16.07.2020

Что такое ПЦР, и какие заболевания можно выявить с помощью этой диагностики

Полимеразная цепная реакция (ПЦР, PCR) –​ один из самых молодых и вместе с тем точных методов лабораторной диагностики, который произвел революцию в современной молекулярной биологии.

Метод ПЦР позволяет всего за несколько часов перевести микрограммы генетического матери­ала в приемлемые для последующих исследова­ний количества вещества. Вот почему благода­ря открытию полимеразной цепной реакции был расшифрован геном человека, и даже родилась новая индустрия – биотехнология. Сегодня этот относительно простой и недорогой способ ис­пользуется ежедневно в областях, весьма дале­ких от академической науки: для диагностики за­болеваний и контроля эффективности лечения, идентификации бактерий и вирусов, установле­ния отцовства, изучения тысячелетних мумий и даже для поиска преступников. Учитывая широ­ту применения, относительную простоту выпол­нения и стопроцентную точность результатов, ПЦР можно отнести к числу фундаментальных научных технологий ХХ века.

Секрет «приумножения»

В основе этого гениального метода лежит тот факт, что каждый живой организм имеет толь­ко свою уникальную последовательность генов ДНК (или РНК, когда речь идет о некоторых вирусах). Именно это свойство является идеаль­ным маркером присутствия чужеродного ми­кроорганизма в любом организме. Если в пробе присутствуют даже следовые количества такого «стороннего» ДНК – значит, организм каким-то образом уже сталкивался с данной инфекци­ей. Однако как же обнаружить или проанализи­ровать структуру определенного отрезка ДНК, имея в распоряжении всего лишь крошечный образец, ведь, как правило, люди не оставляют после себя контейнер крови или других ДНК-содержащих материалов? В большинстве случаев для лабораторной диагностики или криминали­стической экспертизы специалисты имеют в сво­ем распоряжении минимальное количество ма­териала: единичные капли крови, спермы, слюны или частички волос. Для проведения полноцен­ного анализа и получения достоверного резуль­тата этого недостаточно.

Американский биохимик Кэри Муллис неожи­данно придумал способ, посредством которого можно увеличить крошечный образец ДНК во много миллионов раз, сделав количество мате­риала пригодным для анализа и получения абсо­лютно точных результатов. Его гениальная идея «приумножения» через десять лет принесла уче­ному Нобелевскую премию по химии.

Филигранная работа

Как известно, молекула ДНК состоит из двух ни­тей, которые обвивают друг друга в виде спира­ли. В них и содержится уникальное генетическое описание любого организма. Суть метода ПЦР (и гениальность открытия Муллиса) состоит в том, что он разъединил эти нити, а затем догадался закрепить на каждом конце по метке. Потом, вос­пользовавшись другой молекулой, которая называется ДНК-полимераза, сумел сделать копию отрезка ДНК между метками. Таким образом ко­личество генетического материала удвоилось. Проделывая такую манипуляцию снова и снова, можно получить огромное количество одинако­вых цепочек ДНК. Ведь в результате каждого такого цикла ПЦР фрагмент искомой ДНК удваива­ется, а сам цикл повторяется столько раз, сколько это необходимо. Современные приборы, исполь­зуемые для проведения ПЦР (амплификаторы), способны увеличить фрагменты ДНК от несколь­ких сотен до тысяч пар оснований в течение не­скольких часов. Фактически метод ПЦР позво­ляет ДНК копировать саму себя и увеличивать количество исследуемого материала до размеров, которые легко опознать. Применение данной ме­тодики позволило идентифицировать по выде­ленному фрагменту ДНК любой интересующий объект: вот ДНК возбудителя гриппа, это – стафи­лококка, а это – вируса герпеса.

Стоит отметить, что ранее для клонирования участка ДНК классическими генно-инженерны­ми методами требовались в среднем 0,5-2 го­да и огромное количество весьма трудоемких генноинженерных действий высококвалифицированного персонала. Теперь задача упро­стилась: для получения результата необходимо всего несколько часов. А для получения на 100% точного результата можно использовать мини­мальное количество материала: отдельный че­ловеческий волос, соскоб ткани, капельку мочи, мокроты или околоплодных вод. Благодаря тому, что ДНК сравнительно хорошо сохраняется, да­же мозг мумии или тело мамонта, пролежавшего 40 тысяч лет в вечной мерзлоте, сможет со сто­процентной точностью рассказать, чем болели доисторические жители. Вот почему метод по­лимеразной цепной реакции ДНК совершил на­стоящую революцию в современной молекуляр­ной биологии.

 

!

Метод ПЦР позволяет всего за несколько часов перевести микрограммы генетического материала в приемлемые для последующих исследований количества вещества.

 

Безграничные возможности

Сейчас диагностические исследования с помо­щью ПЦР стали рутинной работой практически каждой молекулярно-биологической лаборато­рии. Преимущества данного метода очень скоро оценили врачи, ведь с его помощью можно обна­ружить любой патогенный микроорганизм, если в пробе найдется хоть одна микрочастица бакте­рии или вируса. Причем обнаружить возбудитель любого заболевания можно задолго до того, как он размножится и вызовет болезнь. Поэтому се­годня эту методику используют не только для того, чтобы поставить диагноз, но и для контро­ля эффективности лечения. Применяют ПЦР и для определения мутаций в ДНК, если есть риск развития генетических заболеваний, или для определе­ния возможных рисков их развития. А еще, исполь­зуя уникальную последовательность ДНК при ми­нимальном количестве исходного ДНК-содержащего материала, можно установить не только отцовство, но и степень родства.

Специфичность ПЦР-анализа позволяет об­наружить даже единичные клетки патогенных микроорганизмов в тех случаях, когда другие ме­тоды бессильны, например, при большей части хронических персистирующих инфекций, воз­будители которых могут находиться в организме длительное время (все типы герпеса, токсоплаз­моз, болезнь Лайма, хронические вирусные гепатиты). Разобраться, когда начинается рецидив, вялотекущий процесс или выздоровление, мож­но только с помощью ПЦР-диагностики.

В криминалистике этот метод получил на­звание в стиле своей профессии – геномная дактилоскопия. Эксперты сыскного дела ис­пользуют его для идентификации личности по ДНК-содержащим жидкостям и тканям.

С помощью полимеразной цепной реак­ции можно проводить исследования даже мумифицированных древних останков. Уже были проделаны научные исследования ДНК неандертальцев, египетских мумий, насекомых, за­консервированных в янтаре миллионы лет назад, а также бактерий глубокозалегающего древнего арктического льда. Все это позволило ученым заглянуть в историю эволюции.

ПЦР-диагностику активно используют для мо­ниторинга состояния окружающей среды, контроля качества питьевой воды, продуктов питания, а также в фармакологии, ветеринарии.

 

В наше время крупные научные открытия совершают не гении-одиночки, как это было в старые добрые времена, а большие коллективы, которые могут состоять из нескольких междисциплинарных научных групп. Однако даже из этого правила есть исключения. Блестящая история открытия метода ПЦР-диагностики – пример эпохального изобретения, сделанного гениальным одиночкой.

Кэри Муллис родился 28 декабря 1944 года в США в семье фермера. В детстве Муллис масте­рил и запускал самодельные ракеты, эксперименти­ровал с химическими веществами. Далее была учеба в Технологическом институте штата Джорджия, где в 1966 году будущий ученый получил степень бака­лавра. Спустя шесть лет Кэри Муллис получил степень доктора по биохимии в Калифорнийском университете в Беркли.

В молодости кроме химии Муллис всерьез интересо­вался математикой и физикой.

В 1979 году поступил на работу в компанию «Сетус» в Эмервилле (Калифорния) в качестве специалиста в области ДНК. Занимался синтезом олигонуклеотидов и в результате изобрел метод полимеразной цепной реакции (ПЦР). Некоторое время ученые не воспри­нимали идею Муллиса. Однако после публикации в журналах Science (1985) и Nature (1986) метод ПЦР стал быстро распространяться в практике.

В 1993 году Муллис получил Нобелевскую премию «за вклад в развитие методов химии на основе ДНК – за изобретение метода полимеразной цепной реакции».

 

Большой минус

Сверхчувствительность ПЦР-диагностики мо­жет обернуться и другой стороной медали. Ес­ли на лабораторном инвентаре – пипетках, пробирках и прочем оборудовании – будет присутствовать даже микроскопическое коли­чество «чужеродной» ДНК, результат анализа может оказаться неправильным. Именно по­этому для ПЦР-диагностики очень важно об­ращаться только в сертифицированные лабо­ратории, где строго соблюдают необходимый технологический режим.

Что дальше?

Метод ПЦР-диагностики уже давно вышел за пределы традиционной лабораторной диагно­стики. Одно из самых перспективных направ­лений его использования – персонализирован­ная медицина. Например, на введение одного и того же препарата три пациента с одинако­вым диагнозом могут отреагировать абсолют­но по-разному: один выздоровеет, второй не отреагирует, у третьего появятся нежелатель­ные токсические эффекты. Спрогнозировать, как человек перенесет тот или иной препарат, можно с помощью ПЦР-диагностики. Такая методика прогнозирования получила назва­ние предварительное генотипирование (англ. prospective genotyping). В мире уже насчитыва­ются десятки лекарств, которые никогда не на­значаются без предварительного генетическо­го анализа.

 

 

!

Учитывая широту применения, относительную простоту выполнения и стопроцентную точность результатов, ПЦР можно отнести к числу фундаментальных научных технологий ХХ века.

 

 

Подробнее

Мнение специалиста

Подпишитесь на еженедельную рассылку наших новостей

Читают также

Случайная статья

РЗ №18|Кровь со всеми вытекающими последствиями
Невозможно сосчитать, сколько жизней спасло переливание крови. Безусловно, счет идет на миллионы! Первое удачное переливание было сделано ровно 350 лет назад. Однако становление трансфузиологии как ...
[ читать далее ]
Загрузка...
Load next
Facebook Twitter Telegram