Як виміряти спорідненість?
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Що таке далеко і що таке близьке? Від хом’яка до щура далеко чи близько? А від коня до верблюда? На карті тваринного світу – чим виміряти відстань між різними видами? Мавпа і людина. Вовк і собака. Колібрі і орел. Кіт і бик. У чому міра їх спорідненості? Зоологи відповідають на це питання, скрупульозно описуючи різні ознаки живих істот. Успіхи молекулярної біології відкривають тут нові можливості. Йтиметься про дуже витончений і тонкий експеримент. І – дотепний, але про це трохи пізніше. Спадкова інформація (ознаки живих організмів, що передаються з покоління в покоління) записана в нитках ДНК, що зберігаються в ядрах клітин. То чи не можна, – вирішили американські вчені Б. Хойер, Б. Мак Карті і Е. Болтон, – порівняти самі структури ДНК?
На цю думку їх наштовхнув пристрій молекули ДНК. Згадайте: вздовж довгої нитки ДНК (дезоксирибонуклеїнової кислоти), розташовуючись в певному порядку, чергуються чотири так звані основи: аденін, тимін, гуанін, цитозин. Немов ниточка намистин чотирьох кольорів – червоного, жовтого, синього і зеленого.
Спадкова інформація та зашифрована в порядку того, як чергуються намистинки різного кольору: червоний, червоний, жовтий, зелений, синій, синій, синій … Ділянка з тисячі, а, може бути, і більше бусинок-підстав, що йдуть підряд – це і є, як вважає сучасна наука, запис одної будь-якої властивості організму: склад якогось одного білка і т. д.
Але молекула ДНК складається не з однієї, а з двох ниток, скріплених слабкими водневими зв’язками і закручених в спіраль на зразок гвинтових сходів. Причому основи в одній і іншій нитці пов’язані між собою не абияк. Аденіну, скажімо, в лівій нитці завжди відповідає тимін в правій. А гуаніну – цитозин. Червоний – жовтий. Синій; зелений.
Значить, дві будь-які нитки не можуть з’єднатися в одну молекулу. Для цього потрібно, щоб вони були дзеркальними копіями один одного. Синій, жовтий, жовтий, червоний, зелений, червоний, червоний – в іншій буде: зелений, червоний, червоний, жовтий, синій, жовтий, жовтий.
Ось тут і народилася ідея дотепного експерименту: скористатися парністю ниток в молекулі ДНК і розділити їх. А потім збирати молекулу за своїм бажанням – з самих різних ниток. І якщо взяти ДНК від тварин різних видів, то тоді їх спорідненість можна виміряти числом об’єднаних бусинок-основ.
Проводився експеримент так. Розчин зі спіралями ДНК, взятої з клітин мишей, нагрівався. Спіралі від цього розкручувалися, слабкі зв’язки в них руйнувалися і нитки виявлялися розділеними. Тоді дослідники змішували їх з речовиною, яка, охолоджуючись, переходить в желеподібний стан. У цьому желе нитки втрачали рухливість і не могли, відновлюючи водневі зв’язки, знову об’єднуватися в молекули. Нарешті, щільну масу желе дробили на окремі грудочки, насичені мишачою ДНК. Потім вчені готували другу порцію відокремлених ниток мишачої ДНК. Однак ці нитки не зашпаровувалися в желе. Їх просто розсікали на короткі частини.
Тепер починалося найцікавіше. Грудочки желе і шматочки вільної ДНК змішувалися. Невеликі розміри шматочків дозволяли їм проникати всередину желе. І всякий раз, коли вони стикалися з ділянками ниток, де намистинки-основи були розташовані в подібному порядку, вони міцно з ними зв’язувалися.
Тим часом, склад другої порції ДНК був не простим: експериментатори з самого початку включали в нього радіоактивний вуглець. І тепер, користуючись радіоактивною міткою, вони могли досить точно оцінювати, чи багато знайшлося в обох порціях ДНК східних ділянок генетичного коду. При кращих умовах приблизно 25 відсотків зруйнованої мишачої ДНК поєднувалося з нитками в желе.
Однак все це було лише підготовкою: розробкою методу, контрольним етапом дослідження. А 25 відсотків – свого роду еталоном: як багато виходить з’єднань, якщо ДНК взята від тварин одного виду.
Потім вчені стали з’єднувати нуклеїнові кислоти від тварин різних видів. Як і можна було передбачити, мишача ДНК добре комбінувалась з ДНК інших гризунів, наприклад, щурів або хом’яків.
Між ДНК мавп і коней виявилося дуже мало спорідненості. Людська і мишача ДНК продемонстрували помірний інтерес один до одної, слабкий інтерес до ДНК лосося і майже ніякого до бактеріальної.
Риби – хребетні тварини. В їх генетичному коді є деяка кількість відрізків, успадкованих ними від примітивних риб, які – одночасно – були предками наземних хребетних. Ці тварини і риби – дві еволюційні лінії, що розходяться з однієї точки. Так і пояснюється існування подібних відрізків в їх генетичних структурах. Коли фрагменти ДНК людини з’єднували з ДНК лосося, вони, мабуть, знаходили собі відповідні відрізки коду, які контролюють такі загальні властивості, як гемоглобін крові або внутрішній скелет.
Миші належать до ссавців, і у них є ще більше спільного з людиною: тепла кров, шерсть, подібна система розмноження і т. д. Звідси і більше число відповідностей між ДНК людини і мишей.
У світі приматів мавпи так близькі до людини, що подібними повинні були б бути довгі відрізки їх генетичного коду. І дійсно, ДНК людини поєднувалася з ДНК від макаки резус майже так само сильно, як і з людською. Найважливіші відмінності між людиною і мавпою, стверджують дослідники, не можуть бути виявлені за допомогою їхнього методу ДНК-відповідностей.
Автор: Г. Зеленко.