Биография и научная работа

      Комментарии к записи Биография и научная работа отключены

Майкл Смит родился в английском городе Блэкпуле 26 апреля 1932 года. В 1950 году поступил в Университет Манчестера, там же в 1956 году сделал диссертацию. После защиты диссертации Смит отправился в Университет Британской Колумбии в Ванкувере, где и проработал всю жизнь вплоть до своей кончины в 2000 году. Смит работал в молекулярной биологии, изобрёл сайт-направленный мутагенеза, который чрезвычайно широко используется в современной биологии. В 1993 году он получил за это Нобелевскую премию по химии.

Кари Маллис, изобретатель ПЦР
М. В. Телков, кандидат биологических наук«Химия и жизнь» №8, 2006 Большинство крупных открытий в нашевремя совершают не гениальные одиночки, как в старые добрые времена, абольшие коллективы: лаборатории или даже несколько сотрудничающих (а иногда исоперничающих) междисциплинарных научных групп. Причин для этого несколько:многократно возросла сложность работ, неимоверно увеличилась стоимостьоборудования и реактивов, и позволить себе проводить исследованиясовременного уровня могут только большие и хорошо финансируемые коллективыученых. Кроме того, для успеха порой требуются совместные усилия специалистовразных дисциплин. Скажем, в исследованиях в области современной биологии илимедицины взаимодействуют биохимики, молекулярные биологи, генетики, медики,фармакологи, а часто еще и химики-синтетики, физики, математики, специалистыпо информационным технологиям, инженеры. Вэтих условиях интенсивный обмен информацией и научными кадрами междуколлективами становится обычной практикой. Безусловно, это обезличиваетнаучные идеи и открытия, делая почти бесспорной невеселую истину: «гении»теперь все чаще выходят из числа наиболее успешных администраторов (илименеджеров, если хотите), а вовсе не из тех, кто выполняет исследованиянепосредственно за лабораторным столом или предлагает оригинальные идеи.Кое-кто даже считает, что время гениальных одиночек прошло. И хотя в этомутверждении есть значительная доля правды, дело, к счастью, не всегда обстоиттак. Историяоткрытия ПЦР-амплификации ДНК – блестящий пример эпохальногоизобретения, сделанного гениальным одиночкой; причем идея осенилаизобретателя мгновенно и, как кажется, абсолютно непредсказуемо. Более того,свое авторство ему пришлось отстаивать (и удалось отстоять!) в нелегкихсражениях. Есливкратце – дело было так. Весной 1983 года, в пятницу вечером, КариМаллис, 39-летний химик-синтетик из мало кому тогда известной калифорнийскойбиотехнологической фирмы Cetus,направлялся после работы домой. По пути он размышлял о том, как повыситьточность идентификации точечных мутаций в геномной ДНК с помощью недавнопредложенного метода олигомерной рестрикции. Суть метода состояла вэнзиматическом удлинении олигонуклеотида, наплавленного на участок ДНК,прилегающий к участку мутации. Если дезоксинуклеотиды («кирпичики», изкоторых построена ДНК) добавлять в реакцию не все сразу, а по одному, тоудлинение олигонуклеотида будет происходить только тогда, когда добавляемыйдезоксинуклеотид комплементарен участку мутации. Анализируя результатыреакции, можно было выявлять наличие конкретной мутации в данном гене.(Замены одного нуклеотида на другой в молекулах ДНК происходят часто и иногдаприводят к тяжелым последствиям, поскольку они могут нарушать структуру генаили регуляцию его активности. Такие мутации для многих важных геновкартируют – устанавливают их точное расположение, – а затем изучаютих генетические и биохимические последствия.) Методнеплохо работал на относительно короткой ДНК, когда исследуемый ген был ужевыделен, то есть когда его доля в общей массе ДНК была сравнительно высокой.Однако при исследовании огромной по длине геномной ДНК чувствительностьметода была явно недостаточной, ибо концентрация данного гена оставаласькрайне низкой. Маллисразмышлял о том, как повысить чувствительность и специфичность этой реакции.Как он сам писал впоследствии, для того чтобы решить проблему, ему нужно былоувеличить количество ДНК исследуемого гена. В мысленном эксперименте онувидел, что точность метода можно повысить, если в дополнительной пробиркепровести аналогичную дополняющую реакцию, то есть наращивать олигонуклеотид сдругой стороны мутации, используя еще один праймер, располагающийся накомплементарной цепи ДНК. Если данные двух этих экспериментов будутсогласовываться, то, по крайней мере, вдвое надежней можно будет судить оналичии или отсутствии мутации в исследуемом участке гена. Онкрутил эту идею и так, и этак, и вдруг его осенила светлая мысль: еслиреакцию с двумя такими праймерами-олигонуклеотидами проводить не в двух, а водной пробирке, то количество фрагмента ДНК, ограниченного олигонуклеотидами,увеличится вдвое. Если реакцию повторить – вчетверо! Если ее провести20 раз (это несложно, поскольку один ее цикл занимает несколькоминут) – количество окруженного олигонуклеотидами фрагмента возрастет вмиллион раз. А если повторить реакцию 30 раз – в миллиард раз. Эврика!Это означало, что теперь фрагменты геномной ДНК, в том числе и гены, можнобудет выделять не за годы упорного и кропотливого труда, а всего за одиндень! «Этоизменило бы молекулярную биологию», – подумал тогда Маллис. Идеяпоказалась ему настолько красивой, что он остановил машину, зашел впридорожный киоск, купил ручку, бумагу и стал подсчитывать, сколько же впридуманной им реакции получается ДНК. Все сходилось – метод долженработать и продуцировать огромные количества специфической ДНК. ОдновременноМаллису стало мниться маловероятным, чтобы эта идея, теперь казавшаясяочевидной, уже не приходила в чью-либо голову. Чтобы найти ошибку в своемрассуждении, во время уик-энда Малис «исписал формулами все горизонтальныеповерхности в своем загородном доме». И, как поведал позднее в Нобелевскойлекции, все выходные промучился жесточайшими перепадами настроения отабсолютного восхищения мощью собственного интеллекта и своейудачливостью – и до полнейшего отчаяния при мысли о том, что где-то врассуждениях он не видит очевидной ошибки. А она должна была присутствовать,ибо идея очевидна, ведь все этапы реакции по отдельности уже были опробованытысячами молекулярных биологов и постепенно становились лабораторной рутиной.Кто-то наверняка уже реализовал бы эту идею! Но ни о чем подобном ему слышатьне приходилось… Впонедельник рано утром Маллис помчался на работу (что, как он сам отмечал,случалось с ним крайне редко), чтобы в библиотеке выяснить, не опубликовал ликто-нибудь статьи на эту тему. Каковы же были его удивление и восторг, когдаон понял, что ничего подобного в научной литературе еще описано не было! Ичерез несколько месяцев, а именно 16 декабря 1983 года,перепробовав со своим сотрудником и учеником Фредом Фалуной множествоэкспериментальных подходов, Кари Маллис осуществил первую успешную реакциюПЦР – полимеразную цепную реакцию амплификации ДНК (по-английски – PCR, Polymerase Chain Reaction).И она действительно произвела революцию в современной молекулярной биологии.А вскоре нашла применение в областях, весьма далеких от академической науки. Постановкареакции ПЦР-амплификации сравнительно проста. В пробирку объемом0,1–0,5 мл помещают 0,1–0,01 мкг геномной ДНК (а иногда простосодержащий ее материал: каплю мочи, слюны, крови; кусочек ткани или кости,отдельную волосяную сумку). Затем добавляют пару олигонуклеотидных праймеров –химически синтезированных кусочков ДНК длиной 20–30 нуклеотидов.Последовательность нуклеотидов в них подбирают так, чтобы они быликомплементарны участкам ДНК по краям амплифицируемого фрагмента длиной обычнов несколько сотен нуклеотидов. Своими З’-концами праймеры направлены друг кдругу, то есть внутрь амплифицируемого фрагмента ДНК. Важнейшийкомпонент реакции – термостабильная ДНК-полимераза, которая катализируетреакцию синтеза ДНК. Она использует олигонуклеотидные праймеры как затравки,а исходную молекулу ДНК – в качестве матрицы для синтеза. В реакционнуюсмесь добавляют также дезоксинуклеотиды: А, Т, G, С – кирпичики, изкоторых строятся цепи ДНК. Пробиркус такой смесью нагревают почти до точки кипения воды, чтобы благодарятепловой денатурации цепи геномной двуспиральной ДНК разошлись в стороны,освободив места для посадки синтетических олигонуклеотидных праймеров (этоначало первого цикла). Затем пробирку охлаждают до температуры, оптимальнойдля наплавления олигонуклеотидных праймеров на соответствующие им места вгеномной ДНК. Олигонуклеотидные праймеры выискивают комплементарные импоследовательности ДНК и прилипают к ним. После этого начинается синтез новойцепи ДНК. При этом ДНК-полимераза ползет по старой цепи, как по матрице, исинтезирует новую по правилу Уотсона-Крика (А соответствует Т, a G – С).При этом воспроизводится точная копия прежней, отплавившейся в результатеденатурации, нити геномной ДНК. Полимераза синтезирует новую нить всегда внаправлении 5′-3′, то есть подшивая кирпичики-дезоксинуклеотиды только кодному из концов олигонуклеотидных праймеров (а именно к 3′-концу). Такимобразом, синтез ДНК начинается только с одного конца каждого из двухпраймеров, а поскольку праймеры направлены этими концами друг к другу,получается, что ДНК-полимераза синтезирует двуспиральный фрагмент ДНК,ограниченный с каждой стороны олигонуклеотидными праймерами (окончание 1-гоцикла, рис. 1). Для прохождения реакции достаточно 1–3 минут. Затем циклнагревания и охлаждения пробирки многократно повторяют. Делают это наспециальном приборе – термоциклере, и вся последовательность событий(денатурация дуплексов ДНК – наплавление праймеров на ДНК –удлинение ДНК) повторяется. Во время каждого цикла (продолжительностью1–3 мин) количество фрагмента ДНК, ограниченного с обоих концовположением олигонуклеотидных праймеров, удваивается. А после 25–30температурных циклов этого специфического фрагмента ДНК оказывается вмиллионы раз больше, чем в начале реакции. К тому же он получаетсяпрактически абсолютно чистым. Этогоколичества ДНК уже достаточно для дальнейшего анализа амплифицированногофрагмента, например, с помощью электрофореза, или даже для определения егоструктуры путем секвенирования. РеакцияПЦР-амплификации во многие тысячи раз упростила, ускорила и удешевила процессвыделения специфического фрагмента ДНК, например, какого-то гена. Если дляклонирования участка ДНК классическими генно-инженерными методами требовалосьв среднем 0,5–2 года и огромное количество крайне трудоемкихгенно-инженерных действий высококвалифицированного персонала, то с помощьюПЦР-амплификации фрагмент (правда, лишь если известны его концевыепоследовательности) можно выделить всего за один рабочий день! В этом исостоит основная ценность метода. За прошедшие годы появилось огромноеколичество разных модификаций метода и его применений. Сейчасреакция ПЦР-амплификации – рутинный и ежедневный инструмент в каждоймолекулярно-биологической лаборатории. Применяя специфические олигонуклеотидныепраймеры (все дело именно в этом), варианты метода теперь используют нетолько в молекулярной биологии и биотехнологии, но и в медицине (например,для идентификации микроба или вируса по его ДНК, для контроля излеченияпациента от инфекционного заболевания, идентификации типа мутации в геномнойДНК при анализе наследственных заболеваний). Находит применение эта реакция ив криминалистике для идентификации личности по ДНК-содержащим жидкостям итканям (модификацию исходного метода криминалисты назвали в стиле своейпрофессии – «геномная дактилоскопия»). Используется она и дляустановления отцовства, степени родства, популяционных исследований –словом, везде, где нужно установить для той или иной цели уникальнуюпоследовательность ДНК, опираясь на минимальное количество исходногоДНК-содержащего материала: капельку крови, мочи, соскоб с ткани, отдельныйволос. Апоскольку ДНК сравнительно хорошо сохраняется, этот метод позволяетисследовать даже древние останки. Были проведены научные работы по анализуДНК неандертальца и египетских мумий, по исследованию ДНК насекомых,законсервированных в янтаре миллионы лет назад, или бактерий изглубокозалегающего древнего арктического льда (что позволяет заглянуть висторию эволюции) – но это уже другая интереснейшая тема. В середине1990-х с помощью метода ПЦР-амплификации ДНК исследовали останки царскойсемьи Романовых. Однакоогромные возможности метода ПЦР-амплификации ДНК не всем сразу сталиочевидными, и многие из тех, кому Кари Маллис изложил свою идею, отнеслись кней с прохладцей. Так было и на семинаре фирмы Cetus в августе 1984 года, когда онвпервые доложил свою идею, так было и когда он все лето этого года излагал еемногим молекулярным биологам и в фирме Cetus,и вне ее стен… Его коллеги вяло соглашались: дескать, да, должнополучиться. И все! Дело в том, что все исходные компоненты предложеннойМаллисом реакции были давно описаны и исследованы по отдельности, а вотиспользовать их совместно, для амплификации ДНК не додумался никто! Каквпоследствии сказал Маллис в своей Нобелевской лекции, единственный человек,который с энтузиазмом поддержал его идею с самого начала, был его друг –основатель фирмы Biosearch,выпускающей аппараты для автоматического синтеза олигонуклеотидов (одного изкомпонентов реакции ПЦР-амплификации): «Он знал, что это будет хорошо для егофирмы!» Кстати,термостабильную ДНК-полимеразу, необходимую для этой реакции, впервыевыделили и исследовали за несколько лет до этого советские ученыеА.С. Каледин, А.Г. Слюсаренко и С.И. Городецкий из институтаВНИИгенетика. Их статья вышла в апреле 1980 года в журнале «Биохимия».С.И. Городецкий и его сотрудники в то время занимались изучением такназываемых термофильных бактерий, обитающих в воде гейзеров и горячихисточников. Для выяснения причин необыкновенной устойчивости бактерий квысокой температуре они выделяли их ферменты. При этом и была найдена тасамая термостабильная ДНК-полимераза, которая с подачи Кари Маллиса нашлаприменение в реакции ПЦР-амплификации. Всвоих статьях Маллис ссылается на работу советских авторов по выделениютермостабильной ДНК-полимеразы. Одно время в научной беллетристике дажеобсуждали вопрос о том, не должны ли фирмы, продающие этот фермент иполучающие миллиардные прибыли, платить определенный процент тем биохимикам,кто опубликовал методику его выделения и впервые исследовал. Но фирмысослались на то, что молекулярный вес их термостабильной полимеразы несколькоотличается от описанной советскими учеными и, стало быть, фирмы якобывыделяют не тот же самый фермент, хотя и по той же методике и из того же видабактерий! Это,конечно, грубая натяжка, ведь ошибка в измерении молекулярного весасоставляет обычно не менее 15–20 %. В этот интервал точностиукладывается большое количество разных белков, в том числе, очевидно, итермостабильные полимеразы. Поэтому абсолютно точно установить молекулярныйвес фермента А.С. Каледин, А.Г. Слюсаренко и С.И. Городецкийпросто не могли, да они и не ставили перед собой такой задачи! А стало быть,и отрицать их авторство на основании неточности в измерении молекулярноговеса термостабильной полимеразы неверно с научной точки зрения. Однакоспорить с колоссальными фирмами в судах стоит огромных денег, которых,очевидно, нет, – так что богатые продолжают богатеть, а бедные –как вы и сами догадываетесь… Судьбастатьи, в которой Маллис впервые описал метод ПЦР-амплификации, тоже не былапростой. Как рассказал сам ученый, первую ее версию редакция международногонаучного журнала Science,одного из самых престижных в мире, отклонила. Отписка была стандартной:журнал публикует-де только статьи, которые имеют общенаучное значение, аметод ПЦР-амплификации технический и представляет интерес только дляспециалистов. Редакторы рекомендовали Маллису обратиться в болееспециализированный научный журнал. Щадя самолюбие авторов, так часто отвечаютредакции журналов, если не принимают научную статью по тем или иным причинам.Под тем же предлогом отклонил статью и Nature. КариМаллису, который занимался тогда полупромышленным синтезом олигонуклеотидныхпраймеров в фирме Cetus,пришлось кооперироваться с соседней лабораторией и на их тематике и объектахпродемонстрировать возможности предложенного им метода. Сделать это пришлосьценой уступки мест первого и последнего авторов в статье. (Первой обычно стоитфамилия того, кто внес наибольший экспериментальный вклад в статью, апоследней – главного идеолога и руководителя проекта. Так что отстоятьсвой приоритет в изобретении метода Малису было уже непросто…) Однако вновом виде статья стала уже вполне полновесной – в ней методПЦР-амплификации был продемонстрирован на понятном и имеющем несомненнуюпрактическую важность примере – пренатальной диагностике наследственногозаболевания. Статья была опубликована в журнале Science 20 декабря 1985 года(№230). В 1986 году аналогичная статья с участием Маллиса вышла в Nature (в №6093). Ипосле этих публикаций начался бум: международное научное сообщество сразуоценило важность открытия. Метод нашел огромное количество приложений, внаучной литературе пошел вал публикаций о его применении. Вскоре пришло ипризнание: в 1990 году Маллис был награжден престижной Preis Biochemishe Analytik –национальной немецкой премией в области аналитической биохимии, в1992 году признан ученым года штата Калифорния, в 1992 году награжденпремией имени Роберта Коха, в 1993 году – Национальной премиейЯпонии, и в том же году ему вручили Нобелевскую премию по химии. КариМаллис – очень интересный типаж. Живой и уверенный в своих силах, онвсегда стремится жить творчески, следуя своим интересам и интуитивнымпобуждениям. В детстве он мастерил и запускал самодельные ракеты, взлетавшиена 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); в юностикроме химии, которую избрал своей профессией, всерьез интересовалсяматематикой и физикой. Будучиаспирантом-биохимиком, после посещения краткого курса лекций по астрофизике,вдохновившись некой умозрительной гипотезой, первую свою научную статью КариМаллис сумел опубликовать в самом престижном научном журнале Nature. Она называласьамбициозно – «Космологические последствия обращения времени». Как едкозаметил Маллис в своей Нобелевской лекции, «то была типичная «гипотезапервокурсника», и редакции, наверное, до сих пор стыдно за эту публикацию».Но ведь сумел же он чем-то зацепить тогда умудренных рецензентов журнала,опубликоваться в котором считают за честь самые маститые мэтры! Как пошутил Маллис,это ему здорово помогло впоследствии: статья в Nature позволила его кураторам дать доброна присуждение ему PhD-степени по биохимии, несмотря на то что он не прошелкурса по молекулярной биологии. Взглянув на список его публикаций, рецензентыподумали: «Раз уж он публикуется в Nature…»(и, видимо, никто не удосужился уточнить тематику его первой публикации). Засвою научную карьеру неугомонный Кари Маллис переменил несколько тем; ужеимея научную степень по биохимии, в один из трудных моментов жизни он дажеподрабатывал официантом в ресторане, а из мозгов отловленных там же крысвыделял нейропептиды для своих исследований. Кроме того, он писал («в стол»,как мы привыкли говорить) стихи и прозу, однако позднее сам признавал:«Персонажи моих произведений были невыразительными, потому что я был слишкоммолод и не испытал тогда еще ни одной персональной трагедии и посему не умелописывать их так, чтобы другие поверили мне. Поэтому после неуспешной попыткипроявить себя на писательском поприще мне ничего не оставалось, какпродолжить работу в науке». Он был трижды женат, стал отцом троих детей,выступал с рядом эксцентричных идей вроде необходимости легализации продажилегких наркотиков, публично заявлял, что американцы на Луне не были, асоответствующий эпизод смонтирован в Голливуде, что СПИДа как единой болезнинет, а просто люди переполнены молчащими до поры вирусами. В Калифорнии ходятслухи о своеобразной манере его вождения на дорогах, о его эксцентричныхвыходках в отношении соседей… ПолучивНобелевскую премию, он оставил и производство, и науку и поселился вКалифорнии на берегу океана, где занимается виндсерфингом и (в свободноевремя) частным научным консультированием. В своем резюме по случаюНобелевской лекции Маллис заявил, что «с 1993 года он писатель». Нобелевскаялекция и автобиография Кари Маллиса, представленные в ежегоднике «Нобелевскиепремии 1993 года», – блестящий образец наблюдательной, яркой и сочной,полной лукавого юмора, чуть натуралистичной прозы. Мнепосчастливилось лично присутствовать на этой лекции Кари Маллиса. Когда ончитал ее, каждые пять минут аудитория взрывалась гомерическим хохотом, такиеедкие юмористические пассажи он отпускал по ее ходу. А на прочитанной заполчаса до этого лекции другого нобелевского лауреата, выдержанной в строгомакадемическом стиле, почти вся аудитория дремала. Яркаяличность этот Кари Маллис. Неординарно мыслящий человек. Везунчик… ИМастер!

Дополнительные материалы:

Биография Ю.Н. Рериха и его научные работы


Похожие статьи: