Страница сайта Телкова М.В. © 2002-

Телков М.В., PhD (Biochemistry@Molecular Biology)

Лауреат Нобелевской премии Кари Маллис: История открытия ПЦР (PCR) амплификации ДНК ("геномной дактилоскопии").

Большинство крупных открытий, сделанных в недавнее время в области естественных наук, были совершены не гениальными одиночками, как в старые добрые времена, а большими коллективами ученых: крупными лабораториями или даже усилиями нескольких сотрудничающих (а иногда и соперничающих) мультидисциплинарных научных коллективов.

Причин для этого несколько: в наше время очень повысилась сложность научных исследований, неимоверно выросла стоимость научного оборудования, реактивов; поэтому позволить себе проводить исследования современного уровня могут только большие и хорошо финансируемые научные коллективы...

Кроме того, в современных исследованиях необходимо сочетание усилий специалистов разных дисциплин; скажем, в биологических и медицинских исследованиях высокого уровня необходимо взаимодействие биохимиков, молекулярных биологов, генетиков, медиков, а часто также и химиков, физиков, специалистов по биоинформатике...

В этих условиях интенсивный обмен информацией и научными кадрами между различными коллективами становится обычной практикой. Безусловно, это очень деперсонифицирует научные идеи и открытия, делая почти неизбежной ту порой невеселую истину, что "гении" теперь "открываются миру" все чаще из породы наиболее оборотистых администраторов (или менеджеров если хотите).

Кое-кто даже считает, что время гениальных одиночек прошло.

Хотя и есть в этом значительная доля истины, дело, к счастью, не всегда обстоит так...

И вот история открытия PCR амплификации ДНК - блестящий пример поистине эпохального изобретения, сделанного гениальным одиночкой; причем идея, легшая в основу открытия, осенила изобретателя мгновенно и, как кажется, абсолютно спонтанно.

Так её изложил сам Кари Маллис.

В один из весенних дней 1983 года, Кари Маллис (Kary Mullis), 39-летний химик-синтетик небольшой калифорнийской биотехнологичекой фирмы Cetus, в пятницу вечером едучи в своём авто в свой загородный домик в горах, размышлял о том, как повысить точность метода идентификации точечных мутаций в геномной ДНК с помощью метода oligomer restriction, который он предложил и разрабатывал в то время.

Суть метода была в специфическом удлинения олигонуклеотида, гибридизованного на ДНК у места мутации, с помощью ДНК-полимеразы и смеси 4-х нуклеотидов, и последующим анализом продуктов реакции. Метод неплохо работал на относительно короткой, плазмидной ДНК, когда "удельная концентрация" исследуемого гена и выявляемой мутации была сравнительно высокой. Однако, при использовании огромной по длине геномной ДНК (когда "концентрация" уникального интересующего исследователя гена была в тысячи раз меньше) - чувствительность метода была явно недостаточной.

Маллис размышлял о том, как повысить чувствительность и специфичность данной реакции. Для этого ему нужно было "повысить концентрацию ДНК", или как он вспоминал ретроспективно: "PCR амплификация ДНК - вот то, что мне было нужно".

В своем мысленном эксперименте он предположил, что точность метода можно повысить, если во второй пробирке провести аналогичную реакцию, но использовать другой олигонуклеотид, фланкирующий мутацию с противоположной стороны - на другой цепи ДНК. И, если данные двух взаимодополняющих экспериментов будут согласовываться, то можно с более высокой степенью надежности судить о наличии или отсутствии мутации.

Он крутил эту идею и так и этак, как вдруг его осенила светлая мысль о том, что если эти две пробирки объединить (то-есть реакцию с ДВУМЯ ТАКИМИ олигонуклеотидами провести в ОДНОЙ ПРОБИРКЕ), то ее результатом будет физическое увеличение в 2 раза количества фрагмента ДНК, ограниченного олигонуклеотидами! - Eureka!

А если реакцию повторить - учетверение!

Если реакцию повторить 20 раз (что несложно, ибо 1 цикл реакции занимает от нескольких секунд до нескольких минут, в зависимости от длины амплифицируемого фрагмента) - концентрация (и количество, естесственно) фланкированного олигонуклеотидами фрагмента возрастет в миллион раз; если повторить реакцию 30 раз - в миллиард раз! - Eureka!

В этом случае фрагменты геномной ДНК (и уникальные гены) вместо лет можно будет выделять за 1 день!

"Это изменило бы правила в молекулярной биологии", - подумал тогда К.Маллис.

Самому Кари Маллису эта идея показалась настолько красивой, что он остановил машину у придорожного киоска, купил в нём ручку, бумагу и стал рассчитывать получающееся в результате придуманной им реакции количество ДНК. - Все сходилось, - метод должен был работать и продуцировать огромные количества специфической ДНК! Одновременно Маллису стало казаться маловероятным, чтобы эта теперь очевидная идея уже не приходила в чью-либо голову прежде. И он, как написал позднее в Нобелевской Лекции, все выходные промучался жесточайшими перепадами настроения от абсолютного восхищения креативностью собственного интеллекта - до полнейшей фрустрации от мысли о том, что где-то в рассуждении он не видит очевидной ошибки. А ОНА должна была присутствовать, ибо идея настолько очевидна и все ее компоненты по отдельности уже настолько опробованы тысячами молекулярных биологов (и даже успели стать лабораторной рутиной), что кто-то наверняка бы уже реализовал эту идею!

Но ничего подобного он не слышал!

И в понедельник рано утром он уже мчался на работу (что, как сам отмечает, случалось с ним крайне редко), чтоб в библиотеке выяснить, не опубликовал ли кто-нибудь статьи на эту тему.

И каково было его и удивление и восторг, когда он понял, что ничего подобного в научной литературе описано еще не было!

Он мгновенно приступил к работе и через несколько месяцев, перепробовав со своим сотрудником и учеником Фредом Фалуной множество экспериментальных подходов, 16 декабря 1983 года, используя классическую плазмиду pBR322 как матрицу ДНК, Кари Маллис осуществил первую успешную реакцию PCR (Polymerase Chain Reaction) амплификации ДНК.

ПЦР или полимеразная цепная реакция амплификации ДНК (Polymerase Chain Reaction) революционно изменила всю современную молекулярную биологию; она нашла применение и в областях, весьма далеких от академической науки.

Схема PCR


Общая схема PCR амплификации ДНК (пояснения см. ниже).

Реакция PCR амплификации во многие тысячи раз упростила, убыстрила и удешевила процесс выделения специфического фрагмента ДНК, например, какого-то гена. Если для выделения (клонирования) участка ДНК (гена) классическими генно-инженерными методами требовалось в среднем 0,5-2 года, и огромное количество крайне трудоемких генно-инженерных действий высококвалифицированного персонала, то с помощью PCR амплификации фрагмент, правда, известной ДНК можно выделить всего за 1 рабочий день! Собственно, в этом и состоит основная ценность метода PCR амплификации.

(Взглянув на это ретроспективно, уже после установления последовательности генома человека, а также тысяч других организмов, - можно сказать, что теперь можно выделить практически любой интересующий ген с помощью PCR амплификации. Правда, нужно знать - какой именно ген вас интересует, а это ясно далеко не всегда).

За прошедшие годы появилось огромное количество разных модификаций этого метода и его применений.

Сейчас реакция PCR амплификации - рутинный и ежедневный инстумент в каждой молекулярно-биологической лаборатории. Она входит, как предварительный этап, в множество новых технологий, в частности, в NGS или MPS - массовое параллельное секвенирование, применяемое для определения индивидуального генетического кода. Используя специфические олигонуклеотидные праймеры (и все дело именно в этом!) варианты метода PCR амплификации ДНК теперь используют не только в молекулярной биологии и биотехнологии, но и в медицине (например, для идентификации микроба или вируса по его ДНК, контроля вылеченности пациента от инфекционного заболевания, идентификации типа мутации в геномной ДНК при анализе наследственных заболеваний и др.); находит применение эта реакция и в криминалистике для идентификации личности по ДНК-содержащим жидкостям и тканям (модификацию исходного метода криминалисты назвали в стиле своей профессии - "геномной дактилоскопией"); применяется она и для установлении отцовства, степени родства, популяционных исследований и др. То-есть везде, где нужно установить для той или иной цели уникальный код ДНК, опираясь на самое минимальное количество исходного ДНК-содержащего материала (напр. капельку крови, мочи, соскоб с ткани, отдельный волос).

А поскольку ДНК сравнительно хорошо сохраняется, этот метод позволяет исследовать даже древние останки (были проведены научные работы по анализу ДНК египетских мумий, по исследованию ДНК насекомых, законсервированных в янтаре миллионы лет назад, исследовали ДНК бактерий из глубокозалегающего древнего арктического льда - что позволяет "заглянуть" в историю эволюции - но это уже другая интереснейшая тема)...

В середине 1990-х с помощью метода PCR амплификации ДНК исследовали идентичность останков царской семьи Гольштейн-Готторп-Романовых.

Однако, широкая применимость метода PCR амплификации ДНК не всем сразу показалась очевидной, и многие, кому Кари Маллис изложил свою идею, отнеслись к ней с прохладцей. Так было и на семинаре фирмы Cetus в августе 1983 года (где К.Маллис работал тогда и был обязан периодически отчитываться о своей работе), когда он впервые доложил свою идею, так было и когда он все лето этого года излагал ее многим молекулярным биологам и в фирме Cetus и вне ее стен... Его коллеги апатично соглашались, де-мол да, должно получиться. И все!

Дело в том, что все исходные компоненты предложенной Маллисом реакции были уже давно описаны и исследованы по отдельности; а вот использовать их совместно, так и для такой цели как амплификация ДНК - не додумался никто!

Единственный человек, кто с энтузиазмом поддержал идею Маллиса с самого начала - был его друг - основатель фирмы Biosearch, выпускающей аппараты для автоматического синтеза олигонуклеотидов (одного из компонентов реакции PCR амплификации). Как не без язвительности пишет Маллис в Нобелевской Лекции: "Он знал, что это будет хорошо для его фирмы"!

Кстати, термостабильный фермент, ДНК-полимеразу, необходимую для этой реакции, выделили и исследовали за несколько лет до этого советские ученые А.С.Каледин, А.Г.Слюсаренко и С.И.Городецкий (см. Kaledin AS, Sliusarenko AG, Gorodetskii SI. Biokhimiia 1980 Apr; 45(4): 644-51 [Isolation and properties of DNA polymerase from extreme thermophylic bacteria Thermus aquaticus YT-1] [Article in Russian] / А.С.Каледин, А.Г.Слюсаренко и С.И.Городецкий "Выделение и свойства ДНК-полимеразы из термофильной бактерии Thermus aquaticus YT-1", Институт ВНИИ "Генетика", Москва/ )

С.И.Городецкий и его сотрудники в то время занимались изучением т.н. термофильных бактерий, обитающих в термальных водах гейзеров и горячих источников. И для изучения причин их необыкновенной устойчивости к высокой температуре, выделяли и изучали их ферменты. В частности, при этом была выделена та самая термостабильная ДНК-полимераза, которая с подачи Кари Маллиса нашла применение в реакции PCR амплификации.

В своих статьях Маллис ссылается на работу советских авторов по выделению термостабильной ДНК-полимеразы; одно время в научной беллетристике даже обсуждался вопрос о том, не должны ли фирмы, продающие этот фермент (и получающие миллиардные прибыли на этом), платить royalty тем российским ученым, кто опубликовал методику его выделения и подробно исследовал.

Но... фирмы сослались на то, что молекулярный вес их термостабильной полимеразы несколько отличается от описанной нашими учеными, и стало быть - западные фирмы выделяют не тот самый фермент, хотя и по той же методике и из того же вида бактерий!!!

- Это, конечно, грубый и откровенный подлог, ведь ошибка в измерении молекулярного веса составляет обычно не менее 15%-30% (и в этот интервал точности запросто "укладывается" большое количество разных белков, в том числе, очевидно, и полимеразы). Поэтому абсолютно точно установить молекулярный вес фермента в своей работе А.С.Каледин, А.Г.Слюсаренко и С.И.Городецкий просто НЕ МОГЛИ, да они просто и не ставили тогда перед собой такой задачи! А потому и отрицать их авторство на основании неточности в измерении молекулярного веса термостабильной полимеразы - абсурдно.

Однако, спорить с фирмами в судах стоит огромных денег, а их нет...

- "У сильного всегда бессильный виноват!..."

Так что богатые продолжают богатеть, а бедные - по-прежнему с голой ...

Вопрос о термостабильной полимеразе более сложный, чем тут было описано, ибо существует работа американских авторов 1976 года (!!!) о выделении и характеризации таковой... Эта работа американцев опубликована по крайней мере на 4 года раньше соответствующих работ советских ученых... Они-то и есть первооткрыватели термостабильной ДНК полимеразы. См. Alice Chien, David B. Edgar, and John M. Trela. Deoxyribonucleic Acid Polymerase from the Extreme Thermophile Thermus aquaticus. JOURNAL OF BACTERIOLOGY, Sept. 1976, p. 1550-1557. (Вот на эту публикацию и обратил моё внимание Дм. Водолажский).

Но не поделились и с ними - на тех же основаниях. - "Оскал капитализма"!

Надо сказать, что вначале ПЦР-амплификации проводили с обычной полимеразой, нетермостабильной, - она денатурировала - инактивировалась - после каждого нагревания до 80+градусов, поэтому её приходилось добавлять на каждом цикле амплификации! Автор статьи, как и все в то время, вначале и сам использовал для ПЦР нетермостабильную полимеразу, единственно тогда доступную, - и это было крайне трудоёмко! Применение термостабильной полимеразы намного упростило постановку ПЦР.

То же касается и приборов для ПЦР - они появились не сразу - вначале просто переносили штатив с пробирками из отдого водного термостата в другой с другой температурой воды. Лишь спустя годы стали массово появляться термоциклеры (программируемые термостаты) для механизации этого процесса. Занятно также просмотреть эволюцию этих приборов, от водных термостатов разного типа (иногда очень наивных и смешных) до приборов на элементах Пельтье (нагревавших и охлаждавших пробирки только своей электроникой). Надо сказать, что тульские инженеры одновременно с японцами (и значительно раньше американцев и западноевропейцев) додумались до использования элементов Пельтье в ПЦР-амплификаторах - Тульские ПЦР амплификаторы - очевидно первые в СССР - были сразу устроены на них! Автор встречал такие приборы в своих командировках по стране. А американцы первые ПЦР-амлификаторы на элементах Пельтье (в частности, фирмы Био-Рад лаборатории) изготовляли в Японии - типа как очень прецизионные инструменты! У автора статьи есть фото таких термоциклеров - и советских и Био-Радовских. А уж Био-Радовских приборов для ПЦР автор установил сотни и разных типов (IQ-4, IQ-5, Chromo-4, MiniOpticon, CFX-96), впрочем как и приборы "ДНК-технологии", RotorGene, Roche LightCycler и др.

Судьба статьи, в которой Маллис впервые описал метод PCR амплификации, тоже простой не была.

Как рассказал Кари Маллис в своей Нобелевской Лекции, самую первую версию статьи о методе PCR амплификации ДНК редакция одного из самых престижных в мире, международного научного журнала "Science", отклонила... На том основании, что их журнал публикует-де только статьи, "имеющие общенаучное значение", а метод PCR амплификации технический и "представляет интерес только для специалистов", поэтому они "рекомендуют обратиться в более специализированный научный журнал"... (- Это обычный ответ редакции журнала в случае неприятия ими научной статьи; так сказать, "щадящий самолюбие авторов"). На том же основании отклонил статью и "Nature" - другой престижнейший научный журнал! (Что свидетельствует о косности мышления рецензентов и их неспособности своевременно оценить революционность и широкую применимость данного метода).

- Кари Маллису, который занимался тогда полупромышленным синтезом олигонуклеотидных праймеров на биотехнологической фирме Cetus, пришлось вступить во взаимодействие с соседней лабораторией и на их тематике и объектах продемонстрировать возможности предложенного им метода.

За это Маллису пришлось уступить место первого автора в статье. (Первый автор обычно считается внесшим наибольший экспериментальный вклад в статью, последний автор считается главным идеологом и руководителем проeкта)...

В новом виде статья стала уже вполне "полновесной" - в ней метод PCR амплификации был продемонстрирован на понятном и имеющем несомненную практическую важность примере. Они показали возможность идентифицировать мутации ДНК у ещё не рождённого ребенка - предрасположенность к серповидноклеточной анемии. Статья была опубликована в журнале "Science" (Saiki RK, Scharf S, Faloona F, Mullis KB, Horn GT, Erlich HA, Arnheim N. Science (1985), Dec 20; 230 (4732): 1350-4; Enzymatic amplification of beta-globin genomic sequences and restriction site analysis for diagnosis of sickle cell anemia.).

Затем статья с участием Маллиса вышла в "Nature" (Saiki RK, Bugawan TL, Horn GT, Mullis KB, Erlich HA. Nature (1986), Nov 13-19; 324 (6093): 163-6; Analysis of enzymatically amplified beta-globin and HLA-DQ alpha DNA with allele-specific oligonucleotide probes).

И после этих публикаций начался бум: международное научное сообщество сразу и вполне оценило важность открытия PCR амплификации ДНК! Метод нашел огромное количество приложений: в научной литературе пошел вал публикаций с применением PCR!

А вскоре пришло и признание автора:
в 1990 году Маллис был награжден престижной Preis Biochemishe Analytik,
в 1992 году признан California Scientist of the Year,
в 1992 году награжден Robert Koch Prize,
в 1993 году - Japan Prize,
в 1993 году Маллису вручили Нобелевскую премию по химии!

Заметьте, други мои, ученые и им сочувствующие, что Качество всегда выше Количества!

При поиске научных статей Кари Маллиса в MedLine обнаруживается всего 25 публикаций. Что весьма скромно. Точнее - просто честно, без повторов научных результатов в нескольких статьях и воды. Ибо на хорошую научную публикацию ученый уровня старшего научного сотрудника (или что примерно то же - PostDoc, Researcher и их эквиваленты = рабочие лошадки науки, в основном и выдающие реальные результаты) - затрачивает ГОД своего труда. Так вот, за всю научную карьеру у Кари Маллиса 25 научных публикаций. И одна статья - с эпохальным открытием - на Нобелевскую премию! Так что не множьте пустословия, други мои, ученые старатели, - творите для Вечности, а не для отчетности и прочей суеты сует, как бы ни пинали вас администраторы от науки!

"Служенье муз не терпит суеты", - заметил А.С.Пушкин.
Kary Mullis. Фото из ежегодника 
LES PRIX NOBEL 1993 года

Кари Маллис - очень интересный тип. Живой и уверенный в своих силах, он всегда стремился жить творчески, следуя своим интересам и интуитивным побуждениям. В детстве он мастерил и запускал самодельные ракеты, взлетавшие на несколько километров (даже пилотируемые - с лягушкой на борту!), одна из таких ракет не на шутку напугала летчика пассажирского самолета(!); экспериментировал с химическими веществами (в основном взрывчатыми, конечно); в юности кроме химии, которую избрал своей профессией, всерьез интересовался математикой и физикой.

Будучи аспирантом-биохимиком, после посещения краткого курса лекций по астрофизике (!!!), вдохновившись на некую умозрительную гипотезу, самую первую свою научную статью Кари Маллис сумел опубликовать в самом престижном научном журнале Nature (!). Эта статья амбициозно называлась "Космологические последствия обращения времени," - и как сам Маллис едко пишет в своей Нобелевской Лекции: "Это была типичная "гипотеза первокурсника" и редакции журнала, наверное, до сих пор стыдно за эту публикацию"... Но ведь сумел же он чем-то зацепить тогда премудрых рецензентов из Natur'а, опубликоваться в котором считают за честь самые маститые мэтры, что они дали добро на публикацию этой его статьи!

Как пошутил Маллис в своей Нобелевской Лекции, это ему здорово помогло впоследствии. Статья в "Nature" позволила его кураторам дать "добро" на присуждение ему PhD-степени по биохимии, несмотря на то, что он не проходил курса по молекулярной биологии. Взглянув на список его публикаций, рецензенты рассудили так: "Раз уж он публикуется в "Nature""...

За свою научную карьеру неугомонный Kary Mullis переменил несколько тем; уже имея научную степень по биохимии (Ph.D.), в один из трудных моментов жизни даже подрабатывал официантом в ресторане ("а из мозгов отловленных в ресторане крыс выделял нейропептиды для своих исследований"); "в стол" писал стихи и прозу (однако, как сам пишет, "персонажи моих произведений были "плоскими", потому что я был слишком молод и в жизни не испытал тогда еще ни одной персональной трагедии и посему не умел описывать их так, чтобы другие поверили; а потому, после неуспешной попытки испытать себя на писательском поприще, мне ничего не оставалось как остаться в науке"); был трижды женат (отец троих детей); выступал с рядом эксцентричных идей вроде необходимости легализации продажи легких наркотиков, публично заявлял, что американцы на Луне не были, а соответствующий эпизод смонтирован в Голливуде, что СПИДа, как единой болезни нет, а просто люди переполнены до поры молчащими вирусами и т.п.

На праздновании вручения ему Нобелевской премии он откровенно напился... Ну - искренний же человек! :-)

Получив Нобелевскую премию, он оставил науку, поселился в Калифорнии на берегу океана, и, как пишет сам в своей Нобелевской Лекции, - "обратился к писАнию" ("have now turned to writing").

И в своем Resume, представленном в Нобелевский фонд вместе с Нобелевской Лекцией, Маллис эпатируя читателей пишет, что он "с 1993 года - писатель" (writer)...

"Нобелевская Лекция" и "Автобиография" Кари Маллиса, представленные в ежегоднике "Нобелевские премии 1993 года", - блестящий образец наблюдательной, яркой и сочной, полной лукавого юмора чуть натуралистичной прозы... (THE POLYMERASE CHAIN REACTION. Nobel lecture, December 8, 1993. by Kary Mullis.)

Мне посчастливилось лично присутствовать на этой лекции Кари Маллиса...

Когда К. Маллис докладывал ее, то через каждые 5 минут аудитория взрывалась гомерическим хохотом, такие едкие юмористические пассажи он отпускал. (А на прочитанной за полчаса до этого, выдержанной в академическом стиле лекции другого Нобелевского лауреата, - аудитория тихо спалА...).

- Яркая личность, этот Кари Маллис. Неординарно мыслящий человек. Везунчик... И Мастер!

Вид на Tawn Hall. 
Здесь вручают Нобелевские премии.
На приведенном фото - здание Tawn Hall, Stockholm, Sweden, где проходит церемония вручения Нобелевских Премий и соответствующее празднование.



Цитированная литература:

  1. THE POLYMERASE CHAIN REACTION. Nobel lecture, December 8, 1993. by Kary Mullis. LES PRIX NOBEL. The Nobel Prizes. Almqvist@Wiksell Int., Stockholm-Sweden.
  2. Нобелевская Лекция, доложенная К.Маллисом в ноябре 1993 года в Стокгольме в здании Королевской Академии Естественных наук Швеции.
  3. Saiki RK, Scharf S, Faloona F, Mullis KB, Horn GT, Erlich HA, Arnheim N. Science 1985 Dec 20;230 (4732):1350-4; Enzymatic amplification of beta-globin genomic sequences and restriction site analysis for diagnosis of sickle cell anemia.
  4. Saiki RK, Bugawan TL, Horn GT, Mullis KB, Erlich HA. Nature 1986 Nov 13-19;324 (6093):163-6; Analysis of enzymatically amplified beta-globin and HLA-DQ alpha DNA with allele-specific oligonucleotide probes.
  5. Alice Chien, David B. Edgar, and John M. Trela. Deoxyribonucleic Acid Polymerase from the Extreme Thermophile Thermus aquaticus. JOURNAL OF BACTERIOLOGY, Sept. 1976, p. 1550-1557.
  6. Kaledin AS, Sliusarenko AG, Gorodetskii SI. Biokhimiia 1980 Apr; 45(4): 644-51 [Isolation and properties of DNA polymerase from extreme thermophylic bacteria Thermus aquaticus YT-1.(IN RUSSIAN)
  7. М.В.Телков "Кари Маллис - изобретатель ПЦР". "Химия и жизнь", 2006, №8 (август), стр. 26-29.


[На главную страницу сайта] - [ГОСТЕВАЯ КНИГА] - [Email]

Published: June 20, 2002.
Last review: October 28, 2024.
  Все права защищены. Копирование содержания сайта или любой его части - возможно только с разрешения автора.
Copyright Телков М.В. © 2002 - 2009 -