Серия «Изобретательство»

В таких тестах определяется присутствие специфического белка в жидкости. В тесте на ковид, например, определяются вирусные белки. В тесте на беременность - специфический гормон, который тоже является белком.

Для этого используются искусственно выращенные иммуноглобулины. Это те самые иммуноглобулины, которые производит иммунная система (точнее B лимфоциты) для борьбы с инфекцией (их еще обычно рисуют в виде “Y”). В 1980-х годах был придуман метод выращивания иммуноглобулинов в промышленных масштабах и с тех пор они используются во многих изобретениях и исследованиях.

Для теста подбираются два разных иммуноглобулина, так, чтобы они "захватывали"  только тестовый белок, причем его разные участки. В результате должен образовываться “сэндвич” - два иммуноглобулина и тестовый белок между ними. Обычно это рисуют вот так:

Один из этих иммуноглобулинов соединяют с наночастицей золота и помещают с края тестовой полоски, там где закапывается тестируемая жидкость. А другой - “пришивают” к материалу полоски, там, где появляется цветная полоса в случае положительного теста.

Сама тестовая полоска - это что-то вроде бумажной салфетки. Если намочить ее с одного края, то жидкость начинает расползаться по всей полоске (капиллярный эффект) пока не намочит ее всю.

Растекаясь жидкость увлекает за собой иммуноглобулины с частичками золота. Частички размываются по всей поверхности и их не видно. Но если в жидкости есть тестовый белок, то частички начинают застревать там, где “пришит” второй иммуноглобулин. В этом месте образуется "сэндвич": золотая частица + иммуноглобулин 1 + тестовый белок + иммуноглобулин 2. В результате частицы концентрируются и становятся видны в виде красной вертикальной черты.

Кроме этого, для контроля в начало полоски добавляется окрашенный “контрольный” белок, на который “нацелен” иммуноглобулин, обычно пришиваемый ближе к противоположному концу полоски. Появление контрольной полоски показывает, что иммуноглобулины работают (по крайней мере контрольный) и тестируемая жидкость действительно проходит через всю полоску.

Вот хорошая анимация всего этого процесса. Только в анимации тест сделан для двух разных белков.

В 1984 году был зарегистрирован патент “Твердофазный анализ с визуальным считыванием” в котором предлагается этот метод.

Вот это патент:

ПЦР - это метод размножения копий ДНК. Делается это так.

В пробирку с реактивами добавляют очень маленькое количество (нанограммы) ДНК. Затем пробирку нагревают, охлаждают, нагревают, охлаждают ... и так раз 30. При каждом нагревании-охлаждении каждая молекула ДНК превращается в две копии. В результате общее количество копий растет в геометрической прогрессии 1 -> 2 -> 4 -> 8 -> 16 -> 32 ...

Основная работа по копированию ДНК делается молекулярной машинкой под названием "ДНК-полимераза". В момент нагрева двойная цепь ДНК разваливается на одиночные цепочки и из одной молекулы получается две одноцепочечные. При охлаждении ДНК-полимераза цепляется к одноцепочечным молекулам и "ремонтирует" их, восстанавливая вторую цепь. Получаются 2 молекулы из одной исходной.

Очень важной особенностью ДНК-полимеразы является то, что она не может прицепиться к цепочке ДНК в любом месте. Это должен быть участок частично "отремонтированный". Поэтому в пробирку добавляют короткие одноцепочечные ДНК (ПРАЙМЕРЫ), которые при охлаждении первыми соединяются с копируемой ДНК, образуя маленький участок двойной цепи. Вот к этому участку и цепляется ДНК-полимераза, чтобы отремонтировать всю молекулу.

Благодаря такой особенности ПЦР "нацеливают" на определенную ДНК с помощью праймеров. Чтобы понять, как это делается, нужно вспомнить, что ДНК - это цепочка звеньев (оснований) - A, G, T, C. Их последовательность может быть любой. Однако чтобы две цепочки соединились в одну двойную они должны быть "комплементарны", т.е. "A" в одной цепочки должна быть напротив "T" в другой, а "G" напротив "С". Вот как-то так

...A-T-G-C-G-T-A-G-C-T-A-T-T-T...

...T-A-C-G-C-A-T-C-G-A-T-A-A-A...

Дизайнеры праймеров находят короткий, уникальный участок ДНК (букв 20) и синтезируют комплементарную последовательность "букв". Если все сделано правильно то, такой праймер соединяется только с нужной ДНК в момент цикла охлаждения и запускает процесс копирования. А все ДНК, не имеющие подходящего для праймера участка, не будут участвовать в копировании.

ПЦР и дизайн праймеров - основа огромного количества изобретений.

Можно, например, сделать праймер к вирусу COVID-19 и тогда получится тот самый ПЦР тест. Если такой ПЦР создаст большое количество ДНК от пробы, взятой у человека, то значит человека болен короновирусом (у него есть вирусная ДНК).

И таким образом можно делать тест на любой вирус или бактерию!

Изобрел этот метод американский ученый Кэри Муллис, который в 1986 году зарегистрировал патент "Процесс усиления, обнаружения и/или клонирования последовательности нуклеиновой кислоты", а в 1993 получил за это Нобелевскую премию.

Вот это патент

Отцом “детектора лжи” считается студент Стэнфордского университета Леонард Килер, который в 1925 году зарегистрировал патент “Аппарат для регистрации артериального давления”. Аппарат представлял собой простое соединение манжеты для измерения давления крови с пером самописца. Чистая механика, никакой электроники!

Манжету, надевали на руку испытуемого и накачивали, как при обычном измерении давления. Включали самописец и он отрисовывал колебания давления.

Пример результата работы такого полиграфа показан в патенте. Маленькие частые колебания - это пульсовые колебания, связанные с сокращением сердца. Медленные, непериодические колебания связаны с дыханием или изменением тонуса сосудов.

Именно по этим колебаниям "древние полиграфологи" и определяли правдивость ответов.

По поводу достоверности полиграфии я нашел такие данные.

В специально организованных экспериментах, где результаты теста никак не влияли на испытуемых получалось 70% правдивости результата. При тестировании сотрудников банков и универмагов 80% уличенных во лжи признавались, что действительно говорили неправду. Однако в уголовных делах только 62% оказывались виновны по результатам следственных действий и в 10% случаев сделать какие-либо выводы полиграфологи не смогли.

Официальная позиция науки - все это лженаука. Не известно никакого достоверного паттерна регистрируемых физиологических изменений, по которому можно было бы определить правдивость ответов.

Похоже тесты работают только благодаря опытности  полиграфолога и любая гадалка с картами может выдать такой же результат. Причем она также будет уверена, что именно карты определяют правдивость.

Как обмануть полиграф (точнее полиграфолога).

Наступаем на острый камень в ботинке, прикусыванием язык, учащаем дыхание и вот мы уже врем или что-то скрываем (тут главное не переборщить!). Ложное срабатывание вызывает и просто вспоминание чего-то постыдного. Из экзотических методов мне попался “метод агентов КГБ” - сжатие сфинктера. Утверждается, что это дает наиболее правдоподобную реакцию “лжи”.

Все это проделываем во время начального опроса (калибровки прибора), ну и затем выдаем “ложь” по нейтральным вопросам.

Вот так выглядит патент

Решил немного изучить методы изобретательства в генетике и начал с патента трансгенного помидора "flavr savr". Произноситься сорт как "flavor saver", дословно "спаситель вкуса", а "Вкусовая консерва" - мой художественный перевод названия :).

Это была первая генномодифицированная еда, появившаяся на рынке в 1994 году. Помидор мог долго лежать не теряя товарного вида, но оказался невкусным и дорогим. Компания, его сделавшая, разорилась, кроме того ее обвинили в нарушении патентов, а ее собственные патенты оспорили. В конце концов ее поглотила корпорация Monsanto.

Помидор был изменен с помощью метода, который компания запатентовала в 1983 году. Название патента звучит совершенно непонятно для неспециалиста, но я попробую изложить все простыми словами.

В чем была проблема. Было обнаружено, что помидорам помогает гнить их собственный фермент. Если его убрать, то помидор будет лежать долго и не портиться.

Сломать или удалить ген, который отвечает за производство фермена - не проблема. Но какое-то количество фермента необходимо помидору, поэтому нужен был способ снизить его производство, а не прекратить.

Производство фермента в живой клетке, как и любого белка, происходит так. Сначало участок ДНК, в котором записана инструкция по производству белка (ген), копируется в молекулу РНК, затем РНК перемещается к месту производства и загружается в рибосому, которая и производит белок.

В этой производственной цепочке отрегулировать объемы производства можно многими способами. Например, можно уничтожать РНК, несущую в производство инструкцию, с помощью другой РНК. Дело в том, что две молекулы РНК могут соединиться в двухцепочечную молекулу (как в ДНК), если их последовательности правильно подобраны. Такую двойную молекулу клетка считает "испорченной" и уничтожает.

Изобретатели помидора "flavr savr" запатентовали идею о том, что можно в ДНК вставить искусственный код, который будет выдавать РНК, мешающую производству заданного белка по описанному механизму.

В патенте они описывают и принцип создания ДНК кода, производящего "блокирующие" РНK. Код должен быть таким, чтобы производилась короткая РНК в 20-50 оснований длинной, а ее последовательность должна быть комплементарной какому-то участку РНК - мишени.

Копмлиметнарной, это значит, что при соединении с участком мишени напротив "A" основания из одной цепочки должно находится "U" основание из другой цепочки, а напроти "G" - "C"

Как-то так:

Сам патент

Самая левая колонка "Локус" - это символьное обозначение участка ДНК, длину которого измеряли. В этой колонке стандартный набор из 20 вариабельных участков и участок Amelogenin, который не имеет отношения к определению отцовства и служит просто для определения пола человека по ДНК (в таблице X- женщина, XY - мужчина).

У каждого участника теста по 2 колонки цифр. Это потому, что у каждого человека 2 нитки ДНК (от папы и от мамы) и вариабельные участки на них могут отличаться. Если указана только одна цифра, то это значит, что на обеих "нитках" ДНК данный участок одинаковый. Наример, во второй строчке у матери "16" означает, что ей попал участок vWa одинаковой длины "16" и от отца и от матери.

Ребенок получает одну ДНК от папы, а другую от мамы. Это значит, что в каждой строчке у него должна быть какая-то цифра из колонки отца и какая-то из колонки матери. Конкретно какую "цифру" получает ребенок - это совершенно случайный процесс (причем эта случайность происходит еще до зачатия ребенка, если кто не знает)

Смотрим на первую строчку дочери. Цифры "17" нет ни у матери, ни у отца - это откуда-то "со стороны". Дальше уже можно и не смотреть, отец не тот. У настоящего отца должна быть одна из цифр "17" в локусе D3S1358.

А вот так выглядит подтвержденное отцовство. Все проверенные участки ДНК пришли к ребенку от мамы и от папы (по одному от каждого).

Только вот я не понял, зачем родители сына "Ириной" назвали. Видите в конце Amelogenin у Ирины X,Y - это мальчик.

Вот вроде и изложил принцип технологии.

В будущих постах планирую написать про более продвинутый метод генотипирования (благодаря которому Анджелина Джоли спасла себе жизнь, но лишилась груди).