4 февраля исполняется 80 лет со дня открытия ДНК. Мы попросили наших научных обозревателей объяснить, что же это такое, простыми словами
Почти наверняка все что-нибудь слышали про ДНК. Без упоминания про нее (да, этот акроним женского рода!) не обходится ни один детективный сериал: отпечатки пальцев утратили актуальность и уступили сюжетообразующую функцию анализам ДНК. В ток-шоу ведущие и участники заняты выяснением родственных связей героев, и помогают им в этом лаборатории, анализирующие и сравнивающие их ДНК. Много разговоров в публичном пространстве ведется о том, что медицина будущего чуть более, чем полностью, будет основана на ДНК-методах, а также «плохие парни» уже работают над ДНК-оружием.
Большинство из нас знает, что ДНК – «это наши гены», но боится заглядывать глубже. Что же мы знаем о ДНК?
Более того, в сороковые годы ХХ века многие ученые-биологи отказывались верить, что ДНК – это действительно генетика живых организмов, именно потому, что устроена она слишком просто.
Действительно, ДНК, то есть дезоксирибонуклеиновая кислота, состоит из четырех химических оснований, являющихся универсальными строительными блоками, очередность которых может меняться, создавая различные комбинации. И именно их порядок определяет уникальность каждого живого организма.
Эти четыре основания ученые обозначают буквами: А – аденин, G – гуанин, С – цитозин и Т – тимин. Человеческая ДНК состоит из порядка 3 млрд таких оснований, причем более 99% из них совпадают у всех людей и лишь около 1% отвечает за уникальность каждого.
Ключевым фактором является порядок и последовательность оснований. Именно они определяют ту информацию, которая необходима для строительства живого организма, его развития и всех жизненных процессов. Четыре буквы генетического кода можно сравнить с буквами алфавита: в зависимости от длины цепочки и последовательности букв в них образуются самые разные слова, а из слов – самые разные предложения.
Основания образуют пары: А с Т, С с G. Затем к ним присоединяются одна молекула сахара и одна фосфатная группа. Полученные таким образом нуклеотиды соединяются в две длинные параллельные полоски, закручивающиеся в двойную спираль. Пары оснований при этом представляют собой своего рода ступеньки, а молекулы сахара и фосфатная группа образуют своего рода вертикальные «перила лесенки».
Например, знаменитая Башня F&F в Панаме или одна из высоток в «Москва-сити». В условиях санкций участники внешнеторговых отношений могут осуществлять обмен товарами и услугами без осуществления международных транзакций (правда не так лихо закрученная) имеют эту причудливую для архитектурного сооружения форму.
Иногда художники допускают ошибку и закручивают спираль влево. Однако в реальности у всех живых организмов, от дуба до слона, от мартышки до дельфина, а также у нас с вами спираль ДНК закручена исключительно вправо.
А теперь – самое важное. ДНК обладает способностью воспроизводить сама себя и, по сути, является кодом для печатания белков, необходимых для возникновения, развития и жизни организма в целом. Множество комбинаций одних и тех же оснований соответствует множеству разнообразных белков, формирующих клетки и ткани.
Вот, собственно, самое основное, что нужно понимать современному человеку о том, как устроена ДНК.
Где хранится генетический код живого организма?
Большая часть – в хромосомах, хромосомы – в ядре, ядро – в клетке (это ее главная органелла), клетка – в тканях и жидкостях организма.
Но так не у всех. У бактерий и архей-прокариотов ДНК находится в цитоплазме клетки, просто потому что кроме цитоплазмы в их клетках нет никаких органелл, даже ядра (собственно, «прокариоты» и значит «доядерные»).
У эукариотов (ядерных), к числу которых принадлежит человек вместе с растениями, животными и грибами, в клетке есть ядро и другие органеллы.
Большая часть ДНК эукариотов находится в хромосомах, другая часть – в митохондриях, которые являются своеобразными энергетическими батарейками клетки.
Размер и количество хромосом различается между биологическими видами. У мухи – всего четыре хромосомы, у жабы – 18, а большинство человеческих клеток содержат 46 хромосом, то есть 23 пары.
Исключение у человека составляют зрелые красные кровяные тельца, в которых совсем нет ДНК, а также сперматозоид и яйцеклетка, имеющие по 23 хромосомы, нетрудно понять почему. Сливаясь в одну 46-хромосомную клетку, они дают начало жизни нового организма.
Человек – диплоидный организм. Это значит, что у него две копии каждой хромосомы: по одной от каждого родителя.
Чтобы понять, насколько плотно она упакована, представьте себе, что нить длиной в 38,6 км вам нужно уместить в теннисный мячик. Кажется, что это невозможно, однако природа как-то с этим справляется.
Не совсем. Всякий ген – ДНК, но не всякая ДНК – ген.
Геном называется такая ДНК, которая содержит инструкцию по созданию конкретного белка. У разных организмов – разное количество генов в зависимости от сложности этого организма. У простейших это 1000 оснований ДНК, у человека – 1 миллион оснований.
Если же говорить обо всех ДНК, то гены составляет лишь порядка 1% всех последовательностей. Остальные ДНК не кодируют белки, но это не значит, что они бесполезны. Их работа – регулировать, когда, как и в каком количестве производятся белки.
В этом смысле ваш организм – фабрика, в которой ДНК заведует производством белков и раздает команды ферментам и прочим молекулам, принимающим участие в этом процессе.
В генетическом коде содержится наследственная информация, которая передается от родителей следующему поколению, потом следующему и так далее. Анализ ДНК может сообщить вам о том, люди каких этносов были вашими предками.
Это значит, что в доисторическую эпоху у нас с ней (и, кстати, не только с ней) были общие предки.
Из множества популярных источников мы знаем, что ДНК человека или животного можно найти на разных поверхностях, с которыми он соприкасался, например в потожировых отложениях на ручке, которой человек писал, или в шерсти кошки или собаки, оставленной на коврике.
Стандарт забора пробы на ДНК – это соскоб защечного эпителия при помощи ватного или вискозного тампона.
А вот в начале 2022 года две команды ученых обнаружили нечто сенсационное. Они взяли пробы воздуха в зоопарках Великобритании и Дании и секвенировали их. Исследователи установили, что в пробах находились фрагменты ДНК разных видов животных, живущих в этих зоопарках, включая птиц и млекопитающих, а кроме того, ДНК тех животных, которые жили на свободе, то есть эндемичной фауны. Но и это еще не все. Там были ДНК даже тех биологических видов, которые служили пищей для обитателей зоопарков!
Интересно, что в некоторых случаях речь шла о животных, находящихся в нескольких сотнях метров от того места, где ученые брали пробы воздуха.
Это исследование стало первой работой, доказывающей, что ДНК можно найти не только на различных поверхностях, в почвах и воде, но даже в воздухе! Представляете, как это может продвинуть криминологию?
Это практически невозможно, потому что большая часть генов у всех представителей человеческого рода совпадает и то, что погубит, например, француза, погубит и китайца, и эфиопа.
Помните, в самом начале пандемии SARS-CoV-2 упорно распространялись слухи, что вирус поражает исключительно людей азиатского происхождения? Довольно скоро мы убедились в том, что это совсем не так.
О том, что генетическое оружие не является научно обоснованной концепцией, пишут и зарубежные, и российские ученые.
При помощи ДНК можно кодировать самую разную информацию!
В 2013 году ученые Европейского института биоинформатики записали 154 сонета Шекспира, фотографию здания своего института, несколько аудио и видеоклипов, статью Уотсона и Крика о структуре ДНК и файл, описывающий то, как все эти данные были записаны.
После того как данные были трансформированы в код ДНК, она была синтезирована, то есть в пробирке была получена реальная ДНК. Затем данные были извлечены и воспроизведены с точностью в 100%.
Ученые подсчитали, что вся мировая информация, объем которой составит порядка 1,8 зеттабайтов, может быть сохранена всего в 4 граммах ДНК.
