Горячее
Лучшее
Свежее
Подписки
Сообщества
Блоги
Эксперты
Войти
Забыли пароль?
или продолжите с
Создать аккаунт
Регистрируясь, я даю согласие на обработку данных и условия почтовых рассылок.
или
Восстановление пароля
Восстановление пароля
Получить код в Telegram
Войти с Яндекс ID Войти через VK ID
ПромокодыРаботаКурсыРекламаИгрыПополнение Steam
Пикабу Игры +1000 бесплатных онлайн игр Онлайн-РПГ в формате коллекционной карточной игры. Собери свою уникальную колоду из фэнтезийных героев и брось вызов игрокам другим в дуэлях и масштабных битвах на арене!

Повелители стихий

Карточные, Мидкорные, Ролевые

Играть

Топ прошлой недели

  • solenakrivetka solenakrivetka 7 постов
  • Animalrescueed Animalrescueed 53 поста
  • ia.panorama ia.panorama 12 постов
Посмотреть весь топ

Лучшие посты недели

Рассылка Пикабу: отправляем самые рейтинговые материалы за 7 дней 🔥

Нажимая «Подписаться», я даю согласие на обработку данных и условия почтовых рассылок.

Спасибо, что подписались!
Пожалуйста, проверьте почту 😊

Помощь Кодекс Пикабу Команда Пикабу Моб. приложение
Правила соцсети О рекомендациях О компании
Промокоды Биг Гик Промокоды Lamoda Промокоды МВидео Промокоды Яндекс Маркет Промокоды Пятерочка Промокоды Aroma Butik Промокоды Яндекс Путешествия Промокоды Яндекс Еда Постила Футбол сегодня
0 просмотренных постов скрыто
perduric

Нужна помощь - ваши идеи⁠⁠

5 лет назад

Ребята, выручайте, не знал куда идти, пришел к вам даже зарегался тут впервые. дело такое - в универе препод задал такую задачку, мы должны предложить абсолютно новый подход в медицине с использованием генетической инженерии типа препарат, вакцина, или генная терапия, но это должно быть что-то совершенно новое. никакой научной фантастики, более-менее реалистично. у меня уже мозг как лимон, сто вариантов было, но все или тупые, или над ними уже ведется работа где-нибудь. идею нужно проработать, раскрыть методы, техники и тд, но это уже с меня, а вот с чего начать? может кому-нибудь гениальная идея приходила, или подтолкнете в каком направлении копать. это все в рамках теории, так что если в будущем решите на ней заработать, проблем не будет. просто я бы был благодарен за какую-нибудь стоящую идейку, чтобы не завалить курс

[моё] Медицина Идея Хорошая идея Генная инженерия Генная терапия Молекулярная генетика Молекулярная биология Помощь Текст
52
2209210

Ответ на пост «Как устроена вакцина Спутник-5 и как она вызывает иммунитет к COVID-19?»⁠⁠1

5 лет назад

В общем, счас очень "модная" тема коронавируса и в массы затесался тренд хайпить на этом и срубать общественную "любовь" (лайки).

Поскольку меня тошнит от всего этого, вот подкину вам немного информации для размышлений о так называемой вакцине "Спутник V".

Это не реклама ничего, основная статья по ссылке, пересказывать не буду, ибо не хочу навязывать своё мнение - выводы делайте сами.

https://www.dw.com/ru/sputnik-v-za-chto-uchenye-kritikujut-r...

"Спор о качестве исследований новой российской вакцины от COVID-19 выходит на новый уровень. В ближайшие дни в журнале The Lancet появится открытое письмо группы ученых, которые высказали сомнения в отношении методов работы и подлинности результатов, полученных российскими коллегами." (С)

или воть:

https://www.bbc.com/russian/features-54283103

Лично я отношусь к панацеям скептически. Вакцины нет, когда она будет- неизвестно: год-два, может вообще не будет. Лечения самого коронавируса - нету и не будет. В больницах вам могут только сбить температуру и подсоединить к аппарату искусственного дыхания, но если у человека сгорели лёгкие от болезни - то никакой аппарат и никакой кислород ему не помогут. Что остаётся? Всем переболеть. Но тут нужно учитывать - лечат вас люди, которые тоже могут заболеть и умереть, а без врачей вам никто не поможет. Да, коронавирус не лечится, но без врачей вы умрёте от гнояка на пальце, ибо не будет хирурга, который бы его вылечил. Больницы уже перегружены свыше нормы и не факт, что если вы заболеете - вас положат в больницу. Могут не положить. Мест не будет. Но вы не переживайте, власть имущие полечатся за границей.  По идее, коронавирус как грипп мутирует - станет менее смертельным, чтобы быстрее распространяться. Согласитесь, мертвый не передаёт вирус, поэтому последнему важно, чтобы вы жили. Ну хоть кому-то важна ваша жизнь. Но может случиться обратная ситуация и смертность повысится, после очередного пика заболеваемости. В таком случае умрут люди. Много людей. Они и сейчас умирают, просто это не ваши родственники и вам на них посрать. А они умирают. Но вы не переживайте, власть имущим это полезно, дабы не было перенаселения Земли, людей и так развелось 7,5 миллиардов (!). Так что всё идёт по плану.

Всё мрачно, не так ли? Но такова ваша жизнь. И именно это вы пытаетесь забыть, глядя на котиков в инстаграме. Но я вам напомню, сколько бы ненависти вы на меня не вылили, вы должны вспомнить, как обстоят дела в действительности, и вернутся в мир за окном.

Или продолжайте утешать себя мыслью, что стакан наполовину полон.

P. S.: не знаю, как менять теги в ответах на тему.

Показать полностью
Коронавирус Вакцина Биология Молекулярная биология Вектор Как устроено Как это сделано Принцип действия Спутник V Ответ на пост Текст
18
7104
Dr.Hannibal
Dr.Hannibal
Серия Научные исследования и популяризация науки

Как устроена вакцина Спутник-5 и как она вызывает иммунитет к COVID-19?⁠⁠1

5 лет назад

Я молекулярный биолог и достаточно давно работаю с векторами. Поэтому я решил рассказать как устроена Ad5 и Ad26 (Ad 2/6) двухкомпонентная векторная вакцина от COVID-19 (Спутник-5). Официальной информации по вакцине достаточно мало, кроме того, что она векторная и двухкомпонетная, что для большинства людей мало что проясняет. Для начала разберёмся что же такое вектор АД он же Ad он же AAV вектором является аденовирус (или адено-ассоцированный вирус, что сути не меняет). Аденовирусов в природе существует множество, практически все многоклеточные организмы от человека до простейших имеют аденовирусы которые могут заражать их клетки. У людей аденовирусы вызывают респираторные и кишечные заболевания, Вы скорее всего с ними сталкивались.


Причем тут аденовирусы?

Всё дело в том, что генетический код аденовируса изучен и его можно модифицировать, например взять код который кодирует некий белок (белок может быть любым, медузы, змеи, насекомого, полностью синтетический), главное знать его генетический код. Вставим этот код в правильное место в коде вируса, чтобы не нарушить целостность синтаксиса (программисты меня поймут). Код вируса, это генетическая программа достаточно короткая и простая (по сравнению с многоклеточными организмами или тем более человеком) и каждый белок и, соотвественно, функция вируса закодирована в генетическом коде. Теперь когда клетки заражаются таким таким генно-модифицированным аденовирусом они производят белок который мы закодировали. Мы так же не хотим, чтобы наш модифицированный аденовирус самостоятельно размножался, так как при этом он  может взывать заболевание сам по себе, а так же может мутировать с непредсказуемыми последствиями, поэтому мы благоразумно вырежем участок кода, отвественный за разможение вируса. Такой модифицированный вирус называется вектором, он заражает клетки и прозводит в этих клетках нужный нам протеин, это называется трансдукция.

(A) Сетчатка мыши трансдукция контрольным вектором. (B) Сетчатка мыши трансдукция вектором с протеином А. Протеин А (красный сигнал), контрокрашивание ядер DAPI.

Например на этой иллюстрации я собрал вектор на основе АД5 (тот же самый что и в первом компоненте Спутник-5, Вы ведь уже догадались, что цифра 5 в названии вакцины, это от сборки на АД5?) и ввёл сборку в глаза двух мышей 1 микролитр около 1x10^8 копий вектора, (А) одной мыши я ввёл пустой вектор без кода протеина А (это котрольный эсперимент), второй (B) с кодом протеина А. После 5 недель ожидания я извлёк глаза у мышей и попытался обнаружить протеин А в сетчатке с помощью флоуресцентых антител к протеину А. Ядра клеток окрашены DAPI (вещество которые при соединении с ДНК светится в ультрафиолете). Как видите, в сетчатке мыши которой ввели пуcтой вектор сигнал отсуствует и только ДНК в ядрах светится синим, в то же время, мышь которой ввели вектор с кодом протеина А демонстрирует красное свечение в множестве клеток, что указывает, что протеин А в них присуствует, такой метод исследования называется иммунофлуоресцентный анализ или МФА. Производство протеина сохраняется пока живы клетки, зачастую несколько месяцев и даже лет. Клетки вектор не убивает, так как у него остуствует функция разможения. Над разными версиями векторов работают множество лабораторий, обычно их можно приобрести готовыми к рекомбинации (сборке) с кодом нужного белка.

На этой фотография зелёный флоурецентный протен (GFP) с помощью вектора ввели в глаз мыши, а затем выполнили гистологические срезы (глаз поместили в криогель, заморозили и выполнили тончайшие срезы, пригодные для наблюдения под микроскопом). Зелёные клетки сетчатки трансдуцированы (заражены) вектором, производят GFP и светятся зелёным. Это одна из первых научных статей о доставке и трансдукции протеина в сетчатке глаза. Yang и соавторы. https://jvi.asm.org/content/76/15/7651 Слои сетчатки: GL - Ганглиозный слой, INL – внутренний нуклеарный слой, ONL - внешний нуклеарный слой, OS - Внешние сегменты фоторецепторов, RPE - Пигментный эпителий сетчатки.


Кстати код протеина GFP выделен из медузы Aequorea victoria и за это в 2008 году группе учёных совершивших это открытие была присуждена Нобелевская премимя по химии, но это совсем другая история.

Фазово-контрастная фотография здоровой культуры клеток Vero (слева) и после заражения COVID-19 (справа). Белые сгустки - погибшие клетки. Vero - культура клеток почечного эпителия африканской зелёной обезьяны. https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.03.02.972927v1

Опять же, это всё интересно, но какое это имеет отношение к вакцине от COVID-19?

Когда человек заражается COVID-19 в его клетках формируются копии COVID-19 вируса, на них реагирует имунная система и производит антитела, которые в сочетании с другими клетками имунной системы в конечном счёте уничтожают вирус и человек поправляется. Человек переболевший COVID-19 сохраняет иммунитет к повторному заражению некоторое время. Его кровь соддержит антитела и может быть использована в лечебных целях у других заболевших. Проблема в том, что производство антител достаточно медленный процесс, зачастую имунная система просто не успевает и человек погибает от COVID-19 инфекции раньше, чем производство антител набирает обороты (количество антител называется титром). Когда вы болели обычным Гриппом (Influenza) основные симптомы сохраняются около недели иногда и дольше пока имунная система распознает белки вируса и отрабатывает производство антител до достаточного для выздоровления титра. Для разных заболеваний этот процесс занимает разное время.


Помните протеин А, который я произвёл в клетках мыши и потом окрасил антителами? Как эти антитела к протеину А получили? Кролику ввели протеин А, его имунная система отреагировала на присуствие чужеродоного протеина А и затем из сыворотки крови кролика эти антитела отфильтровали, смешали с красным флоуресцентным красителем (примерно тем же как в маркерах для обводки текста) и таким образом я смог получить снимок. Собственно технически кролика вакцинировали протеином А. Есть и другие способы производства антител, но это выходит за рамки этой статьи.

Значит если человку ввести белки COVID-19, но не сам вирус COVID-19 у него появится иммунитет и он не заболеет?

Именно так! Имунная система хорошо распознает вирусные белки, следовательно если выделить белки COVID-19 и ввести человеку, то у него развётся иммунитет. Выделять чистый белок вируса в больших количествах к тому же так, чтобы его не повредить и он сохранил свои свойства для имунной реакции достаточно сложный и дорогой процесс, а вакцины нужно много. Гораздо проще ввести код протеинов COVID-19 в аденовирусный вектор и клетки человека трансдуцированные (заражённые) вектором сами произведут нужный протеин на который отреагирует имунная система. При соотвествующем оборудовании и клетках векторы копируются легко и дёшево в больших количествах. Другой важный момент, векторы производят белок в трансдуцированных клетках на протяжении всей жизни клетки, месяцы, иногда годы после трансдукции, таким образом способствуя длительному сохранению иммунитета. Авторы вакцины сообщают о стойком имунитете длительностью более года.

Теперь давайте разберёмся какой именно протеин закодирован в векторах АД5 и АД26 вакцины Спутник-5.

Взгляните на эту фотографию COVID-19, сделанную электронным микроскопом (вирус невозможно увидеть в световой микроскоп, поскольку он меньше длинны волны света). Однако электроны намного меньше вируса и позволяют получать изображения отдельных вирусов и их структуры. На фотографии (А) вы видите, что поверхность вируса COVID-19 (круглые объекты похожие на картофелины), усеяна пиками (Spike) (B, C, D) этот белок помогает вирусу COVID-19 прикрепляться к клеткам и заражать их. Многие коронавирусы имеют такие пики, собственно поэтому их именно так и назвали из-за внешнего вида на электронной фотографии. Из прошлых исследований коронавирусов, включая тяжёлый острый респираторный синдром (SARS) мы уже знаем, что эти пики вызывают наиболее активное выделение антител и собственно разработка вакцины для SARS так же была основана на основе белков пик, к сожалнию, структура белков SARS и COVID-19 немного отличается, поэтому вакцина от SARS не эффективна против COVID-19.

На английском языке всё очень хорошо и понятно о моллекулярной структуре spike protein изложено вот в этой статье, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7151553/.

(A) Сканирующая электронная фотография COVID-19. (B) Увеличенный фрагмент снимка А. (С) Увеличенная контрастность и размеры отдельной пики (spike). (D) Трехмерная модель структуры Spike protein. https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.03.02.972927v1

Вирус COVID-19 вырастили в культуре клеток, выделили вирусную РНК и считали генетический код COVID-19 с помощью РНК сиквенса. Затем в коде выделили фрагмент отвечающий за производства протеинов пик. Вписали фрагмент этого кода в аденовирусный вектор. Теперь при введении человеку вектора в его клетках будут производится фрагменты пик COVID-19. Обратите внимание только один протеин, и то не целиком, а только иммунопродуцирующий фрагмент, полноценный вирус COVID-19 при этом никак собраться не может, так как генетическому коду для его сборки просто неоткуда взяться. Поэтому заболеть COVID-19 через аденовирсный вектор невозможно. Теперь у нас есть человек, в клетках которого, производятся белок пик COVID-19, его имунная система распознаёт присуствие чужеродного белка пик и начинает производство антител без заболевания.


Почему вакцина двухкомпонентная?

АД5 более подвержен воздействию имунной системы, потому, что помимо антител к протеинам пик, так же вырабатываются антитела с самому АД5. Поэтому после первичного имунного ответа спустя 3-5 недель вводится второй компонент, тот же самый код пик COVID-19 в упаковке АД26, этот вектор меньше подвержен воздействиую имунной системы и производит большее количество протеинов пик. К тому же после взаимодействия с протеинами пик доставленных вектром АД5 уровень антител уже существует и имунный ответ будет более быстрым и стойким (многие вакцины например от Гепатита Б двух или трёхкомпонентные и так же построены на векторах). В резульате мы получили иммунитет к COVID-19. Если теперь уже настоящий COVID-19 попадёт в иммунизированный организм, к протеинам пик COVID-19 немедленно присоединятся антитела которые сформировались против синтетического протеина пик (они идентичные) имунные клетки уничтожат вирус помеченный антителами и вы никогда не поймёте, что несколько часов в вашем теле присутствовал COVID-19. Это и является иммунитетом.


Если это так просто, почему вакцина появилась только сейчас?

Просто это в теории. Требуются длительные эксперименты, чтобы собрать рабочий вектор, убедится что вектор производит нужные белки. В ответ на иньекцию вектора производятся антитела у лабораторных животных. Затем заразить лабораторных животных COVID-19 и убедится что у них развился иммунитет. Произвести исследования на предмет каких либо осложнений у животных. Затем провести эксперименты на добровольцах и убедится в безопасности сборки, всё это требует времени и ресурсов.


Насколько это безопасно?

В целом безопасно, как я уже писал выше абсолютно невозможно заболеть COVID-19 получив векторную вакцину, просто потому, что она соддержит единственный протеин пик и то, его фрагмент, полному вирусу собраться неоткуда. Заболеть аденовирусной инфекцией тоже незвозможно, так как участки кода, отвественные за копирование аденовируса в АД5 и АД26 отсуствуют. С аденовирусами ваш организм за свою жизнь сталкивался множество раз. Возможно кратковременное повышение температуры после введения вакцины, как реакцию организма на присуствие АД5 или АД26. Если вы раньше болели аденовирсной инфекцией краткое повышение температуры можно ожидать уже от АД5. Если нет, то скорее всего повышение температуры будет иметь место после иньекции АД26, так как начальная иммунизация АД5 уже произошла. Наличие крайне малого количества фрагмента протеина пик в вашем организме никакого вреда не несёт. Присуствует так же небольшой риск острой аллергической рекции к АД5 и АД26, но такой же риск существует у любой другой вакцины, употреблении любой пищи или любого препарата. Последний тип осложенений так же крайне маловероятный - риск аутоимунных реакций, он минимален в связи с тем что белки пик COVID-19 чужеродны человеческому организму (это как раз хорошо, было бы очень плохо если они походили например на белки сердечного клапана или клеток поджелуждочный железы, тогда бы заражение COVID-19 вызвало заодно и аутоимунный перекардит или панкреатит, смертность была бы намного выше, а разработка вакцины заняла бы намного большее время, а этого, как вы знаете, не произошло), поэтому риск что антитела сформировавшися против белков COVID-19 могут по ошибке атаковать здоровые человеческие ткани маловероятен.


Если COVID-19 в будущем мутирует означает ли, что вакцина перестанет от него защищать?

Да, Вы правы. Если такая мутация произойдет, то потребуется разработка новой вакцины. Собственно COVID-19 мутирует постоянно, однако эти измнения незначительны с иммунологической точки зрения. Потребуется фундаментальное изменение структуры вируса, что происходит редко и такие мутации не всегда жизнеспособны. Например потеря или значительное измение структуры протеинов пик, так же вероятно, уменьшит и способность вируса к заражению, так как пики используются для прикрепления вируса к клеткам. На сегодняшний день протеин пик идентичен для всех на известных серотипов (мутаций) COVID-19.


Насколько было оправданно внедрить векторную вакцину сразу после стадии клинических испытаний II (несколько сотен добровольцев) без полномасштабных клинических исследований стадии III (несколько тысяч)?

В США для борьбы с COVID-19 правительством был досрочно одобрен к применению у больных COVID-19 препарат chloroquine, эффективность которого в отношении COVID-19 не была достоверно доказана  и впоследствии ислледования подтвердили, его низкую эффективность, поэтому препарат был отозван и более при COVID-19 не применяется). В то же время Спутник-5 достоверно вызвает имунный ответ и устойчивость к заражению COVID-19, что было подтвержденно на стадии I и II клинических испытаний, работа над клиническими исследованиями стадии III уже проводится, но вакцина, вероятно, будет доступна населению РФ до завершения стадии III. Как биолог, в целом я считаю такое решение оправданным риском.

По своей архитектуре вакцина сравнительно безопасна, АД5 и АД26 используются в научной работе, генной терапии и во множестве других вакцин по всему миру. По сути 90% кода вакцины это давно проверенный код вектров АД5 и АД26 с включением фрагмента протеина пик по которому была проведена серьёзная научная работа. В то же время существует опасное заболевание COVID-19 которое уже унесло жизни миллионов человек по всему миру и каждый день эта цифра увеличивается. Скорейшая вакцинация населения страны и прекращение эпидемии имеет так же крайне важный социально-экономический аспект.


Стоит ли мне вакцинироваться от COVID-19 вакциной Спутник-5?

Решение получить вакцину от COVID-19 или нет остаётся за вами, я бы только хотел, чтобы это было осознанное решение, с пониманием, что это такое и какие биологические процессы произойдут в вашем организме после введения Спутник-5. Я надеюсь, что эта статья помогла вам.


Примечание 1: Я не имею отношения к научной группе участвовашей в разработке вакцины Спутник-5. Значительная часть информации основана на моём опыте работы с АД5 и АД26 векторах и основных принципах трансдукции, генной терапии, разработки вакцин, иммунологии и вирусологии. Если у вас есть дополнительная информация по Спутник-5 или коррекции по данному тексту, пожалуйста отпишитесь в комментариях.


Примечание 2: Я старался писать этот материал максимально доступным языком, но если вам что-то непонятно, дайте знать, я попробую объяснить подробнее.


Примечание 3: Статья Lui и соавторов "Viral Architecture of SARS-CoV-2 with Post-Fusion Spike Revealed by Cryo-EM" https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.03.02.972927v1 из которой представленны фазово-контрастные фотографии здоровой культуры Vero и заражённой COVID-19, а так же  электронные микрофотографии COVID-19 и Spike protein находится в стадии Preprint и ещё не прошла академическое рецензирование. В то же время я счёл фотографии достаточно наглядными и достоверными для включения их в этот материал. 

Примечание 4:  Если после прочтения материала вам все равно ничего не понятно, пожалуйста ознакомьтесь с упрощённым переводом материала от @Zerokko на Пикабушный язык #comment_177412091

"Вы взяли давно и хорошо изученный аденовирус (ОРВИ или что-то подобное), отрезали у него хер с яйцами, чтобы он не мог размножаться в организме. Потом вы отрезали причиндалы у коронавируса и пришили их к аденовирусу вместо отрезанных. Т.к. хер у аденовируса чужой, тот не то что оплодотворить никого не способен, у него вообще не стоит. И вот, подплывает этот вирус со своим вялым членом к здоровой клетке, пытается её поиметь, а нихрена не получается. Клетка орёт, ей на помощь приходят антитела, вирусу дают люлей, его хер фоткают, и теперь, когда в организм проникает Ковидка, его по причиндалам узнают и сразу дубасят. Антитела и на сам Ковид всё равно бы среагировали, но он бы успел трахнуть много клеток, родилось бы ещё больше ублюдков, и был бы тяжелый ущерб организму.".

Примечание 5:

После публикации мне не раз задавали вопрос. "А вы сами то будите вакцинироваться?" Теперь у меня есть на него ответ. Я получил вакцину Pfizer две дозы. Я бы предпочёл Спутник-5 так как она вызывает меньше побочных эффектов, но на моей территории она недоступна. Первая доза вызвала лёгкий дискомфорт в месте укола, но в целом прошла для меня незамеченной. Вторая доза вызвала повышение температуры, озноб, головную боль, тошноту около 2 дней. Уровень симптомов как при сильной простуде (без кашля или заложенности носа) если бы не выходные я бы взял больничный. Симптомы ослабли и полностью исчезли, теперь я защищён от COVID-19. И могу посещать публичные места не опасаясь тяжёлой болезни или смерти, носить маску по социальным причинам, а не из страха заражения. Насколько я знаю, Спутник-5 вызвает схожие или меньше симптомы при применении.

Показать полностью 5
[моё] Коронавирус Вакцина Биология Молекулярная биология Длиннопост Вектор Как устроено Как это сделано Принцип действия Спутник V
1981
6
wallllker
Лига биологов

Ищу учебник⁠⁠

5 лет назад

Медицинская биология и генетика клетки

Автор - Михеев В.С.

год выпуска 2008 или 2009

Ищу учебник
[моё] Ищу книгу Учебник Биология Молекулярная биология Наука
8
315
Myxomycete
Myxomycete
Лига биологов

Что такое CRISPR?⁠⁠

5 лет назад

Те из вас, кто старается следить за достижениями в области современной биологии, хотя бы раз наверняка сталкивались с упоминанием загадочной технологии CRISPR, которая вроде как революционировала поле боя молекулярных генетиков. Предполагаю, что даже многие биологи плохо себе представляют, как эта штука работает и какие возможности дает, так что решил запилить пост на эту тему. Сразу скажу, что для понимания содержания статьи потребуется как минимум знать, что такое ДНК. Если надо освежить знания – добро пожаловать в мой прошлый пост.

Итак, встречайте:

CRISPR - Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (регулярно расположенные группами короткие палиндромные повторы) – это вообще такие участки генома бактерий и архей, отвечающие за любопытную систему защиты от вирусов. Еще в далеком 2013м ученые смогли заставить эту систему работать в искусственно созданных условиях, заставляя ее резать ДНК не в бактериях, а вполне себе в эукариотических клетках. С тех пор много воды утекло, элементы этой системы подпилили до совершенства и коммерциализировали все кому не лень. Но как же оно все работает в лаборатории и помогает ученым? Давайте разбираться.


Одна из задач, которую решают современные молекулярные генетики – зачем нужен какой-то ген. Прочтение генома в наше время – довольно простой процесс, но он даст нам тупо последовательность букв, а не понимание того, какой ген за что отвечает. Классический способ узнать, зачем нужен какой-то ген – вырубить его и посмотреть, что будет. Научным языком это называется «нокаутировать» ген, а полученный организм – «нокаут» по такому-то гену. Далее можно исследовать, что же не так с несчастным животным/растением, и делать выводы о функциях вырубленного гена.

Казалось бы, нормальная мышка, но на самом деле это нокаут по гену RAG1, и у этой мышки нет иммунитета.

И вот очень классно было бы иметь способ, позволяющий просто резать ДНК в ровно нужном тебе месте, вырубая именно тот ген, который надо... В принципе, до прихода CRISPR такие методы существовали (см. TALEN, например), но, как правило, они все были довольно трудоемкими в исполнении. CRISPR же - сравнительно простая технология, применение которой легко поставить на поток. Что же конкретно происходит при ее применении? Чтобы разобраться, давайте сначала введем несколько важных терминов, без которых никак.


Сas9 – бактериальный белок, способный вносить двунитевые разрывы в молекулу ДНК (вы же помните, что там две нити, да?).


Guide RNA, или gRNA – специальная молекула РНК, которая служит как система наведения – она заставляет белок Cas9 резать там, где надо. Напомню, что РНК химически очень похожа на ДНК, но так исторически сложилось, что РНК выполняет в клетке иные функции, чем ДНК.


CRISPR RNA, или crRNA – часть gRNA, отвечающая непосредственно за наведение Cas9 на цель.


Tracer RNA, или tracrRNA – вторая часть gRNA, она отвечает за связывание с белком Cas9. В природе эта и предыдущая штуковина – две отдельные молекулы, но в лабораторных опытах, как правило, используют химерную молекулу, в которой эти половинки просто сшиты друг с другом.


Вот теперь можно переходить к практике. Допустим, ученым надо вырубить ген А в культуре клеток. Культура клеток, кстати – это такая каша из клеток, как правило, одного типа, которая просто растет в специальной емкости в лаборатории. Ученые часто с ними работают, чтобы не париться с настоящими животными и не мучить людей. Так вот, ученым известна последовательность ДНК того самого гена А в этих клетках, и они решают использовать метод CRISPR, чтобы сделать грязное дело. Для этого берется (заказывается у поставщика или синтезируется самостоятельно) молекула gRNA, причем молекула эта подбирается таким образом, чтобы ее кусок – crRNA – был комплементарен тому участку гена А, который надо разрезать. К ней подмешивается белок Cas9 – эдакие безумные ножницы, которые очень любят резать ДНК. Однако сами они резать как попало не могут – им надо показать, где резать – именно это и делает gRNA. Эту смесь из gRNA и Сas9 засовывают внутрь клеток (тут есть разные способы, это отдельная история), где она и приступает к работе. Вторая половина gRNA называется tracrRNA, и за нее белок Cas9 цепляется к gRNA. Благодаря crRNA дружная парочка gRNA+Cas9 садится на нужный участок ДНК клетки и режет обе цепи ДНК. Причем не где-нибудь, а в строго определенном месте – между шестой и седьмой буквой того участка генома, который был комплементарен crRNA. Единственное условие тут – первые три буквы этого участка должны быть NGG, где N – это вообще любая буква. Не хочу излишне пудрить вам мозги, но эти волшебные важные три буквы называются PAM site (Protospacer Adjacent Motif).

Схема работы комплекса CRISPR-Cas9. Зеленая блямба – белок Cas9 – вместе с цветастой молекулой gRNA, состоящей из crRNA и tracrRNA, сел на геномную ДНК в клетке. Красной линией отмечено, где именно Cas9 разрежет двунитевую ДНК – 3 буквы «вверх по течению» от триплета NGG.

И вот тут начинается самое интересное. Заметьте, система CRISPR просто вносит разрез, она больше ничего не умеет! Достаточно ли этого, чтобы вырубить ген в клетке? Никак нет. За миллионы лет эволюции живые системы научились беречь ценную ДНК и исправлять в ней всякого рода разрывы, химические поражения и прочие гадости. Занимается этим специальная клеточная контора под названием система репарации ДНК. Как только она замечает, что имеет место двунитевой разрыв ДНК, на место аварии сразу рекрутируются разные белковые комплексы, которые пытаются исправить ситуацию, причем каждый по-своему. Доходит до того, что они реально конкурируют друг с другом за право починить ДНК, и в итоге существует несколько вариантов развития событий.


Вариант 1. Процесс идет по пути негомологичного слияния концов – Non-Homology End Joining (NHEJ). Чертова куча белков прилетает на место разрыва, и работает прям как ваш сантехник – одни отрезают чуть-чуть оборванные концы (не всегда, правда), другие достраивают концы как надо, третьи сшивают место обрыва. Удобно, быстро – но не всегда точно!! Во время достраивания концов иногда в последовательности оказываются буквы, которых там изначально не было, причем их количество тоже может варьировать. Извини, начальник, так получилось... Ну а если все сделали как надо – наш комплекс CRISPR-Cas9 никуда не делся, и он опять порежет это место! И так до тех пор, пока рьяные белки-помощники не изменят место разрыва до такой степени, что Cas9 больше не сможет на него сесть. Ну или Cas9 самовыпилится, устав хреначить ДНК.


Вариант 2. Процесс идет по пути гомологичной репарации – Homology Directed Repair (HDR). Тут все еще сложнее: вместо того, чтобы тупо сшить два куска ДНК, попутно вставив пару сомнительных букв, эти белки решают «заглянуть в инструкцию» - в данном случае, во вторую копию этого гена в сестринской хромосоме! Вы ведь помните, что у большинства организмов (включая нас с вами) в каждой клетке содержится две (а то и больше) копии ДНК? На всякий ген есть его гомологичная «сестричка», которая более или менее на него похожа. В случае HDR путем хитрых манипуляций белки используют сестринскую копию гена, чтобы правильно восстановить место разрыва. Этот метод более надежный, чем NHEJ, и дает ученым одно важное преимущество, о котором мы поговорим чуть позже. Напомню, что если системе репарации удалось восстановить исходную последовательность порванной цепи, то ее, беднягу, опять режет Cas9, и все начинается с начала.

Схема путей репарации ДНК. Слева – путь NHEJ, быстрый и неточный. Справа – HDR, использующий гомологичную хромосому в качестве инструкции.

Итак, если мне хочется просто нокаутировать ген в моем объекте исследования, мне достаточно надеяться, что клетка после обработки CRISPR-Cas9 запустит первый вариант репарации (NHEJ), и в итоге часть клеток получит мутации, которые вырубят нужный мне ген. Профит, дело сделано. Но зачем я тогда упоминал про второй вариант репарации, спросите вы? Давайте еще раз на него посмотрим. Белки используют гомологичную копию гена, чтобы исправить повреждение. А что если...(с этого начинаются все безумные идеи ученых)...что если этим белкам под видом гомологичной копии подсунуть кусок ДНК, который мы сами создали, который содержит нужные нам изменения в гене? Тогда они вставят информацию с этого куска в геном в твердой уверенности, что сделали все как надо... Образно говоря, мы слегка подправили им инструкции. И действительно, так и происходит! Такая технология позволяет нам не просто вносить заранее непредугадываемые изменения в ДНК, но и абсолютно точно изменять нужные нам ее участки. Обратите внимание, что CRISPR в этом случае тупо ломает ДНК там где надо, чтобы тем самым вызвать «сантехников», а всю реальную работу делают уже они. С точки зрения лабораторного эксперимента все просто: в этом случае вместе с gRNA и белком Cas9 мы также вводим в клетку кусок ДНК, несущий нужный нам код – он называется донором. В идеальном варианте информация донора в неизмененом виде встроится в целевой геном, добавляя клеткам или организму нужные нам генетические особенности.


Итак, суммируем: для простого нокаута нам достаточно полить клетки/организмы смесью из gRNA и Cas9, чтобы сами клетки при попытке исправить устроенные Cas9 разрушения с помощью механизма NHEJ внесли в ДНК случайные мутации, вырубающие ген. Для точной же модификации ДНК мы также добавим в нашу взрывную смесь донорную последовательность, которую клетки благополучно используют в процессе HDR, чтобы «поправить» свою ДНК (а на деле внести в нее необходимые нам изменения).

Разумеется, такие эксперименты требуют нехилых умственных и временных затрат: надо заранее продумать последовательность gRNA, чтобы она вела Cas9 к нужному месту в геноме, а не куда-нибудь еще. Если мы идем по пути HDR, то также надо продумать последовательность донора. Кроме того, надо спланировать, как и в каком виде мы будем доставлять все это в клетки – тут есть разные варианты в зависимости от кучи факторов (тип клеток, размер вставки и т.п.). Наконец, последняя часть эксперимента самая нудная – нам надо отсортировать клетки, в которых ничего не поменялось (клетки дикого типа), от тех, где мутация произошла! Тут у ученых тоже имеется целый арсенал методов, от простых на основе ПЦР, типа GCD (Genomic Cleavage Detection), до полногеномного секвенирования на монстроподобных агрегатах.


Надеюсь, мне удалось простым языком объяснить, что же такое CRISPR, и как его применяют! В качестве бонуса фотка меня пару лет назад, когда мне удалось лично познакомиться с применением технологии CRISPR.

Эти зеленые клеточки на экране микроскопа еще вчера были синими, но потом пришел автор и с помощью протокола HDR внедрил однонуклеотидную замену в ген BFP, превратив его в GFP.

Спасибо, что прочитали! До встречи в новых постах!

Показать полностью 4
[моё] Crispr-cas9 Молекулярная биология Молекулярная генетика Биология Генная инженерия Наука Длиннопост
69
25
DELETED

Приходите к нам в молекулярку⁠⁠

5 лет назад

Раз пошла такая пляска...

У нас есть:

Приходите к нам в молекулярку

1 Пурин

2 Аденин

3 Гуанин

4 Гипоксантин

5 Ксантин

6 Теобромин

7 Кофеин

8 Мочевая кислота

9 Изогуанин

Показать полностью
Приходите к нам Молекулярная биология
16
81
Myxomycete
Myxomycete

ПЦР: эпизод II – возвращение полимеразы⁠⁠

5 лет назад

Дорогой читатель, с возвращением! В моем первом посте мы основательно разобрались с тем, что такое ПЦР, и как она работает. Узнали, что в клетках есть двойная спираль ДНК, а полимераза при делении клетки ее «копирует», достраивая вторую цепь на основе первой. Помогают ей в этом праймеры – небольшие кусочки однонитевой ДНК. В живых системах все это называется репликацией. ПЦР, по сути, это многократная репликация в пробирке – эдакий безумный ксерокс, штампующий нужный кусок ДНК в геометрической прогрессии. Этот метод взяли на вооружение врачи, чтобы находить малейшие следы ДНК патогенов в наших с вами телах (кстати, у животных тоже, разумеется). Главное – подобрать хорошую пару праймеров – и готова тест-система на какое-либо заболевание. Если реакция прошла – значит, патоген изначально присутствовал у пациента. Мы остановились на том, что осталось понять, прошла ли реакция, или нет. Как это узнать? Давайте разбираться.

В случае, если реакция прошла успешно, в нашей пробирочке окажется очень много ДНК. Если же реакция не прошла, ДНК будет на несколько порядков меньше. Как определить наличие ДНК? Ученые придумали много методов.

Один из самых простых – фотометрия. Суть метода в том, что многие вещества способны поглощать свет определенной длины волны. Например, кола в прозрачной бутылке на просвет покажется нам темно-коричневой, потому что она поглощает практически все волны видимого света. ДНК тоже поглощает свет, только в ультрафиолетовом диапазоне (около 260 нм). Чем больше ДНК – тем меньше ультрафиолета пройдет сквозь пробирку. Итак, берем пробирку после ПЦР, ставим в фотометр и меряем оптическую плотность. Современные приборы автоматически пересчитывают ее в концентрацию ДНК.

NanoDrop - один из самых популярных спектрофотометров. Для измерения хватит 2 микролитров - это меньше, чем слезка вашего хомячка

Метод очень простой, но неточный – результат зависит от множества факторов, типа загрязнения пробы. Кроме того, так мы узнаем, что ДНК есть, но не узнаем, какая именно. Это важно – ведь полимеразе, в общем-то, все равно, что реплицировать. Если мы ошиблись с праймерами, намудрили с температурным протоколом во время реакции или просто плюнули в пробирку, то на выходе получим не наш целевой фрагмент ДНК, а что-то другое, или, того хуже, смесь разных фрагментов. Такая неудачная ПЦР называется неспецифичной – адский кошмар для любого, кто работает в молекулярной лаборатории! Надо было что-то придумать, чтобы различать специфический фрагмент от мусора... Тут на помощь пришел другой аналитический метод –

Флуорометрия – тут все слегка сложнее. Есть такие вещества – флуорофоры. Они имеют любопытное свойство – если на них посветить (возбудить) светом определенной длины волны, они в ответ светятся (излучают), но другим светом. Светишь, например, на медузий белок GFP синим, а он тебе в ответ зеленым! Что еще круче, некоторые флуорофоры проявляют свои волшебные свойства только в том случае, если они связались с молекулой ДНК. Их называют умным термином «интеркалирующие красители». Классический пример, вызывающий икоту у любого молекулярщика – вещество под названием бромистый этидий (канцерогенное, кстати). Связываясь с ДНК, эта штука начинается светиться оранжевым, если на нее светить ультрафиолетом (кстати, зеленый свет тоже работает). Итак, поехали: бахаем в пробирку после ПЦР бромистого этидия, светим ультрафиолетом, и считываем ответное оранжевое свечение. Метод на несколько порядков более точный, чем фотометрия, но мы ведь так и не решили проблему с возможной неспецификой... Надо как-то отделить нужные фрагменты ДНК от ненужных. Это умеет делать другой метод в молекулярной биологии –


Электрофорез. Возможно, вы сталкивались с этим словом в медицине, когда вас нежно били током в разные места, но тут несколько другой случай. На сегодняшний день одним из самых распространенных методов в лабораториях сегодня является гелевый электрофорез, его и разберем. Рецепт прост: готовим (или покупаем готовый, если мы буржуи) из агарозы и воды холодец – реально как мамин холодец, только без мяса! Его называют просто гелем. В геле делаем луночки и заливаем в них наши образцы после ПЦР. Все это дело помещаем в специальную ванночку, в которой врубаем ток. ДНК в водном растворе имеет отрицательный заряд и под действием электрического поля начинает двигаться от минуса (катода) к плюсу (аноду). Но прикол в том, что через гель ей приходится протискиваться, причем длинным молекулам это дается сложнее, чем коротким. В итоге, если в пробе присутствуют молекулы ДНК разной длины, они сбиваются в стайки, бегущие с разной скоростью. В какой-то момент мы вырубаем ток, добавляем в гель интеркалирующий краситель (а иногда он заранее подмешан в гель), и смотрим на наше блюдо под нужной длиной волны.

Слева - форезная камера, в которой плавает гель, погруженный в буферный раствор. На геле видны лунки с образцами (их подкрашивают синим красителем)

Справа - фото геля после электрофореза. ДНК бежала сверху вниз. Первая дорожка - маркер, в остальных пробы. Светящиеся полоски - те самые стайки из фрагментов ДНК одного размера. Фото сделал я :-)

Если параллельно с пробой в одной из лунок прогнать смесь из молекул ДНК с заранее известной длиной (ее еще называют «маркер», или англ. DNA ladder), то, глядя на результат, мы сможем примерно подсчитать длину получившихся в ходе ПЦР фрагментов. А так как мы заранее знали, какой длины должен быть наш целевой фрагмент, то можем легко понять, имела ли место в данном случае неспецифическая реакция, или нет. Предвосхищая вопросы, замечу, что, если неспецифический продукт ПЦР имеет волею судеб ту же длину, что и целевой, то электрофорез, разумеется, не даст нам их различить.

Но все эти описанные выше методы требуют от нас делать что-то с пробой уже после того, как ПЦР прошла. Такой подход за это еще называют «ПЦР по конечной точке» (англ. End-point PCR). Но что если интеркалирующий краситель добавить прямо в ПЦР-смесь, и проверять, как он светится, после каждого цикла? Поздравляю, вы только что изобрели


ПЦР в реальном времени. Атлант современной молекулярной биологии, этот метод дал ученым столько разных возможностей, что на описание всех их не хватит десятков постов. Суть проста: цикл за циклом количество наработанной ДНК увеличивается геометрически. С ДНК при этом связывается флуорофор-интеркалятор. Чем больше ДНК, тем ярче светится наша пробирочка. В конце каждого цикла мы детектируем ее свечение и строим график прироста флуоресценции – он называется кривой амплификации.

Кривая амплификации в qPCR. По горизонтали - циклы ПЦР; по вертикали - интенсивность свечения. Три кривые - три независимых образца. Автор фото явно указывает, что три образца прогнали при разной температуре отжига  праймеров, и 62,2 градуса - самый лучший вариант, так как зеленая кривая начинает расти раньше, чем остальные.

Что нам это дало? Во-первых, теперь прямо в ходе реакции становится понятно, идет наша реакция, или нет. Не надо ждать конца реакции, грызя ногти от нетерпения, а потом еще ставить электрофорез на почти час. Во-вторых, если мы добавим в реакцию стандарты – пробы, где количество молекул ДНК известно заранее – мы сможем, сравнивая кривые амплификаций стандартов и нашего образца, путем нехитрых вычислений узнать, сколько копий ДНК изначально было в нашей пробе! Например, узнать вирусную нагрузку у носителя ВИЧ. Кстати, такая ПЦР будет называться количественной (англ. quantitative PCR, qPCR). Можно стандарты не добавлять, но сравнивать количество ДНК одного гена и другого – такое тоже часто бывает полезно.

В этом месте искушенный читатель заметит подвох – мы же выше выяснили, что решение с интеркалирующим красителем не избавляет нас от проблемы с детекцией неспецифики. Бромистому этидию, как вы понимаете, все равно, с чем связываться. Ведь отчасти для этого и ставят агарозный электрофорез – выявить ДНК нужного размера как светлую полоску на геле. Кроме того, используя интеркалятор, можно амплифицировать только один кусочек ДНК на пробирку – а что делать, если хочется больше? Но ученые и тут пошли еще дальше и модифицировали технологию ПЦР в реальном времени. Вместо добавления интеркалятора эти колдуны придумали детекцию прироста ДНК с помощью зондов.


Вот тут начинаются прям суровые дебри. Читатель, одумайся, еще не поздно закрыть эту вкладку и убежать смотреть посты с котиками! Волшебство в том, что теперь вместе с праймерами, специфичными к определенному участку ДНК, в реакцию вместо интеркалятора добавляется зонд – по сути тоже праймер, кусочек однонитевой ДНК, но на нем висят две молекулы разных флуорофоров – на разных концах зонда. Назовем их молекулы А и В. Зачем это все? Если мы в попытке возбудить молекулу А посветим на нашу смесь нужным светом, молекула А возбудится и начнет светить в ответ, но... Ее свет будет поглощен молекулой В, поскольку В возбуждается именно тем светом, который испускает А! Такие хитрые отношения называются «флуоресцентный резонансный перенос энергии» (англ. FRET – Fluorescence Resonance Energy Transfer). В итоге В светит в ответ совсем другим светом, нежели А, в то время как свет А вообще не регистрируется. Мы, улавливая этот свет, знаем точно, что молекулы А и В находятся рядом друг с другом, иначе FRET бы не работал. Ну и что, скажете вы? А хитрость метода в том, что полимераза при достраивании цепи ДНК как бронепоезд сносит все, что сидит у нее на пути – а наш зонд, как Анна Каренина, лежит именно там... Полимераза расщепляет зонд, и молекулы флуорофоров А и В разлетаются в разные стороны. Теперь В не мешает А светиться в свое удовольствие, а мы детектируем свет и А, и В. Чем больше света от А (его называют репортером, а В - гасителем), тем больше специфического продукта у нас получилось на данный момент – ведь зонд изначально сел на ДНК в строго определенном месте!

Схема работы зондов при qPCR.
1) Праймеры и зонд садятся на целевой участок ДНК

2) Полимераза начинает достраивать вторую цепь, при этом сталкивая зонд с первой цепи

3) Полимераза в итоге разрушает молекулу зонда

4) Полимераза достроила цепь до конца. Репортер (Reporter) радостно светится, а гаситель (Quencher) ему не может помешать.

На выходе мы имеем ту же самую кривую амплификации, только теперь она отражает прирост только целевого продукта, а не чего попало. Но и стоить такая ПЦР из-за зондов будет подороже, чем обычный вариант с интеркалирующим красителем... Зато теперь можно добавить прямо в одну пробирку праймеры и зонды для нескольких участков ДНК – например, для нескольких генов. Осталось использовать в зондах разные красители, чтобы они своим свечением не мешали друг другу – и вуаля, мы можем детектировать прирост концентрации двух и более участков ДНК одновременно! Такая ПЦР называется мультиплексной (англ. multiplex PCR). Представьте себе, теперь можно за одну реакцию найти у вас не только ВИЧ, но и гепатит, сифилис и микоплазму! Раньше для этого пришлось бы для каждой инфекции ставить отдельную реакцию – а это время и деньги. Вот счастье-то!


Хоть ПЦР в реальном времени и является продвинутой версией стандартной ПЦР, но на деле они не особо конкурируют друг с другом. В простых случаях, когда надо всего лишь наработать какой-либо фрагмент ДНК для последующей работы с ним, обычной ПЦР хватает. Такая ПЦР дешевле и проще. А вот ПЦР в реальном времени используют как самостоятельное приложение – для оценки концентрации ДНК, генотипирования, выявления уровней экспрессии генов, в медицине, и т.д. Этот метод закономерно дороже обычной ПЦР, требует специального оборудования – real-time PCR cycler. По сути, этот тот же термоциклер из прошлого поста, но теперь с лампочкой, системой светофильтров и камерой. Кроме того, к нему полагается программное обеспечение для анализа данных.

Вот такая штука нужна для проведения ПЦР в реальном времени. Стоит как однушка в Москве.

Выражаю свое глубочайшее уважение всем тем, кто выжил до этого момента! Надеюсь, моя история не обеспечит вам головную боль на остаток дня. Я рад, если вы открыли для себя что-то новое в увлекательном мире молекулярной биологии! В планах у меня пост о том, как работает технология геномного редактирования CRISPR, о которой многие наверняка слышали. До встречи!

Показать полностью 5
[моё] ПЦР Молекулярная биология Наука Электрофорез Флуоресценция Длиннопост
32
973
Myxomycete
Myxomycete

Что такое ПЦР, и с чем её едят⁠⁠

5 лет назад

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.

Показать полностью 4
[моё] ПЦР Молекулярная биология Коронавирус Наука Длиннопост
157
Посты не найдены
О нас
О Пикабу Контакты Реклама Сообщить об ошибке Сообщить о нарушении законодательства Отзывы и предложения Новости Пикабу Мобильное приложение RSS
Информация
Помощь Кодекс Пикабу Команда Пикабу Конфиденциальность Правила соцсети О рекомендациях О компании
Наши проекты
Блоги Работа Промокоды Игры Курсы
Партнёры
Промокоды Биг Гик Промокоды Lamoda Промокоды Мвидео Промокоды Яндекс Маркет Промокоды Пятерочка Промокоды Aroma Butik Промокоды Яндекс Путешествия Промокоды Яндекс Еда Постила Футбол сегодня
На информационном ресурсе Pikabu.ru применяются рекомендательные технологии