Первый человеческий геном, полученный в рамках десятилетнего международного проекта, обошелся примерно в три миллиарда долларов — это стоимость всей программы, включающая многочисленные научные исследования, который приходилось проводить по ходу работы. На момент окончания проекта (черновая версия генома была опубликована в 2001 году) стоимость прочтения еще одного генома сравнимого размера оценивалась приблизительно в 100 миллионов долларов. Нетрудно подсчитать, что сейчас, 14 лет спустя, если бы закон Мура действовал в биотехе, стоимость секвенирования составила бы около 750 тысяч долларов. На самом деле по состоянию на 2015 год стоимость чтения полного человеческого генома составляет около пяти тысяч долларов, а цена генотипирования — анализа только избранных, «ключевых» участков генома — опустилась уже до сотни долларов. Даже с учетом подготовки проб и логистики оба варианта процесса занимают уже не годы, а примерно несколько недель.

Закон Мура и динамика стоимости секвенирования генома.

Изображение: genome.gov

На второй вопрос ответить проще: «взрыв» геномной революции действительно произошел, но до нас, обычных потребителей, пока не дошла его «взрывная волна». Геномные данные уже давно стали радикально доступнее ученым и фармкомпаниям, но в жизнь самих их обладателей геномные данные стали выходить только в последние несколько лет. А вот первый вопрос — как и почему это произошло, как менялась технология секвенирования и как сегодня ученые читают ДНК — требует отдельного разбора.

Для начала нужно определится с тем, что такое секвенирование. Секвенированием (от слова sequence — последовательность) называют определение порядка элементраных единиц мономеров в полимере. Причем эти полимером может быть не только ДНК или РНК, но и, например, белок или даже полисахарид. Сам термин «секвенирование» возник в тот момент, когда стало понятно, что в биологии свойства и функции полимеров не могут определяться просто их составом, как привыкли думать химики: слишком похож оказался этот состав у совершенно разных с функциональной точки зрения молекул. А если дело не в составе, значит ключевую роль играет именно последовательность мономеров — идея, которая кажется тривиальной сейчас, но в 40-е годы прошлого века была совершенно новой.

Приоритет в открытии этой ключевой для биологии концепции принадлежит британскому ученому Фредерику Сенгеру. «Папа секвенирования» родился в 1918 году в семье врача и прожил очень длинную и исключительно плодотворную научную жизнь. Единственный в мире дважды нобелевский лауреат по химии (1958 и 1980 годов) он в полной мере успел застать геномную революцию, созданную прежде всего своими же руками.

Однако объектом первого в мире секвенирования, которое в конце 40-х провел Сенгер, была вовсе не ДНК или РНК. Это был инсулин – единственный в то время пептид, доступный в более-менее чистом виде в достаточных количествах. То, какие аминокислоты входят в состав инсулина было к тому моменту известно, но ученые полагали, что пропорции этих аминокислот в инсулине приблизительны, да и не слишком важны — предполагалось, что при создании белков жизнь руководствуется «аналоговым» подходом, «насыпая» аминокислоты в разные белки на глазок.

Именно Сенгер показал, что это не так. Ему удалось найти реагент, который избирательно взаимодействует только с одной аминокислотой из всей полипептидной цепочки: той, которая находится в самом начале пептида, и у которой, из-за этого, есть уникальная химическая группа. И если для исходного полипептида такая аминокислота одна, то после частичного разрезания концевой может стать любая из аминокислот, а значит все их можно идентифицировать. Путем разбивания инсулина на мелкие фрагменты и определения концевых аминокислот Сенгеру удалось (всего-то за восемь лет кропотливой работы) собрать полный «пазл» мономеров, и определить, таким образом, точную структуру инсулина. За эту работу Сенгер спустя всего шесть лет после последней публикации получил Нобелевскую премию по химии.

Однако после успеха с инсулином никто — ни Сенгер, ни его конкуренты, даже не пытались подступиться к секвенированию ДНК. «Самая главная молекула» выглядела слишком огромной и устрашающей для того, чтобы можно было попытаться прочитать ее последовательность. Кроме того, в каждой клетке, как известно, содержится всего одна или две копии геномной ДНК, а значит получить достаточное количество одинаковых молекул (чего требует метод), довольно сложно.

Тактической целью стала другая нуклеиновая кислота, РНК. Точнее говоря, ее отдельная разновидность, транспортная РНК, которая в клетке используется в качестве адаптера, «подносящего» аминокислоты при синтезе белка. Ее длина составляет всего 70-80 нуклеотидов, а число копий на клетку достигает сотен тысяч штук. Для секвенирования РНК Сенгер применил ту же общую стратегию: мечение концевого мономера с последующим частичным разрушением молекулы на множество фрагментов. Однако тут удача ему изменила. Роберт Холли с соавторами из Корнельского университета смог опубликовать последовательность одной из тРНК дрожжей уже в 1965 году, именно Холли стал первым человеком, определившим последовательность какой-либо нуклеиновой кислоты. И хотя всего три года спустя группе Сенгера удалось секвенировать РНК почти вдвое длиннее (это была одна из тех молекул, что входят в состав рибосомы), по-настоящему отыграться за это поражение ему удалось только спустя десять лет.

Метод секвенирования ДНК, несущий сейчас имя Сенгера, был опубликован в 1977 году. На протяжении более 30 лет, вплоть до середины нулевых годов, он оставался главным способом определения последовательности любой нуклеиновой кислоты: именно этим методом (с незначительными модификациями) был прочитан геном человека. И до сих пор секвенирование по Сенгеру является самым точным методом, к которому обращаются при необходимости проверить результаты секвенирования нового поколения.

Автор: Александр Ершов