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!”.
