Молекула днк из пластилина. Построение модели днк

Всем привет, меня зовут Александр Соколов, и я хочу рассказать, как сделал дома секвенатор – прибор для расшифровки ДНК. Рыночная цена такого прибора составляет около 10 миллионов рублей.

Краткий экскурс в генетику. Если вдруг вы помните, в 2003 г. было сделано сенсационное заявление: ученые, наконец, расшифровали геном человека. Геном построен из ДНК, а ДНК – это исходный код организма. ДНК представляет собой двойную цепочку, состоящую из 4-х видов нуклеотидов, которые повторяются в геноме человека порядка 3 млрд. раз. Так же, как в битах зашифрована вся информация на вашем компьютере, в нуклеотидах зашифрована инструкция о сборке всех белков человеческого тела. То есть зная, в какой последовательности расположены нуклеотиды в ДНК, мы теоретически можем собрать все необходимые белки и получить модель человека. Так вот в стандартном понимании ученые не расшифровали ДНК, а просто перевели химическую последовательность в набор нулей и единиц на компьютере. Что делать с этим дальше – отдельный разговор. Например, на данный момент нам ясна функция лишь 5% всего массива генома (это кодирование белков). Чем занимаются остальные 95%, можно только предполагать.

В 2003 году стоимость секвенирования ДНК человека составляла около 100 млн долларов. С течением времени эта цифра уменьшалась и сейчас она приближается к тысяче долларов. Вы платите, вашу ДНК секвенируют и отдают вам жесткий диск с 3 ГБ информации – вашим геномом в цифровом виде.

Сегодня на рынке представлено три основных секвенатора. Самый производительный, Hiseq, и его приемник NovaSeq, обеспечивает самое дешевое (флуоресцентное) секвенирование. Один его запуск длится несколько дней, и за это время обрабатываются геномы сразу нескольких человек. Однако сам запуск стоит около десятка тысяч долларов. К слову, и сам прибор стоит порядка $1 млн, а, поскольку устаревает он примерно за 3 года, для того, чтобы он окупился, он должен приносить вам $1000 в день.

Второй прибор появился на рынке буквально прошлым летом. Он называется Nanopore и базируется на очень интересной технологии, когда ДНК секвенируется путем пропускания через нанопору. Самый дешевый вариант Nanopore позиционируется как одноразовый домашний секвенатор и стоит $1000.

Третий прибор – PGM, полупроводниковый секвенатор, который стоит $50 000 у себя на родине и около 10 млн рублей (с доставкой, растаможиванием и т. д.) в России. Процесс секвенирования на нем занимает порядка нескольких часов.

Что ж, десяти миллионов у меня не было, а PGM захотелось. Пришлось сделать самому. Сначала вкратце о том, как происходит полупроводниковое секвенирование. Вся цепочка ДНК делится на фрагменты длиной по 300-400 нуклеотидов, называемые ридами. Затем риды прикрепляются к маленьким сферам и многократно копируются – в итоге на каждой сфере «висит» целый пучок одинаковых фрагментов ДНК. Копирование нужно для усиления сигнала от каждого конкретного рида. Набор разных сфер называется библиотекой ДНК.

Сердцем PGM является одноразовый чип – матрица, похожая на матрицу в фотокамере, только вместо пикселей, реагирующих на свет, здесь pH-транзисторы, реагирующие на изменение кислотно-щелочного баланса. Полученная библиотека ДНК загружается на чип, содержащий 10 млн лунок, на дне каждой из них находится pH-транзистор. В лунку умещается только одна сфера и, следовательно, риды только одного типа (с одной определенной последовательностью нуклеотидов). Далее на чип подаются реагенты таким образом, чтобы ДНК начала себя копировать. А копируется она линейно, то есть нуклеотиды прикрепляются к вновь создаваемой цепочке в том порядке, в котором они стоят в материнской цепочке. Поэтому на чип подается один тип нуклеотидов – и тут же фиксируется изменение pH в некоторых лунках (это значит, что в них произошло присоединение данного нуклеотида). Далее подается другой тип нуклеотидов и фиксируется изменение pH в лунках и т. д. Таким образом, подавая на чип все 4 типа нуклеотидов много раз, мы можем получить информацию о последовательности нуклеотидов в каждом риде. Затем математическими способами прочитанные короткие отрезки собираются на компьютере в единую цепочку. Чтобы собрать ее более-менее уверенно, каждый рид нужно прочесть примерно по 100 раз.

Рис.1. Полупроводниковое секвенирование

Теперь разберемся, из чего состоит сам прибор. Имеется, как мы уже знаем, чип, а также система подачи реагентов и материнская плата. Все секвенирование ведется именно на чипе – остальной аппарат только передает на него определенные сигналы, подает реагенты, считывает с него аналоговые сигналы, оцифровывает их и гонит полученный поток информации на компьютер, где данные накапливаются и обрабатываются.

Рис. 2. Устройство секвенатора

Чип позиционируется как одноразовый и после использования выкидывается. Соответственно, там, где работает PGM, такие чипы можно достать бесплатно в любом количестве. Зачем их доставать, спросите вы? Дело в том, что чип мне уже удалось использовать многократно. По сути он вечен: достаточно хорошо промывать его – и можно применять вновь и вновь. По точности работы он ничем не будет отличаться от нового. Сама моя идея заключалась в том, чтобы сделать прибор под этот условно бесплатный чип.

Итак, передо мной встала задача реверс-инжиниринга чипа. Разумеется, никакой документации на заветную микросхему найти было нельзя – производитель не собирался делиться секретами производства, а хотел спокойно продавать свои приборы за $50 000. Для начала я сделал самое очевидное и простое: прозвонил контакты тестером. Стало ясно, где расположены цифровые и аналоговые входы-выходы, питание и прочее. Кое-какую информацию удалось почерпнуть из патентов на чип. Но всего этого, понятно, было недостаточно для создания полноценного продукта. Я еще повозился с чипом, проверял разные свои догадки, поэкспериментировал с подачей сигналов, но никуда принципиально не продвинулся. Пришлось поставить проект на паузу.

Рис. 3. Прозвонка чипа

А затем внезапно на Habrahabr мне попалась статья известного блоггера BarsMonster о том, как он делает реверс-инжиниринг чипов! Воодушевился, написал ему, написал другим энтузиастам, отправил запрос в Киев, где занимались фотографированием чипов. Из Киева ответили, что полировать по слоям они не умеют, могут только отснять верхний слой, а так как мой чип – многослойный, будет не понятно, куда идут дорожки от контактов. Потом познакомился с одним американцем, который тоже занимается реверс-инжинирингом чипов, послал ему свои микросхемы, но и тут дальше фотографирования верхнего слоя дело не пошло. Затем наткнулся в интернете на статью про тех, кто смог отреверсить чип Sony PlayStation и пр. («Слава героям!» и вот это все, если кто в курсе). Решил написать им с вопросами, нашел их ники – и тут же понял, что один из них мне знаком. Недавно товарищ свел меня со своим другом, который «тоже занимается генетикой на любительском уровне», мы пообщались с этим другом в Skype и на этом диалог закончили. И вот я понимаю, что мой новый приятель – мегакрутой мастер реверс-инжиниринга чипов. Тут же написал ему. Однако выяснилось, что, хоть помочь он и готов, у него нет микроскопа. Снова тупик.

А через несколько месяцев нужный микроскоп нашелся в соседней лаборатории! Правда, встроенная в него камера была ужасной, я фотографировал на мобильный телефон через окуляр и получал снимки вот такого качества:

Рис. 4. Чип под микроскопом

Затем на последний Новый год отличный микроскоп за 130 тыс. появился у меня на работе (я – специалист по квантовой криптографии). Мечты сбываются. Наконец, я смог нормально сфотографировать чип сверху.

Рис. 5. Мой рабочий микроскоп

А потом… Потом мне все-таки пришлось самому освоить технику его полировки. Трудность полировки заключается в том, чтобы снимать слои металла толщиной порядка 1 микрона – при этом ширина чипа составляет 1 сантиметр. Для сравнения скажу, что это примерно то же, что допустить на 1 км погрешность не более 10 см. Я очень старался. Результаты моих трудов представлены на следующем фото:

Рис. 6. Реверс-инжиниринг под оптическим микроскопом

Довольно хорошо видны нижний кремниевый слой, верхний слой с транзисторами, первый, второй, третий и четвертый слои металла.

Чип состоит из повторяющихся зон (типа сдвиговых регистров), и по таким картинкам было очень удобно его анализировать: сразу становилось ясно, что происходит на разных слоях. Я «отреверсил» самые «нафаршированные» участки с обилием логики, которые многократно повторялись. Но самым сложным оказалось отследить трассы, идущие по всему чипу, понять, какой внешний контакт к чему относится. С новогодних праздников до конца февраля, я, вооружившись новым прекрасным микроскопом, корпел над этой задачей – сидел на работе до десяти ночи, «реверсил», думал. И тут произошло новое чудо: товарищ смог организовать бесплатную фотосъемку чипа по слоям на электронном микроскопе в МИРЭА. «Фотосессия» крохи в 1 кв. см представляла собой 50 ГБ черно-белых фотографий.

Теперь все эти отдельные фотографии нужно было каким-то образом объединить в одну целую картинку. Чуть ли не в тот же день я написал на «питоне» программу, которая генерировала HTML-файл – при его открытии в браузере я получал требуемое. (Кстати, самая старая 10-я Opera справилась с этим лучше всего, рекомендую!) Затем на javascript написал еще одну программу, позволяющую сравнивать слои, плавно переходить между ними, выравнивать их, подбирать масштаб и т. д. Наконец, в моих руках были все инструменты для решения главных задач. Я отследил трассы, пронизывающие чип, и восстановил всю его структуру до последнего транзистора.

Еще одна фотография среза чипа, сделанная под рентгеном (в МИРЭА):

Рис. 7. Съемка под электронным микроскопом

Хорошо видны лунки, куда попадают сферы с ридами. Ниже располагаются три слоя металла, а еще ниже – слой с транзисторами.

Следующим этапом борьбы за светлое будущее стало создание под чип материнской платы. Спроектировал ее и отправил заказ на производство. А пока суд да дело использовал для работы с чипом плату «Марсоход-2» с FPGA. (FPGA – это, грубо говоря, массив из 10 000 универсальных логических элементов; программируя FPGA, мы можем получать любую логическую схему, легко обрабатывающую гигабитные потоки информации.) Прошивку для FPGA я написал сам, а кроме того, для динамического управления системой написал софт, который задает всю конфигурацию для FPGA. Потом вновь образовался полугодовой перерыв (ездил в командировку на Байкал, готовил в лаборатории установку, которую демонстрировали Путину). Но в конце концов звезды сошлись: у меня появилось время, приехали готовые платы – и я собрал свою систему.

Рис. 8. Создание «железа»

Подал все необходимые сигналы и – о, чудо! – увидел на осциллографе сигнал с чипа. (Осциллограф я купил когда-то за 6 000 рублей на eBay, еще 1 000 стоила прошивка к нему.) На картинке хорошо видны пятна – капельки какого-то реагента.

Рис. 9. Сигнал с чипа на осциллографе

Теперь мне нужно было придумать, как оцифровать эту картинку и передать ее на компьютер. Я собрал вот такую установку:

Рис.10. Схема прибора

Рис. 11. Готовая установка

Есть компьютер, который подает данные управления на плату с FPGA. Плата генерирует цифровые сигналы и отправляет их на чип. Сигнал с чипа идет на усилитель, далее – на АЦП на плате, оцифровывается и передается через COM-порт на компьютер. Вообще, пропускная способность COM-порта невелика: 15 килобит в секунду (т. к. в одном чипе находится от 1 млн до 10 млн «пикселей», а максимальная скорость передачи – 115200 бод). Тем не менее картинка на компьютер в итоге попадает.

Рис. 12. Обработанный сигнал на компьютере.

На фото выше видно, что, когда на использованный б/у-шный чип подается библиотека ДНК, чип заполняется неравномерно: по краям – в меньшей степени. Разные цвета обусловлены разным напряжением на pH-транзисторах. То есть мы можем ясно различить те лунки, куда попали сферы с ридами – впоследствии это поможет нам контролировать промывку чипа.

Соответственно, следующей задачей стала промывка чипа. Нужно было добиться, чтобы он стал, как новый. К счастью, у меня имелся совершенно новый чип в качестве референсного образца. На илл. А видно, что в активной области такой чип практически одного цвета (вертикальные повторяющиеся полосы – это просто шумы, наводки).

Рис. 13. Промывка чипа

На рис. 13 B неудачно промытый чип – он разноцветный. На рис.13 D – использованный, но хорошо промытый чип. Видно, что градиент по краям исчез. Тем не менее стоило бы еще доказать, что он действительно чистый и может использоваться повторно.

Поскольку библиотеки ДНК прикрепляются к танталовому покрытию чипа в кислой среде и открепляются – в щелочной (то есть при высоком pH), то чип промывается с помощью специальных полуавтоматических пипеток растворами с разными pH. На сегодняшний день мне удалось добиться практически полной очистки чипа.

У меня интересовались, почему, когда я полностью разобрался в структуре чипа, я не стал заказывать его изготовление, а предпочел по-прежнему искать и доставать б/у-шные, возиться с их промывкой и т. п. Да потому, что разработка микросхемы стоит огромных денег, миллионы долларов, и солидная часть этой суммы уходит на физическую отладку полученного продукта: подгонку, настройку всех параметров транзисторов и т. д. То есть просто скопировать логическую схему – недостаточно. Поэтому я беру условно бесплатную, уже готовую – спроектированную, изготовленную, отлаженную – микросхему и таким образом экономлю значительные средства, серьезно удешевляю проект.

Следующей моей задачей было собрать более продвинутый прибор, который позволял бы быстрее передавать информацию на компьютер и при этом не состоял бы из огромного количества отдельных плат.

Рис.14 Разработка следующей версии прибора

Я взял новую плату с FPGA – на том же кристалле здесь было 2 ARM-ядра с Linux, имелся Gigabit Ethernet и прочие «плюшки», но зато, в отличие от предыдущего варианта, не было АЦП. Позже спроектировал еще одну плату, с высокоскоростными АЦП и всеми другими необходимыми элементами. Запустил – все заработало.

Что осталось сделать для появления финального прибора? Всего три вещи.

Первое. Нужен гигабитный интернет, быстрая передача данных на компьютер. Это я реализовал буквально вчера.

Второе. Система подачи реагентов. Проектирование специального клапана уже в процессе.

Третье. Софт для обработки информации с чипа. С ПО пока есть вопросы, поэтому приглашаю к сотрудничеству программистов.

Финальный прибор стоит 10 млн рублей. Себестоимость секвенирования составляет несколько тысяч долларов. Чипы обходятся от 100 до 1000 долларов – в зависимости от количества «пикселей» в них. (К слову, восстановление чипов само по себе может стать неплохим заработком, особенно учитывая, что для промывки нужно сделать лишь пару кликов.) Реагенты тоже покупаются, но в перспективе будут создаваться и они.

В общем все это очень интересно, но главное – за этим будущее. Сегодня биотехнологии занимают в мировом научно-техническом прогрессе то же место, что компьютерные технологии в 80-х гг. прошлого века. При этом секвенирование – одно из ключевых направлений для современной биологии и медицины. Ну и, конечно, биотехнологии – это очень прибыльно.

В последнее время на рынке появился полупроводниковый секвенатор S5, и в ближайшее будущие я планирую переключиться на него.

Буду рад пообщаться со всеми, кто захочет тем или иным образом поучаствовать в развитии этого проекта!
Проект был бы не возможен, без теоретической подготовки

Выберите сорт конфет. Чтобы сделать боковые нити из сахара и групп фосфатов, используйте полые полоски черной и красной лакрицы. В качестве азотистых оснований возьмите конфеты "мармеладные мишки" четырех разных цветов.

• Какие конфеты бы вы ни использовали, они должны быть достаточно мягкими, чтобы их можно было проткнуть зубочисткой.
• Если у вас под рукой есть цветной зефир, он будет прекрасной альтернативой мармеладным мишкам.

Приготовьте остальные материалы. Возьмите веревку и зубочистки, которые вы используете при создания модели. Веревку нужно будет нарезать на куски длиной около 30 сантиметров, но вы можете сделать их длиннее или короче - в зависимости от выбранной вами длины модели ДНК.

• Чтобы создать двойную спираль, используйте два куска веревки одинаковой длины.
• Убедитесь, что у вас есть хотя бы 10-12 зубочисток, хотя вам может понадобиться немного больше или меньше - опять же в зависимости от размера вашей модели.

Крайне малые размеры ДНК не позволяют увидеть ее. Вот почему для некоторых она предстает сугубо отвлеченным понятием, а не действительно существующей молекулой. Лучшему пониманию ДНК может помочь собственноручная сборка ее физической модели.

Детские конструкторы прекрасно подходят для сборки моделей молекул, включая ДНК. Один из авторов этой книги (Артур Уиггинз) воспользовался набором конструктора K"NEX для сборки модели ДНК, которую на рис. 1.4 держат в руках дети, помогавшие ему в этом деле.

Данная модель собрана на основе набора K"NEX 32 Model Building Set в коробке Blue Value Tub (34006), который можно приобрести за 30 или 40 долларов (см. www.knex.com).

Рис. 1.4. Модель ДНК, которую держат в руках Рей, Мелисса и Тим Ноу (внуки А. У. Уиггинза)

Руководство по сборке молекулы ДНК можно посмотреть на узле Всемирной Паутины http://c3.biomath.mssm.edu/knex/dna.models.knex.html

По завершении работы вы получите часть молекулы ДНК, содержащую 48 пар оснований. В длину она составит около 1 м.

Получившаяся модель немного отличается от настоящей ДНК. В модели каждый синий стержень находится под углом 20° к предыдущему стержню, тогда как водородные связи в настоящей ДНК параллельны в пределах 6°. Однако модель показывает отдельные повороты спирали, большую и маленькую бороздки и парные основания А-Т и Ц-Г Уотсона-Крика.

При сборке данной модели вы сможете увидеть действие lac-оперона по расщеплению двух нитей ДНК в ходе репликации и работу рестрикционных ферментов, разрезающих ДНК в определенных местах благодаря «подгонке» этих ферментов к молекулам.

Кодоны

Почти все формы жизни на Земле используют один и тот же генетический код, ключом к которому служат кодоны. Если нуклеотидные основания в ДНК представить в виде букв генетического кода, то кодоны будут словами, а ген - последовательностью кодонов, образующих предложение. Согласно основному посылу (центральная догма) [занесенного] в ген выражения (экспрессии гена), сообщение от ДНК записывается на мРНК (матричную РНК), которое затем переносится на белки.

Для уяснения работы кодонов рассмотрим ее подробно.

♦ Последовательность содержащихся в ДНК нуклеотидных оснований задается чередованием аденина, тимина, цитозина и гуанина, обычно обозначаемых буква ми А, Т, Ц и Г.

♦ мРНК переписывает нуклеотидные основания ДНК в том же порядке на рибосому, лишь заменив тиминна урацил. В рибосоме происходит сборка белков нанизыванием друг на друга аминокислот (см.: Список идей, 5. Аминокислоты). Порядок следования аминокислот в белке определяет тРНК (транспортная РНК), передающая исходный порядок следования нуклеотидных оснований в ДНК.

Но каким образом четыре нуклеотидных основания определяют, какую из 20 аминокислот необходимо брать при построении белка?

♦ Если бы каждое нуклеотидное основание задавало одну аминокислоту, можно было бы собрать лишь четыре аминокислоты.

♦ Если бы два нуклеотидных основания совместно зада вали одну аминокислоту, выходило бы 4 2 = 16 аминокислот.

♦ Если бы три нуклеотидных основания совместно задавали одну аминокислоту, можно было бы получить 4 3 = 64 аминокислоты, а этого более чем достаточно. Таким образом, кодон должен представлять собой триплет - три идущих вместе основания.

Троичная природа кодона нашла опытное подтверждение в 1961 году благодаря работе Фрэнсиса Крика.

Выяснением вопроса, какие триплеты нуклеотидных оснований определяют аминокислоты, занялся в 1961 году американский биохимик Маршалл Ниренберг, установивший, что УУУ кодирует аминокислоту фенилаланин.

Последующие опыты Ниренберга и других ученых к 1966 году помогли установить полное соответствие между кодона-ми и аминокислотами.

В таблицах приводятся трехбуквенные кодоны и соответствующие им аминокислоты, присоединяемые к выстраиваемой РНК белковой молекуле, а также нуклеотидные основания РНК (У, Ц, А и Г), а не ДНК (Т, Ц, А и Г). Инициирующий [АУГ или ГУГ] и терминирующий [сокр. терм; это УАА (охра-кодон), УАГ (янтарь-кодон) и УГА (опал-кодон)] [трансляцию] кодоны указывают на начало и завершение транскрипции РНК.

Заметим, что большинство аминокислот задается не одним кодоном. Такая избыточность нередко означает, что одна и та же аминокислота задается независимо от того, какое азотистое основание находится на третьем месте в кодоне. Поскольку именно третье положение часто неверно считывается, подобная избыточность сводит к минимуму последствия от ошибок в считывании.

На прочтение генома человека ученым потребовалось 13 лет и 3 миллиарда долларов. Современные же технологии позволяют любому, кто в состоянии выложить 50 000 долларов, узнать все или почти все о своем геноме. Но методики с каждым годом становятся совершеннее и дешевле, а вслед за умением читать придет умение до конца понимать наследственную информацию, заложенную в ДНК. Так что в скором будущем генетический анализ станет по-настоящему мощным оружием в руках медиков и столь же рутинной операцией, как анализ крови.

Предсказание по снипам

В 1953 году после долгих исследований Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик представили научной общественности двуспиральную модель ДНК. За это открытие в 1962 году им была присуждена Нобелевская премия в области физиологии и медицины. Они не только показали структуру ДНК, «стройматериал», из которого она состоит, но и выяснили наконец, как устроен язык, на котором природа записывает наследственную информацию. «Буквы», составляющие генетический язык, — это нуклеотидные основания. Они попарно и в определенной последовательности соединяются между собой, образуя прочные связи. Чтобы понимать «написанное», ученые во всем мире вплотную занялись тем, что в языкознании называется семантикой — наукой, изучающей значение единиц языка. Такими единицами в языке наследственности являются гены. По сути, это отдельные слова, записанные с помощью алфавита, который состоит всего из четырех букв: аденина (A), тимина (T), гуанина (Г) и цитозина (Ц). Они соединены в две цепочки длинной органической молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), которая и является текстом, содержащим все характеристики живого организма: от фенотипа до врожденных заболеваний. Причем соединены они в строгой последовательности: против нуклеотида А в антипараллельной цепи ДНК обязательно находится Т, а напротив нуклеотида Г — Ц (это называется принципом комплементарности или соответствия). Но иногда в написание слов вкрадывается ошибка — перестановка местами букв или слогов. Такая опечатка (мутация) называется снипом — от английского слова single-nucleotide polymorphism, или однонуклеотидным полиморфизмом. Эти, условно говоря, бракованные гены далеко не всегда являются зловредными — в среднем из 250−300 снипов, присутствующих в ДНК каждого организма, лишь 50-100 отвечают за те или иные наследственные заболевания. Остальные ведут себя вполне дружелюбно и опасности для жизни не представляют. Более того, именно они делают нас столь непохожими друг на друга. Например, голубой цвет глаз — это результат мутации в гене HERC2, а кудрявые волосы — мутация гена P2RY5. То есть можно сказать, что снипы, точнее их набор, — своего рода ваш индивидуальный штрихкод, к тому же передающийся из поколения в поколение. По нему можно не только судить о здоровье, но и установить принадлежность к тому или другому этносу, родство с ныне живущими или давно умершими людьми, пути миграции далеких предков. Поэтому кроме медиков достижениями генетиков пользуются историки, антропологи, географы, криминалисты.

Четыре года назад автор этих строк прочел, что есть лаборатории, в которых «по одному плевку» (анализу молекулы ДНК, взятой из слюны) определяют родословную человека. В общих чертах методика выглядит так: набор снипов указывает определенную гаплогруппу, в которую входят носители общих полиморфизмов. Митохондриальные гаплогруппы позволяют определить происхождение по материнской линии, а гаплогруппы Y-хромосомы — по отцовской (так как Y-хромосома есть только у мужчин, этот анализ можно провести только для них). Чем больше сов падений, тем ближе родство. Обычно анализ проводят по 25 маркерам: отличие в две мутации между гаплотипами является пограничным результатом, допустимым для признания родства. Сегодня генеалогическими расчетами вручную уже никто не занимается. Для этого есть специальные программы. После введения личных данных программа найдет в базе данных не только самые близкие по совпадениям гаплотипы, но и нарисует генеалогическое древо с предполагаемым общим предком и родственными линиями, идущими из прошлого в настоящее.

Естественно, возникла идея воспользоваться такой возможностью и узнать свои корни. Отправив образец слюны в лабораторию, я, еще до того как оттуда пришел ответ, получил письмо из Италии: «Добрый день, господин Максимов, меня зовут Джойелло Тоньони. Я совпадаю с вами по генетическим маркерам, может быть, мы родственники?» Увы, итальянец оказался родней настолько дальней, что восстановить цепочку, нас связывающую, можно только, углубившись на несколько тысяч лет. Но нашелся и более близкий родич — в Мюнхене. Мы с ним связаны через общего предка, протестантского священника, приехавшего в екатерининские времена из Германии в Россию. Сказать ему кроме «привет из Москвы» мне было нечего, но все равно приятно узнать, что с кем-то у тебя есть общие корни.

Чемпион по рождению

Понятно, что путь к высшим спортивным достижениям лежит через многолетние упорные тренировки. Однако чтобы стать чемпионом, одного усердия мало, нужны еще и способности. То, что физические данные часто передаются по наследству, было известно задолго до того, как люди стали изучать законы наследственности. Дети выдающихся спортсменов в 50% случаев наследуют родительские способности. В 1990-е годы и вовсе стали говорить об этнической наследственной предрасположенности к тому или другому виду. Например, в беге нет равных кенийцам и эфиопам. Британский ученый Хью Монтгомери этот феномен связал с мутациями гена АСЕ, который он назвал «геном спорта». Позднее было обнаружено еще 28 генов, которые определяют физические способности. Сегодня более или менее точно можно судить о способности человека к тем видам спорта, где нужны сила, скорость, выносливость. Например, к плаванию, лыжным гонкам, бегу, тяжелой атлетике.

Как-то сын, ярый болельщик московского «Спартака», наслушавшись моих рассказов об успехах генетиков, задал неожиданный вопрос: «Пап, может, ты зря бросил профессионально заниматься футболом и плаванием? Вдруг в твоем генетическом коде записано, что ты прирожденный чемпион?» Мне и самому стало интересно получить ответ. Обратился к кандидату медицинских наук, старшему научному сотруднику Института медико-биологических проблем РАН и Санкт-Петербургского НИИ физической культуры Ильдусу Ахметову, и он провел «слепой» анализ ДНК трех человек: бронзового призера Олимпийских игр, прыгуна в длину Игоря Тер-Ованесяна, олимпийского чемпиона 1980 года в легкоатлетической эстафете 4 × 100 м Николая Сидорова и меня. Тест показал, что ни олимпийские чемпионы, ни я не ошиблись в выборе профессии. В отличие от обоих чемпионов мои возможности оказались более чем умеренными.

ДНК своими руками

Общая длина ДНК всех 46 хромосом одной клетки — около 2 м, а общая длина всех молекул ДНК человека — 1011 км. ДНК — гигантские полимеры. Они присутствуют в любых организмах как растительного, так и животного происхождения. Чтобы увидеть эту молекулу, микроскоп не потребуется. Для опыта нужно 100 г мяса, порезанного на кусочки, соединить с 1/8 ч. л. соли и 200 мл воды и 15 с измельчать в миксере. Процедить. В мякоть добавить 2 ст. л. средства для мытья посуды и размешать. Через пять минут налить жидкость (на 1/3) в пробирку и добавить 1-2 капли свежевыжатого ананасового сока. Слегка, чтобы не поломать молекулы ДНК, встряхнуть. Долить в пробирку равный объем этилового спирта и медленно помешать стеклянной палочкой. На нее намотается бес цветная масса. Это и есть ДНК.

Опьяняющие гены

Некоторое время назад мы с постоянным партнером по шахматам, менеджером одной из китайских фирм в Москве Лин Ваном решили сыграть необычную партию, на сей раз в шашки. Роль фишек у нас исполняли рюмки. Я играл белыми, и, соответственно, в моих рюмках была водка, а у Лина — коньяк. Затеяли мы это, чтобы проверить теорию, согласно которой русские в результате какой-то мутации приобрели способность долго не пьянеть, а вот азиаты такой способностью не обладают. Наш эксперимент эту теорию опроверг: Лин держался молодцом, меня же здорово разобрало, а наутро голова просто раскалывалась. Это, конечно, ничего не означает — Лин Ван мог оказаться одним из тех 20-30% китайцев, которые обладают «русской» мутацией, а я из тех немногих русских, ею почему-то обделенных.

Вопрос, в какой степени наследственность ответственна за склонность к алкоголизму и слабую устойчивость даже к малым дозам алкоголя, ученых интересует давно. Известно несколько генов, отвечающих за удовольствие, которое человек получает от выпивки (в частности, контролирующих выработку серотонина и дофамина), и гены, определяющие способность организма вырабатывать ферменты, непосредственно участвующие в усвоении алкоголя. Этанол, или этиловый спирт, попав в организм, превращается под действием фермента алкогольдегидрогеназы в ацетальдегид, сильнейший токсин. В свою очередь он, реагируя с другим ферментом, альдегиддегидрогеназой, превращается в безобидный ацетат. У каждого человека есть набор генов, который отвечает за то, как быстро эти два фермента вырабатываются. Например, у значительной части жителей Азии первый этап — окисление этанола — происходит крайне быстро. А второй — обезвреживание — слишком медленно. В результате даже небольшая доза оборачивается сильным отравлением. По мнению кандидата биологических наук, сотрудницы лаборатории анализа генома Института общей генетики РАН Светланы Боринской, соответствующая мутация возникла в Азии около 2000 лет назад (и закрепилась, поскольку помогала организму бороться с какой-то инфекцией), а чувствительность к алкоголю — ее побочный эффект.

Обнаружив у себя эту азиатскую особенность, я отправился в одну из крупнейших наркологических клиник Москвы, где сделал генетический анализ. Его результаты меня мало удовлетворили. Оказалось, что шансов стать алкоголиком у меня 7,21% при среднем показателе для европейцев моего возраста — 16%. Уже неплохо, хотя ответа на вопрос, почему я так быстро пьянею, получить не удалось. Но это и не так актуально, когда узнаешь, что у тебя есть предрасположенность к алкогольной печеночной энцефалопатии, циррозу печени и алкогольному миокардиту.

Болезни здорового человека

Диагностировать генетическими методами многие наследственные заболевания — задача трудная прежде всего потому, что практически все они связаны с «ошибками» не в одном, а во многих генах. Уж на что мутации в гене р53 жестко связаны с раком, а есть множество примеров, когда злокачественная опухоль развивается у человека, у которого этот ген вполне нормален. Сейчас известно более 1700 мутаций, которые связаны с сердечно-сосудистыми заболеваниям, 5700 — с онкологическими, 1400 — с обменом веществ. При этом генетические тесты позволяют определить степень предрасположенности только к 50-100 заболеваниям. В ходе исследования анализируется, понятно, не весь геном (это очень дорого), а его отдельные «горячие точки», те самые снипы. Наиболее важные из них: инфаркт миокарда, сахарный диабет, многие виды рака, болезнь Альцгеймера, а также такие зависимости, как алкоголизм, никотиновая и опиоидная.

Заведующий лабораторией молекулярной генетики человека НИИ физико-химической медицины Федерального медико-биологического агентства Эдуард Генерозов, который первым в России стал делать такие анализы восемь лет назад, когда я пришел за результатом своего теста, встретил меня строгим вопросом: «А вы точно хотите его знать?» Я не понял сначала, почему возник этот вопрос. Но, увидев, как выглядит типовой бланк с расшифровкой моего анализа, а это две страницы про рак, еще три про болезни сердца, почувствовал страх. «Пугаться не надо, — успокоил ученый, — это всего лишь оценка предрасположенности к заболеваниям, а не приговор». Степень риска определяется с помощью специальной методики, учитывающей, у скольких человек из тысячи с таким, как у вас, генетическим профилем, развился недуг. Причем данные надо брать по той стране, где вы родились, поскольку у разных народов в среднем разная склонность к одинаковым заболеваниям. Иными словами, использовать статистику, собранную иностранными учеными, нецелесообразно.

Обычный человек без специалиста не может понять, что означают те или иные цифры в анализе и что следует предпринять, чтобы вероятное не стало реальным.

«Разъяснения врача-генетика необходимы, — считает автор книги «Психологическая помощь в трудных и экстремальных ситуациях», доцент кафедры социальной психологии Московского государственного социального университета Наталия Осухова. — Да и психолог здесь будет нелишним. Это избавит от эмоционального шока и позволит принять взвешенное решение относительно лечения или изменения образа жизни. Люди начинают планировать свою жизнь и хотят управлять рисками. То есть мы медленно, но верно движемся к тому, к чему давно пришли американцы».

Получив свой многостраничный анализ, я решил для сравнения заказать такой же в известной американской фирме 23andme и российской — «Мой ген». Список болезней, к которым я предрасположен в наибольшей и наименьшей степени, в обоих анализах совпал, а вот степень риска различалась существенно. Надо сказать, что это не только российская проблема, и в других странах мира она пока не решена. Оценки абсолютного риска или вероятности развития того или иного заболевания даже в крупных лабораториях различаются довольно значительно. Пока еще не выработан единый международный механизм подсчета среднепопуляционного риска. Если относительный зависит исключительно от индивидуального генотипа, то среднепопуляционный риск — от того, каким образом определена популяция. Одни компании, например, разделяют риски для мужчин и женщин, для других критерием служит возраст. Но главной причиной, обуславливающей расхождения результатов, является набор маркеров, выбираемых компанией для вычисления относительного риска. Если бы он был един для всех, то и степень риска совпадала бы. Как бы то ни было, разброс в моем случае некоторых цифр в 20-100 раз указывает на то, что пока нужна единая система подсчета рисков.

Корректура здоровья

По прогнозам ВОЗ, заболеваемость и смертность от онкологии во всем мире за период с 1999 по 2020 год увеличится в два раза: с 10 до 20 миллионов новых случаев, то есть на 1% ежегодно. Такой пессимистический прогноз не может не волновать людей, особенно если среди их близких родственников были или есть такие больные.

Известная журналистка Маша Гессен приняла решение превентивно удалить грудь. Поскольку ее мама умерла в 49 лет от той же формы рака, то она в 2004 году пошла на операцию. Сподвиг ее на такие радикальные меры результат генетического анализа, из которого следовало, что в ее гене BRCA1 (BRCA — Breast Cancer) не хватает 187-го нуклеотида, а у носительниц мутантной формы гена риск рака груди возрастает до 60-85%. Вообще, для развития рака груди наиболее опасны мутации в двух генах — BRCA1и BRCA2. В норме они должны подавлять образование опухоли, блокируя рост клеток. Если же в их структуре происходят мутации, то начинается бесконтрольный рост раковых клеток. Хотя у 15% людей, имеющих такую мутацию, есть шанс избежать этого заболевания. Это касается и любого другого вида онкологии.

«Лечить рак малоэффективно, лучше его предотвратить, — говорит президент Противоракового общества России, член-корреспондент РАМН Давид Заридзе. — Бросьте курить, и это приведет к существенному снижению риска смерти от рака легкого, который очень сложно диагностируется, лечится и снижает продолжительность жизни в среднем на 14%». Подобные рекомендации мы слышим часто, даже читаем их на пачках сигарет, но когда в расшифровке анализа написано, что есть проблемы с легкими, то избавление от курения становится вопросом жизни и смерти. Моя борьба с никотиновой зависимостью длилась год.

В этой ситуации начинаешь радоваться тому, что из всех видов рака самый вероятный для меня, согласно анализу, — рак простаты. На ранних стадиях он успешно лечится, и даже на поздних гормональная терапия позволяет продлить жизнь мужчины на долгие годы. Кстати, в целях профилактики в медицинских центрах можно сделать достаточно дешевый (450 рублей) тест на наличие онкомаркеров.

А как быть с остальными угрозами — совершенно неясно. Я решил поставить эксперимент и пошел к кардиологу и терапевту с моими генетическими анализами. Тут-то я и понял всю глубину пропасти между передним краем науки и современной российской медициной не в самом плохом, платном исполнении. Кардиолог мне посоветовал меньше курить и не нервничать, а терапевт сказал, чтобы я не забивал себе голову глупыми страхами. Поэтому, даже получив такие анализы, будьте готовы, что использовать их по прямому практическому назначению будет непросто.

Впрочем, в базе 23andme для каждого анализа есть подробная рекомендация, к какому врачу обращаться, правда, ехать к ним на прием нужно в Америку. Из российских ученых только команда под руководством кандидата биологических наук, сотрудника лаборатории пренатальной диагностики НИИАГ им. Д.О. Отта СЗО РАМН и Медико-генетического центра «Жизнь» Олега Глотова «решилась» выдать мне подробные рекомендации. «Надо обязательно вести пациента, не оставляя его один на один с такими результатами», — говорит он. Мне, например, ученые посоветовали диету, бросить курить, заняться спортом, а главное, регулярно проверять уровень простатического специфического антигена в крови и проводить наблюдение у терапевта, уролога, кардиолога и… Всего пять страниц. Выглядит солидно, и я уже частично приступил к реализации этой программы.

В связи с этим возникает вполне закономерный вопрос: может быть, делать подобные генетические анализы сразу при рождении ребенка? Своим я пока этого не сделал, решив, что в этом нет необходимости. А вот Ильдус Ахметов полагает, что в будущем жизнь любого человека должна начинаться с ДНК-анализа: «Каждому ребенку будут даны рекомендации по индивидуальной диете, физическим и умственным нагрузкам, более того, врачи смогут составить список и указать индивидуальные дозы лекарственных препаратов, подходящих конкретному человеку».

Надеюсь, что результаты прогресса науки смогут оценить наши дети или хотя бы внуки. Ну а я, чтобы не подвести генетиков, начал заниматься спортом и бросил курить. Пока это единственное, что удалось сделать из их рекомендаций для поддержания здоровья. Тем более что, согласно результатам тестирования, продолжительность жизни оказалась у меня больше средней на четыре месяца одну неделю и два дня. То есть лет до 70 есть шанс дожить. Хотя жаль, конечно, что вероятность долгожительства до 100 лет у меня меньше средней на 42%, поэтому утреннюю зарядку и овсянку отменить никак нельзя.

Иллюстрации: СЕРГЕЙ КАЛИНИН, СТУДИЯ VISUAL SCIENCE

Сегодня мы проведем урок не только лепки, но и химии, и слепим модели молекул из пластилина. Пластилиновые шарики можно представить, как атомы, а показать структурные связи помогут обычные спички или зубочистки. Таким методом могут пользоваться учителя при объяснении нового материала по химии, родители – при проверке и изучении домашнего задания и сами дети, интересующиеся предметом. Более легкого и доступного способа создать наглядный материал для мысленной визуализации микрообъектов, пожалуй, не найти.

Здесь представлены представители мира органической и неорганической химии в качестве примера. По аналогии с ними могут быть выполнены и другие структуры, главное – разбираться во всем этом многообразии.

Материалы для работы:

• пластилин двух или более цветов;
• структурные формулы молекул из учебника (при необходимости);
• спички или зубочистки.

1. Подготовьте пластилин для лепки шарообразных атомов, из которых будут складываться молекулы, а также спички – для представления связей между ними. Естественно, лучше показывать атомы разного сорта другим цветом, чтобы было понятнее представить себе конкретный объект микромира.

2. Чтобы сделать шарики, отщипните необходимое количество порций пластилина, разомните в руках и скатайте фигурки в ладонях. Для лепки органических молекул углеводородов можно использовать красные шарики большего размера – это будет углерод, и синие меньшего – водород.

3. Чтобы слепить молекулу метана, вставьте в красный шарик четыре спички так, чтобы они были устремлены к вершинам тетраэдра.

4. Наденьте на свободные концы спичек синие шарики. Молекула природного газа готова.

5. Подготовьте две одинаковых молекулы, чтобы объяснить ребенку, как можно получить молекулу следующего представителя углеводородов – этана.

6. Соедините две модели, убрав одну спичку и два синих шарика. Этан готов.

7. Далее продолжите увлекательное занятие и объясните, как происходит образование кратной связи. Уберите два синих шарика, а связь между углеродами сделайте двойной. Подобным образом можно слепить все необходимые для занятия молекулы углеводородов.

8. Такой же способ подойдет и для лепки молекул неорганического мира. Осуществить задуманное помогут те же пластилиновые шарики.

9. Возьмите центральный атом углерода – красный шарик. Вставьте в него по две спички, задавая линейную форму молекулы, на свободные концы спичек прикрепите два синих шарика, которые в данном случае олицетворяют атомы кислорода. Таким образом, мы имеем молекулу углекислого газа линейного строения.

10. Вода – это полярная жидкость, а ее молекулы представляют собой угловые образования. Они состоят из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Угловое строение задает неподеленная пара электронов на центральном атоме. Ее тоже можно изобразить в виде двух зеленых точек.

Вот такие увлекательные творческие уроки обязательно нужно практиковать с детьми. Ученики любого возраста заинтересуются химией, будут лучше понимать предмет, если в процессе изучения им предоставить наглядное пособие, выполненное своими руками.