Журнал «Компьютерра» № 9 от 7 марта 2006 года

Технически трансформация E. coli производится очень легко. Достаточно смешать бактерии и вектор, добавить немного солей кальция и пропустить через смесь короткий импульс электрического тока. Некоторые бактерии при этом погибают, с другими ничего не происходит, но многие почему-то «всасывают» в себя ДНК вектора. Почему так происходит, никто не знает, тем не менее все генные инженеры пользуются этим странным свойством E. coli.

Возьмем стерильный стеклянный шпатель и вотрем трансформированные бактерии в плоские чашки, содержащие питательную среду и антибиотик ампициллин. Используемый нами вектор содержит ген устойчивости к ампициллину, кодирующий специальный фермент, который успевает разрушить молекулы антибиотика до того, как антибиотик убьет бактерию. Таким образом, на нашей питательной среде выживут только бактерии, «проглотившие» вектор, все нетрансформированные бактерии погибнут. Поставим чашки с бактериями на ночь в теплое место, пусть подрастут.

На следующее утро внимательно рассмотрим содержимое чашек. На агаровом геле видны бляшки диаметром около полумиллиметра – это колонии бактерий. Каждая колония является потомством одной единственной трансформированной бактерии, попавшей вчера в чашку, соответственно все бактерии внутри одной колонии содержат один и тот же вектор. Берем синюю лампочку (а еще лучше – ставим чашку под флуоресцентный микроскоп) и начинаем искать.

Нам придется исследовать около сотни тысяч бактериальных колоний (не волнуйтесь, это всего несколько десятисантиметровых чашек). Почти все колонии оказались неокрашенными, но вот смотрите – одна колония ярко светится зеленым светом! Нам повезло, мы нашли бактерии, трансформированные вектором с геном зеленого флуоресцентного белка. Вполне возможно, что мы обнаружим еще несколько таких колоний, некоторые из них будут светиться не зеленым, а желтым или красным светом – значит, там экспрессируются желтый или красный флуоресцентный белок, это уже не важно. Берем деревянную зубочистку и аккуратно дотрагиваемся кончиком до светящейся колонии. Теперь кидаем зубочистку в колбу с питательной средой – нам надо много бактерий, чтобы выделить из них вектор.

На следующее утро питательная среда в колбе стала мутной – это размножились попавшие туда бактерии. Все они содержат нужный нам ген, осталось только выделить из них ДНК, чтобы перенести этот ген в мышь. Как выделить ДНК из бактерий, мы уже примерно представляем – методика очень похожа на выделение РНК из коралла, только содержит меньше стадий. Прокрутим среду с бактериями на центрифуге, к осадку добавим немного щелочи и соли SDS (это основной компонент мыла и стиральных порошков), чтобы разрушить клеточные стенки бактерий. Центрифугируем, избавляемся от нерастворенных остатков бактерий, из полученного чистого раствора осаждаем ДНК путем добавления спирта и ацетата натрия и растворяем ее в воде.

Мы получили раствор, содержащий огромное количество копий вектора со вставленным в них геном зеленого флуоресцентного белка из коралла. На это ушло около недели и несколько десятков тысяч долларов, потраченных на приборы и реактивы. В принципе, за пятьсот долларов мы могли бы купить уже готовый вектор, но так было бы неинтересно. Теперь надо вырезать из вектора ген флуоресцентного белка (мы уже знаем, что это делается с помощью рестриктазы) и очистить ДНК нашего гена от ДНК вектора.

В 2000 году появились сразу две научные публикации, в которых рассказывается о создании молекулярных механизмов, полученных путем встраивания специфических нуклеотидных последовательностей в однотипные клетки Escherichia coli (E. coli – представителя кишечной флоры человека). Устройство Майкла Эловица (Michael Elowitz) и Станислауса Лейблера (Stanislaus Leibler) из Принстонского университета, состоявшее из трех взаимодействующих генов, заставляло ритмично мигать несущую его клетку E. coli – она становилась похожа на крошечную лампочку елочной гирлянды.

В начале прошлого года шестнадцать студентов разработали четыре генетические программы, обеспечивающие синхронное мигание клеток E. coli – подобный эффект иногда наблюдается у светлячков. Молодые исследователи не знали, как синтезировать нужные ДНК-последовательности, но это и не входило в их планы. Пятьдесят восемь деталей, необходимых для сборки, были изготовлены на заказ в компании по синтезу ДНК и пополнили каталог стандартных биологических элементов, поддерживаемый Массачусетским технологическим институтом. В его базе данных сегодня – больше ста сорока подобных элементов, и их число увеличивается с каждым месяцем (см. www.genoterra.ru/news/view/18/817).

Отделение двух (или больше) разных фрагментов ДНК друг от друга производится с помощью физического метода, который называется электрофорезом. Технология основана на том, что последний нуклеотид в молекуле ДНК несет на себе отрицательный заряд. Если поместить ДНК в электрическое поле, она будет двигаться от анода (–) к катоду (+). Если поместить ДНК в вязкий раствор, например в агарозный гель (собственно, это обычное желе, только без вкусовых добавок), более длинные молекулы ДНК будут двигаться к катоду медленнее – им труднее протискиваться через агарозу. Поскольку фрагменты ДНК одинаковой длины будут двигаться с одинаковой скоростью, мы в итоге получим гель, на котором ДНК распределена в виде полосок. Полоски, содержащие более длинные фрагменты, будут находиться ближе к аноду, короткие фрагменты протиснутся дальше к катоду. Для того чтобы полоски были видны, в гель добавляется специальное вещество, бромид этидия – он связывается с ДНК и светится под ультрафиолетом. Не забудьте надеть перчатки – бромид этидия является канцерогеном (впрочем, не слишком сильным, когда-то его использовали в качестве глистогонного средства).

После того как мы вырезали ген флуоресцентного белка из вектора и провели электрофорез полученной смеси, мы увидим на геле две полоски ДНК. Наш ген имеет длину всего около шестисот нуклеотидов, он гораздо короче, чем оставшийся вектор. Вырезаем нужную нам полоску геля и выделяем из нее ДНК.

Теперь, когда у нас в руках находится лишенный примесей ген, от работы с мышью нас отделяет всего один шаг – к этому гену надо присоединить промотор, с которого клетки мыши смогут начинать чтение РНК. Мы используем универсальный CMV-промотор, полученный из цитомегаловируса, – такой промотор работает во всех млекопитающих. Для этого мы повторим уже знакомые нам процедуры – клонируем ген в вектор, содержащий перед полилинкером CMV-промотор, а потом вместе с промотором вырежем обратно.

Все готово, идем ловить мышь.

Процедура создания трансгенной мышки короче в описании, чем клонирование нового гена, однако времени она займет больше. Нам придется подождать по меньшей мере три недели, пока трансген родится – беременность у мышей длится двадцать один день. Кроме того, эта работа опаснее (мышь может укусить) и более кровавая – животным придется делать хирургические операции.

Дадим беременной самке эфирный наркоз и аккуратно извлечем из яйцевода одноклеточные эмбрионы (зиготы). Нам нужна самая ранняя стадия эмбрионального развития, когда сперматозоид уже слился с яйцеклеткой, но их клеточные ядра еще плавают внутри зиготы по отдельности. Помещаем зиготу под микроскоп и инъецируем раствор ДНК в одно из ядер. Нам потребуется микроинъектор – объем впрыскиваемой жидкости не превышает одного пиколитра. Иглу для микроинъекции мы сделаем сами из тонкого стеклянного капилляра. Для этого капилляр закрепляется в специальном устройстве, которое нагревает его посередине и резко дергает за концы. Вытянувшийся кончик иголки так тонок, что им можно проткнуть клеточное ядро, только придется воспользоваться микроманипулятором – наши руки не приспособлены для столь тонких операций.