Что такое ПЦР, и с чем её едят⁠⁠

2020 год уже преподнес нам немало сюрпризов, и среди них пандемия COVID-19. Из всех труб кричат про анализы, тесты, и всюду можно услышать непонятную многим аббревиатуру - ПЦР. Полагаю, что большинство людей смутно себе представляет, что это такое, и надеюсь, что некоторым хотелось бы узнать. А я, как человек, имеющий к ПЦР непосредственное отношение, попробую объяснить максимально простым языком.

Итак, ПЦР - полимеразная цепная реакция. Чтобы объяснить, что там делает полимераза (и что это вообще), откуда цепь, и что вообще происходит, сначала надо вспомнить азы молекулярной биологии.

ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота. Это длинная (реально длинная! Пара метров!!) молекула, содержащаяся в почти каждой клетке всего живого на земле. В вирусах, кстати, тоже, хоть они и не имеют клеточного строения. На этой молекуле аки на дискете закодированы все белки, которые клетка способна производить, а также еще много чего, регулирующего работу клетки. Но если компы используют двоичный код, представляя информацию в виде кучи 0 и 1, то в ДНК информация закодирована последовательностью 4 букв - нуклеотидов. Эти 4 буквы - A, T, G и С - обозначают химические вещества аденин, гуанин, цитозин и тимин. Эти вещества тупо стоят длинной цепочкой, крепко сшитые химическими связями. Прикол в том, что ДНК состоит из двух таких цепочек, причем вторая является зеркальной копией первой (это называется умным термином "обратная комплементарность"). Как так вышло? Дело в том, что помимо сильных связей с соседями по цепи, нуклеотиды умеют образовывать еще и относительно слабые водородные связи, причем А и Т всегда будут иметь две связи, а G и С - три. Таким образом, напротив А в одной цепи всегда будет стоять Т в другой, и та же фигня с G и С.

Легко понять, что такие цепи, по сути, несут одну и ту же информацию. А так как двойная спираль ДНК значительно более устойчива к воздействию извне, то в ходе эволюции на заре истории Земли цепи решили подружиться и жить вместе. Тем более, что такая дружба дала им одно очень важное преимущество.

Репликация ДНК. Рано или поздно клетке надо будет поделиться, обеспечив рост организма или размножение. При этом всю эту хитро упакованную многометровую махину ДНК надо аккуратно скопипастить так, чтобы две дочерние клетки получили максимально точную копию оригинала. Вот тут-то и пригодилась двойная спираль - специальные белки в нужный момент расцепляют цепи, и на основании каждой цепи достраивается ее комплементарная копия. Отвечает за это фермент под названием полимераза. Она ползет по старой одиночной цепи ДНК и вставляет в новую цепь буквы, комплементарные старой. Видит А - вставляет Т, видит G - C, ну вы поняли. Чтобы полимераза могла сесть на одиночную цепь ДНК и начать свое дело, ей нужна затравка - это уже готовый маленький кусочек второй цепи, сидящий на первой. Его еще называют праймер. В клетках его делает специальный фермент праймаза, да и вообще там на самом деле жесть все как сложно, но об этом в другой раз.

Адская схема репликации. Все, что надо понять - была одна двойная спираль, а стали две, и помогли им в этом, помимо все прочего, праймеры и полимераза.

Так или иначе, в итоге вся ДНК в клетке удваивается, и вот теперь клетка может спокойно делиться. Прочитали до сюда? Отлично! Вот теперь можем переходить непосредственно к

ПЦР. Ученые уже десятилетия изучают свойства ДНК. Выделяют из живых организмов, синтезируют искусственно... И довольно давно заметили, что было бы круто, если бы нужного им куска ДНК было МНОГО. Потому что когда его мало, то труднее ставить эксперименты - проще запороть, загрязнить чем-то чужеродным и т.п. И тогда в далеком 1983м один любящий галлюциногены ученый Кэри Муллис решил использовать для этого то, что давно уже придумала природа - репликацию, только искусственную, в пробирке. Нобелевку по химии за это получил, кстати... За основу взяли все основное, что есть в "натуральной" репликации - собственно ДНК, полимеразу, свободные буквы-нуклеотиды, чтобы ей было что вставлять в новую цепь, и праймеры - затравку, которая покажет полимеразе, откуда ей начать свое грязное дело. Путем долгих манипуляций и экспериментов выяснилось, что оптимальнее всего смешать все это и поставить на определенный температурный режим, где каждый этап реакции будет происходить на своей заданной температуре. Этапа всего три:

1) Денатурация. При 95 градусах двойная спираль ДНК распадается на две нити (разрушаются те самые слабые водородные связи между комплементарными нуклеотидами).

2) Отжиг праймеров. При 40-60 градусах (в зависимости от ряда факторов) маленькие затравки находят комплементарный участок на одиночной цепи и садятся на него.

3) Элонгация. При 72 градусах полимераза садится на затравку и начинает достраивать новую цепь, пользуясь старой как шаблоном. Откуда именно 72 градуса - очень интересная история о пользе фундаментальной науки, как-нибудь в другой раз.

Профит! В результате такого цикла из одной двойной спирали получаются две! Как несложно догадаться, теперь надо все это повторить еще раз, чтобы из 2 сделать 4, потом 8... Ну, вы поняли - это цепная реакция! За стандартные 30 циклов количество целевого фрагмента ДНК увеличивается в безумные 2^30 раз - теоретически, конечно, на самом деле эффективность ПЦР никогда не достигает 100%. Тем не менее, этого хватает, чтобы получить рабочие концентрации ДНК, с которыми можно уже делать серьезное дело.

Аппаратная база. Бедняга Муллис и его последователи сначала использовали тупо три водяных бани с разной температурой, вручную перемещая из одной в другую ценные пробирки с реакцией. Мы на практике в универе почему-то делали так же... Но как только мир понял, что ПЦР - это офигенно, сразу появились лабораторные приборы, которые этот процесс автоматизируют. Фактически это просто нагревательный блок, способный очень точно держать температуру в течение заданного времени и быстро его менять. называется такая штука термоциклер (англ. Thermocycler). Сейчас их на рынке пруд пруди, на любой вкус и цвет, чуть ли не кофе умеют готовить. Но как нам это все помогает при анализах на вирус?

Вот такой милаха прогонит ПЦР за полчасика

Медицинское применение. Появившись, ПЦР быстро превратилась из тупо копировального аппарата для ДНК в нечто большее. Подумайте сами: для успешной ПЦР нужна исходная ДНК, чтобы было, что копировать... Причем ее может быть изначально очень мало, но цепной характер реакции позволит нам ее приумножить. Но если изначально целевой ДНК в пробе нет, то и реакция не пройдет. Эврика! Берем кровь/кал/мазок/прочее у пациента, выделяем всю ДНК, что там есть. Добавляем полимеразу и праймеры, которые сядут именно и только на определенное место в ДНК какого-то интересующего нас патогена (ДНК патогена ведь сильно отличается от нашей). Запускаем реакцию и смотрим, прошла она или нет! Если прошла - значит, пациент был заражен этим патогеном, а на нет и суда нет. Получился очень точный, быстрый и относительно дешевый метод выявления патогенов - прикиньте, раньше пока анализ на какую-нибудь бактерию высеешь на питательную среду, дождешься, чтобы оно подросло, определишь, что выросло - несколько дней пройдет. А тут готовый результат за пару часов! Осталось только подобрать такие праймеры, чтобы они садились ("отжигались") действительно только на ДНК патогена, а не на человеческую ДНК. Этот трудоемкий процесс и называется созданием тест-системы - наверняка слышали такое словосочетание в новостях! Этим занимаются, как правило, крупные компании, вкладывающие в этот процесс большие деньги и время. Но тут что хорошо - один раз подобрал такие праймеры - и все, дальше любой лаборант с минимальным опытом сможет провести сам анализ.

Дальнейшее развитие ПЦР пошло по пути ответа на вопрос "прошла реакция или нет?". Логичным ответом на него стала ПЦР в реальном времени (англ. real-time PCR), о которой я, быть может, напишу отдельный пост.

Ну что ж, надеюсь, мне удалось приподнять завесу непонятного и слегка просветить любопытных! Это мой первый пост на Пикабу, не кидайте помидоры :-)

Картинки честно стырены с вики и гугла.