возбудителя заранее – знать, кого мы ищем. Ведь чтобы провести ПЦР, нужны праймеры, комплементарные его и только его геному. С тех пор как секвенирование продвинулось вперед и геномы медицински значимых микроорганизмов (а потом и всех других) стали читать полностью, принципиальной проблемы в этом нет. Но тут важно не сделать ошибки, не получить ложноположительного результата, если праймер прилипнет к ДНК какой-нибудь безобидной бактерии. То есть ответственность за результат с лабораторными диагностами теперь разделяют биоинформатики.

Интересно, что многие люди, которые слышали о ПЦР, но не до конца разобрались в том, как она работает, приписывают ей почти магическую силу. Вот, например, роман Дэна Брауна “Инферно”. Очередной злой гений, противостоящий профессору Лэнгдону, изобретает инфекцию, которая должна сократить численность человечества. Гений, в общем-то, не такой уж злой, он беспокоится о том, чтобы перенаселение Земли не сгубило культуру, цивилизацию и гуманизм, но предложенный им метод почему-то не нравится ни частным лицам, ни правительственным организациям, и действие крутится вокруг поиска биологической бомбы с возбудителем. Несколько раз с особым ударением подчеркнуто, что никто не знает, что это за возбудитель, даже с точностью “вирус или бактерия”. А может быть, не то и не другое, а новая форма жизни, потому что злодей гениален.

После многих приключений и разгадывания искусствоведческих шарад силы добра находят место, откуда уже вырвалась или вот-вот должна вырваться страшная инфекция. Место это в уютной пещере, посещаемой туристами, в подземном озере. Далее цитата.

“Каков теперешний радиус распространения инфекции?

Брюдер знал, что ответ будет получен через считаные минуты. Его группа уже установила на мостках на разных расстояниях от эпицентра переносные устройства для обнаружения вируса. Эти устройства – приборы ПЦР – основаны на так называемой полимеразной цепной реакции.

Агент Брюдер сохранял надежду. Поскольку вода в подземном озере стоячая и времени прошло очень мало, можно было рассчитывать, что приборы ПЦР зафиксируют заражение сравнительно небольшой зоны, которую затем удастся дезинфицировать химикалиями и отсасывающими воду устройствами.

– Готовы? – спросил через мегафон техник.

Агенты в разных местах водохранилища утвердительно подняли большие пальцы.

– Проверяйте образцы, – треща, скомандовал мегафон.

По всему подземному залу аналитики склонились к приборам ПЦР. Каждый прибор приступил к анализу образца воды, взятого в одной из точек на концентрических дугах вокруг таблички Зобриста.

Все затихли в ожидании, молясь о том, чтобы загорелись только зеленые лампочки.

А потом началось.

На ближайшем к Брюдеру приборе замигала красная лампочка, сигнализирующая о наличии вируса. Мышцы Брюдера напряглись, и он перевел взгляд на следующий прибор.

Он тоже замигал красным.

Нет…”[38]

Спрашивается: откуда у чиновников ВОЗ специфические праймеры к абсолютно неизвестному, супертаинственному возбудителю? Настолько специфические, что сразу ясно, с одного красного огонечка: он самый, и мы все умрем? Можно, конечно, использовать праймеры к консервативным участкам, которые встречаются в геномах многих вирусов (пусть будет вирус, а не бактерия). Тогда мы получим сигнал, если в пробе присутствует любой из этих вирусов. Однако неудивительно, что в месте, где постоянно ходят толпы сопливых туристов, есть какие-то вирусы. Да, в воде их немного, но в том и прелесть ПЦР, что она делает различимый сигнал из следовых количеств нуклеиновых кислот. Так что, похоже, обманывали профессора Лэнгдона не только симпатичные девушки и тайные агенты. Всемирная организация здравоохранения сама была в курсе коварного замысла, даже геном возбудителя имела! Или автор чего-то не понял про ПЦР. Зато он много знает об истории искусства, в отличие, например, от меня.

Вот такое у ПЦР граничное условие: знать фланкирующие последовательности, то есть конец и начало интересующего участка. И в конце ХХ в., когда читали геном человека, фрагменты клонировали в векторах (сотрудники Крейга Вентера, которые работали с короткими фрагментами, – даже в обычных бактериальных плазмидах). А к последовательностям в векторе уже можно применять ПЦР: даже если вставку никто еще не читал, последовательность плазмиды, в которую она вставлена, известна.

С другой стороны, по мере того как развивается геномика (так назвали раздел науки, которая изучает уже не только отдельные гены, но целые геномы), нечитанных последовательностей в природе все меньше. Теперь ПЦР нашла применение и в палеогеномике. Если мы знаем, какому зверю (или человеку, брату Homo sapiens) принадлежит ископаемая кость, можно синтезировать праймеры, основываясь на геноме родственного вида.

И даже если мы этого не знаем – все равно можно попробовать. Гены, кодирующие рибосомную РНК, имеются у всего живого, при этом эволюция вносит в них изменения крайне осторожно и деликатно. Рибосомы – те самые штуки, которые синтезируют белки, и слишком смелые инновации в рибосомных генах могут привести к потере этой крайне необходимой для жизни способности. Поэтому можно вытянуть с помощью ПЦР рибосомный ген неизвестного существа и, сравнив его с известными последовательностями других существ, сделать довольно точные выводы о том, на какой веточке эволюционного древа сидел тот, кому принадлежала кость.

Полимеразная цепная реакция позволяет “снимать копии” с крайне малого количества ДНК – сотен, а то и десятков пикограммов, то есть геномов горсточки клеток. Из считанных молекул, содержащихся в образце, можно получить количество, достаточное для анализа. Теперь уликой в уголовном деле может стать и капля крови, и несколько волосков (с волосяными луковицами), а личность убитого можно установить даже по фрагменту кости.

Сегодня существует множество вариантов ПЦР для самых разных надобностей[39]. Можно проводить реакцию с несколькими парами праймеров в одной пробирке, можно амплифицировать фрагменты длиннее 5000 пар нуклеотидов. Хитроумный способ, включающий нарезание исходной ДНК на куски и их закольцовывание, позволяет получить копии последовательности, которая в линейной ДНК была справа и слева от известных праймеров, а не между ними (это нужно, например, чтобы понять, в какое место человеческой ДНК встроил свой геном вирус). Можно запустить полимеразную реакцию внутри целых живых клеток в культуре, а потом с помощью гибридизации показать, где находится искомая нуклеотидная последовательность… Много чего можно. В настоящее время ПЦР – трудолюбивая рабочая лошадка молекулярной биологии, ее гоняют и в хвост и в гриву. Кстати, и большинство методов высокопроизводительного секвенирования с необходимостью включают в себя полимеразную цепную реакцию на этапе подготовки библиотек ДНК-фрагментов. И так будет по крайней мере до тех пор, пока не победят методы, работающие с единичными молекулами, вроде нанопорового секвенирования. То есть еще долго. Нельзя исключать, что на смену классической ПЦР придут другие методы амплификации ДНК – но и они, скорее всего, будут так или иначе использовать принцип, придуманный майской ночью на трассе 128.

Выделить главное

Теперь опять вернемся к человеческой ДНК, Алеку Джеффрису, криминалистике и определению отцовства. Те самые участки с повторяющимися последовательностями, которые Алек Джеффрис в своих первых экспериментах искал среди рестрикционных фрагментов, мы легко можем получить с помощью ПЦР. И на форезе тогда будет не “всеобщая смазь”, какую мы видели в первых опытах, а четкие отдельные полоски.

Мы помним, что одна из самых серьезных проблем ДНК-фингерпринта в криминалистике – малые количества доступной ДНК и высокая вероятность ее деградации в неидеальных условиях места преступления. Эти проблемы помогла решить, во-первых, полимеразная цепная реакция, а во-вторых, выбор других маркеров. Вместо гипервариабельных минисателлитов (VNTR) начали использовать микросателлиты, они же короткие (простые) тандемные повторы, они же STR (short tandem repeat, simple tandem repeat). И по сей день ученые и криминалисты всех цивилизованных стран пользуются стандартными методиками для исследования STR-локусов.

Чем хороши STR? Именно тем, что они короткие: длина этих участков – около 100 н. п., а не тысячи, соответственно, больше вероятность, что удастся отыскать их целыми, неповрежденными, и ПЦР ставить удобно. А все остальное работает так же, как и с VNTR: от количества повторов зависит длина сравниваемых участков, и она-то различается у разных людей. Чем больше таких участков – STR-локусов – используют для сравнения двух образцов, тем выше достоверность заключения.

Допустим, в конкретном месте генома (локусе) у разных людей может быть от 1 до 11 копий STR. Поскольку набор хромосом у человека двойной, все гены и межгенные участки у каждого из нас представлены в двух экземплярах (необязательно идентичных). Разные варианты одного участка называют аллелями, а множество всех вариантов с различным числом повторов – аллельной лестницей. Например, у мамы могут быть аллели 5–6 (в одной хромосоме 5 копий STR, в другой 6) а у папы 6–8 (в одной хромосоме 6, в другой 8). Ребенок получает одну хромосому от отца, другую от матери, следовательно, у данной пары могут быть дети с аллелями 5–6, 5–8, 6–6 или 6–8. Если же у ребенка 5–5, значит, папа – не папа.

Вот почему в отчетах по установлению родства методом ДНК-фингерпринта мы видим пары чисел: каждое число – это количество повторов у данного человека в данном локусе. Если у человека в обеих хромосомах в этом месте одинаковое количество повторов, то есть и от мамы, и от папы он получил по 6 повторов (он гомозиготен по этому аллелю, говорят генетики), тогда вместо пары чисел может быть одно число.

Как отмечает сам Алек Джеффрис, его удивило, что потребовалось еще пять лет, чтобы типирование по STR окончательно вытеснило старые методы. Были найдены участки с четырехнуклеотидными повторами, дававшие более четкую картину, мультиплексная ПЦР (это когда в реакционную смесь добавляют не одну пару праймеров, а несколько) позволила идентифицировать сразу несколько участков в одном образце, а использование флуоресцентных праймеров дало возможность автоматизировать процесс.

Очень скоро это стало государственным делом, и первой была, естественно, Великобритания. В апреле 1995 г. британский министр внутренних дел Майкл Ховард объявил об основании Национальной базы данных ДНК (National DNA Database, NDNAD) – первой в мире государственной базы ДНК-профилей преступников. К июлю 2005 г. в ней были 2,9 млн ДНК-профилей и образцов ДНК. Эта база данных с самого начала помогала расследовать не только страшные преступления, но и сравнительно мелкие – оказалось, что и кражу автомобиля совсем нетрудно раскрыть, если на руле найдется ДНК человека, которому владелец одолжить машину никак не мог. Другие страны инициировали аналогичные программы. Раскрываемость с использованием ДНК-анализа и базы данных ДНК-профилей сразу же пошла вверх.

В 2003 г. в Великобритании был принят закон, согласно которому в базе данных должна оставаться ДНК не только осужденных, но и подозреваемых. С точки зрения полиции, правильный закон: под подозрение обычно попадают не ангелы, а такие персоны, которые, даже если не совершили этого конкретного преступления, с высокой вероятностью совершили или совершат другое. Войдут ли когда-нибудь в эти базы все граждане, в том числе самые законопослушные, – спорный вопрос, к которому мы еще вернемся. Кстати, мы уже достаточно знаем о фингерпринте, чтобы понять следующее: ДНК-профиль в базе данных может указать не только на самого человека, но и на его ближайших родственников, то есть можно установить, что ДНК с места нового преступления принадлежит сыну или отцу нашего старого знакомого, который есть в базе данных.

Фигурант первого дела, который Алек Джеффрис и Эрика Хагельберг расследовали с помощью STR и ПЦР в 1990 г., был идентифицирован именно через сравнение его фингерпринта с фингерпринтами его сына и бывшей жены. Этот персонаж по числу жертв опередил всех маньяков-убийц, и заурядных, и знаменитых: ни у кого из них не было таких идеальных условий для работы. Доктор Йозеф Менгеле, Ангел Смерти из Освенцима, признан виновным в убийстве десятков тысяч беззащитных людей.

Охота на доктора Менгеле

Некоторые эксцентричные люди нового тысячелетия называют этого человека ученым и пытаются доказать, что его исследования, как ни кошмарны, принесли медицине определенную пользу. Действительно, начинал он как ученый, и тема его докторской диссертации – “Расовые различия строения нижней челюсти” – не слишком выделялась на фоне других тогдашних научных работ в Германии или за ее пределами; до ужасных практических приложений теории о превосходстве арийской расы оставалось еще несколько лет. В 1938 г. Менгеле вступил в нацистскую партию и в СС. Служил врачом на Восточном фронте, получил звание гауптштурмфюрера СС и Железный крест первого класса за спасение двух человек из горящего танка. (Второй Железный крест он получит позднее – за энергичные санитарные меры во время эпидемий тифа и скарлатины в лагере, включающие массовую отправку зараженных в газовые камеры.) В 1942 г. был ранен, в 1943 – направлен в Освенцим.

Дальше мы знаем: анатомирование младенцев, кастрация мужчин без анестезии, стерилизация женщин рентгеном. Как “ученого”-антрополога Менгеле всегда интересовали близнецы, люди с разным цветом глаз и носители врожденных аномалий. И вот он получил неограниченное количество подопытных. Свидетели рассказывали, что мало кто из врачей любил сортировать заключенных – кого сразу уничтожить, кого на работы, кого на опыты, – однако Менгеле занимался этим с удовольствием, напевая и насвистывая. Интерес к близнецам формально объяснялся поиском путей ускоренного размножения арийской расы, но фактически доктор Менгеле видел в них идеальный “опыт” и “контроль”. Он закапывал подопытным химические вещества в глаза, чтобы изменить их цвет, сшивал детей-двойняшек, чтобы получить сиамских близнецов. (Научный выхлоп был ничтожен и сам по себе, а уж по сравнению с ценой…) Заражал одного близнеца тифом, дожидался смерти, а потом убивал и второго, чтобы сравнить изменения во внутренних органах. Из 450–1500 пар близнецов, поступивших в распоряжение доктора, выжили около 300 человек. При этом свидетели вспоминают, что с детьми, отобранными для экспериментов, “дядя Менгеле” был мил и угощал их сладостями.