На прочтение генома человека ученым потребовалось 13 лет и 3 миллиарда долларов. Современные же технологии позволяют любому, кто в состоянии выложить 50 000 долларов, узнать все или почти все о своем геноме. Но методики с каждым годом становятся совершеннее и дешевле, а вслед за умением читать придет умение до конца понимать наследственную информацию, заложенную в ДНК. Так что в скором будущем генетический анализ станет по-настоящему мощным оружием в руках медиков и столь же рутинной операцией, как анализ крови.
Предсказание по снипам
В 1953 году после долгих исследований Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик представили научной общественности двуспиральную модель ДНК. За это открытие в 1962 году им была присуждена Нобелевская премия в области физиологии и медицины. Они не только показали структуру ДНК, «стройматериал», из которого она состоит, но и выяснили наконец, как устроен язык, на котором природа записывает наследственную информацию. «Буквы», составляющие генетический язык, — это нуклеотидные основания. Они попарно и в определенной последовательности соединяются между собой, образуя прочные связи. Чтобы понимать «написанное», ученые во всем мире вплотную занялись тем, что в языкознании называется семантикой — наукой, изучающей значение единиц языка. Такими единицами в языке наследственности являются гены. По сути, это отдельные слова, записанные с помощью алфавита, который состоит всего из четырех букв: аденина (A), тимина (T), гуанина (Г) и цитозина (Ц). Они соединены в две цепочки длинной органической молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), которая и является текстом, содержащим все характеристики живого организма: от фенотипа до врожденных заболеваний. Причем соединены они в строгой последовательности: против нуклеотида А в антипараллельной цепи ДНК обязательно находится Т, а напротив нуклеотида Г — Ц (это называется принципом комплементарности или соответствия). Но иногда в написание слов вкрадывается ошибка — перестановка местами букв или слогов. Такая опечатка (мутация) называется снипом — от английского слова single-nucleotide polymorphism, или однонуклеотидным полиморфизмом. Эти, условно говоря, бракованные гены далеко не всегда являются зловредными — в среднем из 250−300 снипов, присутствующих в ДНК каждого организма, лишь 50-100 отвечают за те или иные наследственные заболевания. Остальные ведут себя вполне дружелюбно и опасности для жизни не представляют. Более того, именно они делают нас столь непохожими друг на друга. Например, голубой цвет глаз — это результат мутации в гене HERC2, а кудрявые волосы — мутация гена P2RY5. То есть можно сказать, что снипы, точнее их набор, — своего рода ваш индивидуальный штрихкод, к тому же передающийся из поколения в поколение. По нему можно не только судить о здоровье, но и установить принадлежность к тому или другому этносу, родство с ныне живущими или давно умершими людьми, пути миграции далеких предков. Поэтому кроме медиков достижениями генетиков пользуются историки, антропологи, географы, криминалисты.
Четыре года назад автор этих строк прочел, что есть лаборатории, в которых «по одному плевку» (анализу молекулы ДНК, взятой из слюны) определяют родословную человека. В общих чертах методика выглядит так: набор снипов указывает определенную гаплогруппу, в которую входят носители общих полиморфизмов. Митохондриальные гаплогруппы позволяют определить происхождение по материнской линии, а гаплогруппы Y-хромосомы — по отцовской (так как Y-хромосома есть только у мужчин, этот анализ можно провести только для них). Чем больше сов падений, тем ближе родство. Обычно анализ проводят по 25 маркерам: отличие в две мутации между гаплотипами является пограничным результатом, допустимым для признания родства. Сегодня генеалогическими расчетами вручную уже никто не занимается. Для этого есть специальные программы. После введения личных данных программа найдет в базе данных не только самые близкие по совпадениям гаплотипы, но и нарисует генеалогическое древо с предполагаемым общим предком и родственными линиями, идущими из прошлого в настоящее.
Естественно, возникла идея воспользоваться такой возможностью и узнать свои корни. Отправив образец слюны в лабораторию, я, еще до того как оттуда пришел ответ, получил письмо из Италии: «Добрый день, господин Максимов, меня зовут Джойелло Тоньони. Я совпадаю с вами по генетическим маркерам, может быть, мы родственники?» Увы, итальянец оказался родней настолько дальней, что восстановить цепочку, нас связывающую, можно только, углубившись на несколько тысяч лет. Но нашелся и более близкий родич — в Мюнхене. Мы с ним связаны через общего предка, протестантского священника, приехавшего в екатерининские времена из Германии в Россию. Сказать ему кроме «привет из Москвы» мне было нечего, но все равно приятно узнать, что с кем-то у тебя есть общие корни.
Чемпион по рождению
Понятно, что путь к высшим спортивным достижениям лежит через многолетние упорные тренировки. Однако чтобы стать чемпионом, одного усердия мало, нужны еще и способности. То, что физические данные часто передаются по наследству, было известно задолго до того, как люди стали изучать законы наследственности. Дети выдающихся спортсменов в 50% случаев наследуют родительские способности. В 1990-е годы и вовсе стали говорить об этнической наследственной предрасположенности к тому или другому виду. Например, в беге нет равных кенийцам и эфиопам. Британский ученый Хью Монтгомери этот феномен связал с мутациями гена АСЕ, который он назвал «геном спорта». Позднее было обнаружено еще 28 генов, которые определяют физические способности. Сегодня более или менее точно можно судить о способности человека к тем видам спорта, где нужны сила, скорость, выносливость. Например, к плаванию, лыжным гонкам, бегу, тяжелой атлетике.
Как-то сын, ярый болельщик московского «Спартака», наслушавшись моих рассказов об успехах генетиков, задал неожиданный вопрос: «Пап, может, ты зря бросил профессионально заниматься футболом и плаванием? Вдруг в твоем генетическом коде записано, что ты прирожденный чемпион?» Мне и самому стало интересно получить ответ. Обратился к кандидату медицинских наук, старшему научному сотруднику Института медико-биологических проблем РАН и Санкт-Петербургского НИИ физической культуры Ильдусу Ахметову, и он провел «слепой» анализ ДНК трех человек: бронзового призера Олимпийских игр, прыгуна в длину Игоря Тер-Ованесяна, олимпийского чемпиона 1980 года в легкоатлетической эстафете 4 × 100 м Николая Сидорова и меня. Тест показал, что ни олимпийские чемпионы, ни я не ошиблись в выборе профессии. В отличие от обоих чемпионов мои возможности оказались более чем умеренными.
ДНК своими руками
Общая длина ДНК всех 46 хромосом одной клетки — около 2 м, а общая длина всех молекул ДНК человека — 1011 км. ДНК — гигантские полимеры. Они присутствуют в любых организмах как растительного, так и животного происхождения. Чтобы увидеть эту молекулу, микроскоп не потребуется. Для опыта нужно 100 г мяса, порезанного на кусочки, соединить с 1/8 ч. л. соли и 200 мл воды и 15 с измельчать в миксере. Процедить. В мякоть добавить 2 ст. л. средства для мытья посуды и размешать. Через пять минут налить жидкость (на 1/3) в пробирку и добавить 1-2 капли свежевыжатого ананасового сока. Слегка, чтобы не поломать молекулы ДНК, встряхнуть. Долить в пробирку равный объем этилового спирта и медленно помешать стеклянной палочкой. На нее намотается бес цветная масса. Это и есть ДНК.
Опьяняющие гены
Некоторое время назад мы с постоянным партнером по шахматам, менеджером одной из китайских фирм в Москве Лин Ваном решили сыграть необычную партию, на сей раз в шашки. Роль фишек у нас исполняли рюмки. Я играл белыми, и, соответственно, в моих рюмках была водка, а у Лина — коньяк. Затеяли мы это, чтобы проверить теорию, согласно которой русские в результате какой-то мутации приобрели способность долго не пьянеть, а вот азиаты такой способностью не обладают. Наш эксперимент эту теорию опроверг: Лин держался молодцом, меня же здорово разобрало, а наутро голова просто раскалывалась. Это, конечно, ничего не означает — Лин Ван мог оказаться одним из тех 20-30% китайцев, которые обладают «русской» мутацией, а я из тех немногих русских, ею почему-то обделенных.
Вопрос, в какой степени наследственность ответственна за склонность к алкоголизму и слабую устойчивость даже к малым дозам алкоголя, ученых интересует давно. Известно несколько генов, отвечающих за удовольствие, которое человек получает от выпивки (в частности, контролирующих выработку серотонина и дофамина), и гены, определяющие способность организма вырабатывать ферменты, непосредственно участвующие в усвоении алкоголя. Этанол, или этиловый спирт, попав в организм, превращается под действием фермента алкогольдегидрогеназы в ацетальдегид, сильнейший токсин. В свою очередь он, реагируя с другим ферментом, альдегиддегидрогеназой, превращается в безобидный ацетат. У каждого человека есть набор генов, который отвечает за то, как быстро эти два фермента вырабатываются. Например, у значительной части жителей Азии первый этап — окисление этанола — происходит крайне быстро. А второй — обезвреживание — слишком медленно. В результате даже небольшая доза оборачивается сильным отравлением. По мнению кандидата биологических наук, сотрудницы лаборатории анализа генома Института общей генетики РАН Светланы Боринской, соответствующая мутация возникла в Азии около 2000 лет назад (и закрепилась, поскольку помогала организму бороться с какой-то инфекцией), а чувствительность к алкоголю — ее побочный эффект.
Обнаружив у себя эту азиатскую особенность, я отправился в одну из крупнейших наркологических клиник Москвы, где сделал генетический анализ. Его результаты меня мало удовлетворили. Оказалось, что шансов стать алкоголиком у меня 7,21% при среднем показателе для европейцев моего возраста — 16%. Уже неплохо, хотя ответа на вопрос, почему я так быстро пьянею, получить не удалось. Но это и не так актуально, когда узнаешь, что у тебя есть предрасположенность к алкогольной печеночной энцефалопатии, циррозу печени и алкогольному миокардиту.
Болезни здорового человека
Диагностировать генетическими методами многие наследственные заболевания — задача трудная прежде всего потому, что практически все они связаны с «ошибками» не в одном, а во многих генах. Уж на что мутации в гене р53 жестко связаны с раком, а есть множество примеров, когда злокачественная опухоль развивается у человека, у которого этот ген вполне нормален. Сейчас известно более 1700 мутаций, которые связаны с сердечно-сосудистыми заболеваниям, 5700 — с онкологическими, 1400 — с обменом веществ. При этом генетические тесты позволяют определить степень предрасположенности только к 50-100 заболеваниям. В ходе исследования анализируется, понятно, не весь геном (это очень дорого), а его отдельные «горячие точки», те самые снипы. Наиболее важные из них: инфаркт миокарда, сахарный диабет, многие виды рака, болезнь Альцгеймера, а также такие зависимости, как алкоголизм, никотиновая и опиоидная.
Заведующий лабораторией молекулярной генетики человека НИИ физико-химической медицины Федерального медико-биологического агентства Эдуард Генерозов, который первым в России стал делать такие анализы восемь лет назад, когда я пришел за результатом своего теста, встретил меня строгим вопросом: «А вы точно хотите его знать?» Я не понял сначала, почему возник этот вопрос. Но, увидев, как выглядит типовой бланк с расшифровкой моего анализа, а это две страницы про рак, еще три про болезни сердца, почувствовал страх. «Пугаться не надо, — успокоил ученый, — это всего лишь оценка предрасположенности к заболеваниям, а не приговор». Степень риска определяется с помощью специальной методики, учитывающей, у скольких человек из тысячи с таким, как у вас, генетическим профилем, развился недуг. Причем данные надо брать по той стране, где вы родились, поскольку у разных народов в среднем разная склонность к одинаковым заболеваниям. Иными словами, использовать статистику, собранную иностранными учеными, нецелесообразно.
Обычный человек без специалиста не может понять, что означают те или иные цифры в анализе и что следует предпринять, чтобы вероятное не стало реальным.
«Разъяснения врача-генетика необходимы, — считает автор книги «Психологическая помощь в трудных и экстремальных ситуациях», доцент кафедры социальной психологии Московского государственного социального университета Наталия Осухова. — Да и психолог здесь будет нелишним. Это избавит от эмоционального шока и позволит принять взвешенное решение относительно лечения или изменения образа жизни. Люди начинают планировать свою жизнь и хотят управлять рисками. То есть мы медленно, но верно движемся к тому, к чему давно пришли американцы».
Получив свой многостраничный анализ, я решил для сравнения заказать такой же в известной американской фирме 23andme и российской — «Мой ген». Список болезней, к которым я предрасположен в наибольшей и наименьшей степени, в обоих анализах совпал, а вот степень риска различалась существенно. Надо сказать, что это не только российская проблема, и в других странах мира она пока не решена. Оценки абсолютного риска или вероятности развития того или иного заболевания даже в крупных лабораториях различаются довольно значительно. Пока еще не выработан единый международный механизм подсчета среднепопуляционного риска. Если относительный зависит исключительно от индивидуального генотипа, то среднепопуляционный риск — от того, каким образом определена популяция. Одни компании, например, разделяют риски для мужчин и женщин, для других критерием служит возраст. Но главной причиной, обуславливающей расхождения результатов, является набор маркеров, выбираемых компанией для вычисления относительного риска. Если бы он был един для всех, то и степень риска совпадала бы. Как бы то ни было, разброс в моем случае некоторых цифр в 20-100 раз указывает на то, что пока нужна единая система подсчета рисков.
Корректура здоровья
По прогнозам ВОЗ, заболеваемость и смертность от онкологии во всем мире за период с 1999 по 2020 год увеличится в два раза: с 10 до 20 миллионов новых случаев, то есть на 1% ежегодно. Такой пессимистический прогноз не может не волновать людей, особенно если среди их близких родственников были или есть такие больные.
Известная журналистка Маша Гессен приняла решение превентивно удалить грудь. Поскольку ее мама умерла в 49 лет от той же формы рака, то она в 2004 году пошла на операцию. Сподвиг ее на такие радикальные меры результат генетического анализа, из которого следовало, что в ее гене BRCA1 (BRCA — Breast Cancer) не хватает 187-го нуклеотида, а у носительниц мутантной формы гена риск рака груди возрастает до 60-85%. Вообще, для развития рака груди наиболее опасны мутации в двух генах — BRCA1и BRCA2. В норме они должны подавлять образование опухоли, блокируя рост клеток. Если же в их структуре происходят мутации, то начинается бесконтрольный рост раковых клеток. Хотя у 15% людей, имеющих такую мутацию, есть шанс избежать этого заболевания. Это касается и любого другого вида онкологии.
«Лечить рак малоэффективно, лучше его предотвратить, — говорит президент Противоракового общества России, член-корреспондент РАМН Давид Заридзе. — Бросьте курить, и это приведет к существенному снижению риска смерти от рака легкого, который очень сложно диагностируется, лечится и снижает продолжительность жизни в среднем на 14%». Подобные рекомендации мы слышим часто, даже читаем их на пачках сигарет, но когда в расшифровке анализа написано, что есть проблемы с легкими, то избавление от курения становится вопросом жизни и смерти. Моя борьба с никотиновой зависимостью длилась год.
В этой ситуации начинаешь радоваться тому, что из всех видов рака самый вероятный для меня, согласно анализу, — рак простаты. На ранних стадиях он успешно лечится, и даже на поздних гормональная терапия позволяет продлить жизнь мужчины на долгие годы. Кстати, в целях профилактики в медицинских центрах можно сделать достаточно дешевый (450 рублей) тест на наличие онкомаркеров.
А как быть с остальными угрозами — совершенно неясно. Я решил поставить эксперимент и пошел к кардиологу и терапевту с моими генетическими анализами. Тут-то я и понял всю глубину пропасти между передним краем науки и современной российской медициной не в самом плохом, платном исполнении. Кардиолог мне посоветовал меньше курить и не нервничать, а терапевт сказал, чтобы я не забивал себе голову глупыми страхами. Поэтому, даже получив такие анализы, будьте готовы, что использовать их по прямому практическому назначению будет непросто.
Впрочем, в базе 23andme для каждого анализа есть подробная рекомендация, к какому врачу обращаться, правда, ехать к ним на прием нужно в Америку. Из российских ученых только команда под руководством кандидата биологических наук, сотрудника лаборатории пренатальной диагностики НИИАГ им. Д.О. Отта СЗО РАМН и Медико-генетического центра «Жизнь» Олега Глотова «решилась» выдать мне подробные рекомендации. «Надо обязательно вести пациента, не оставляя его один на один с такими результатами», — говорит он. Мне, например, ученые посоветовали диету, бросить курить, заняться спортом, а главное, регулярно проверять уровень простатического специфического антигена в крови и проводить наблюдение у терапевта, уролога, кардиолога и… Всего пять страниц. Выглядит солидно, и я уже частично приступил к реализации этой программы.
В связи с этим возникает вполне закономерный вопрос: может быть, делать подобные генетические анализы сразу при рождении ребенка? Своим я пока этого не сделал, решив, что в этом нет необходимости. А вот Ильдус Ахметов полагает, что в будущем жизнь любого человека должна начинаться с ДНК-анализа: «Каждому ребенку будут даны рекомендации по индивидуальной диете, физическим и умственным нагрузкам, более того, врачи смогут составить список и указать индивидуальные дозы лекарственных препаратов, подходящих конкретному человеку».
Надеюсь, что результаты прогресса науки смогут оценить наши дети или хотя бы внуки. Ну а я, чтобы не подвести генетиков, начал заниматься спортом и бросил курить. Пока это единственное, что удалось сделать из их рекомендаций для поддержания здоровья. Тем более что, согласно результатам тестирования, продолжительность жизни оказалась у меня больше средней на четыре месяца одну неделю и два дня. То есть лет до 70 есть шанс дожить. Хотя жаль, конечно, что вероятность долгожительства до 100 лет у меня меньше средней на 42%, поэтому утреннюю зарядку и овсянку отменить никак нельзя.
Иллюстрации: СЕРГЕЙ КАЛИНИН, СТУДИЯ VISUAL SCIENCE
Содержимое:
Создание модели ДНК - отличный способ больше узнать о том, каким образом эта замечательная молекула образует наши гены. Используя обычные бытовые материалы, вы сможете сделать собственную модель, в которой будут сочетаться ваши знания в области науки и умение мастерить, а в итоге вы получите отличный проект.
Шаги
1 Создание модели из бусинок и трубоочистителей
- 1
Соберите материалы и инструменты.
Вам понадобится минимум четыре 30-см трубоочистителя и различные бусинки по меньшей мере шести цветов.
- Для этого проекта больше всего подходит крупный пластиковый бисер, однако вы можете использовать любые бусины, отверстие в которых достаточно большое, чтобы сквозь него прошел трубоочиститель.
- Каждая пара трубоочистителей должна быть определенного цвета, что даст вам суммарно четыре трубоочистителя двух разных цветов.
- 2 Нарежьте трубоочистители. Возьмите два трубоочистителя одинакового цвета и разрежьте их на полоски длиной 5 см. Вы будете использовать их, чтобы нанизывать на них пары бусин Ц-Г и Т-А. Другие два трубоочистителя не разрезайте.
- 3
Нанизывайте бусины на трубоочиститель, который будет нитью двойной спирали.
Выберите бусины двух цветов, представляющие фосфатную группу и сахар, и нанизывайте их попеременно на каждый трубоочиститель.
- Удостоверьтесь, что две длинные нити, которые формируют двойную спираль, соответствуют заданному порядку расположения цветов.
- Оставьте немного места между бусинами для того, чтобы прикрепить туда остальные куски трубоочистителя.
- 4
Нанизывайте азотистые основания.
Возьмите бусинки оставшихся четырех цветов и разберите их на пары. Одна и та же пара цветов должна всегда быть вместе, чтобы соответствовать парам цитозин-гуанин и тимин-аденин.
- Разместите по одной бусине из каждой пары на концах 5-сантиметрового куска трубоочистителя. Оставьте немного места на концах, чтобы обернуть их вокруг нитей двойной спирали.
- Не важно, в каком порядке бузины размещены на трубоочистителях, главное - соблюдать правильные пары.
- 5
Соедините трубоочистители с нанизанными на них бусинами.
Возьмите 5-сантиметровые куски трубоочистителя и оберните их концы вокруг нитей длинной двойной спирали.
- Разделяйте короткие куски таким образом, чтобы они всегда прикреплялись над бусинами одного и того же цвета. Бусины другого цвета на нити двойной спирали следует пропускать.
- Порядок коротких кусков не важен, лишь вам решать то, как вы хотите организовать их на нитях двойной спирали.
- 6 Изогните двойную спираль. Прикрепив все мелкие куски трубоочистителя с бусинами, изогните концы двойных спирали против часовой стрелки, чтобы получился вид настоящей нити ДНК. Ваша модель готова!
2 Создание модели из пенопластовых шариков
- 1 Соберите материалы. Для этой версии проекта вам понадобятся небольшие шарики пенопласта, иголка с ниткой, краска и зубочистки.
- 2
Покрасьте пенопластовые шарики.
Выберите шесть разных цветов, которые будут представлять сахар, фосфатную группу и четыре азотистых основания. Это могут быть шесть любых цветов на ваш выбор.
- Вам нужно будет покрасить 16 шариков сахара,14 фосфатных групп и подобрать 4 разных цвета для каждого азотистого основания (цитозин, гуанин, тимин и аденин).
- Вы можете выбрать таким образом, чтобы один из цветов был белым, так вам не придется красить весь пенопласт. Это рациональнее всего применить к шарикам сахара, поскольку в этом случае общий объем вашей работы значительно уменьшится.
- 3
Разберите азотистые основания по парам.
Как только краска высохнет, назначьте каждому азотистому основанию цвет. Цитозин всегда связан с гуанином, а тимин - с аденином.
- Порядок расположения цветов не имеет значения, важна только правильность пары.
- Воткните зубочистку в каждую пару шариков, оставив немного места у концов зубочистки.
- 4
Сделайте двойную спираль.
Отрежьте кусок нити достаточной длины, чтобы пройти сквозь 15 пенопластовых шариков. Завяжите узел на одном конце веревки и проденьте иглу в другой.
- Выстройте пенопластовые шарики сахара и фосфатов так, чтобы они чередовались в двух рядах по 15 шариков. Шариков сахара должно быть больше, чем фосфатных.
- Убедитесь, что в обоих нитях сахар и фосфаты находились в одинаковом порядке, а если положить их рядом, то можно увидеть, что они совпадают.
- Проденьте нитку сквозь центры каждой цепочки пенопластовых шариков сахара и фосфатов. Завяжите нитку на концах, чтобы предотвратить выпадение шариков.
- 5
Прикрепите азотистые основания к двойной спирали.
Возьмите зубочистки с парами азотистых оснований и прикрепите их острыми концами к соответствующим шарикам сахара на обоих длинных нитях.
- Прикрепляйте пары пенопластовых шариков только к тем шарикам, которые представляют сахар, поскольку именно такое строение имеет реальная ДНК.
- Убедитесь, что зубочистка достаточно прочно прикреплена к нити, и что пары оснований не будут отпадать.
- 6 Изогните двойную спираль. Прикрепив все пары оснований на зубочистках, изогните двойную спираль в направлении против часовой стрелки, чтобы сымитировать внешний вид настоящей двойной спирали ДНК. Ваша модель готова!
3 Создание модели из конфет
- 1
Выберите сорт конфет.
Чтобы сделать боковые нити из сахара и групп фосфатов, используйте полые полоски черной и красной лакрицы. В качестве азотистых оснований возьмите конфеты "мармеладные мишки" четырех разных цветов.
- Какие конфеты бы вы ни использовали, они должны быть достаточно мягкими, чтобы их можно было проткнуть зубочисткой.
- Если у вас под рукой есть цветной зефир, он будет прекрасной альтернативой мармеладным мишкам.
- 2
Приготовьте остальные материалы.
Возьмите веревку и зубочистки, которые вы используете при создания модели. Веревку нужно будет нарезать на куски длиной около 30 сантиметров, но вы можете сделать их длиннее или короче - в зависимости от выбранной вами длины модели ДНК.
- Чтобы создать двойную спираль, используйте два куска веревки одинаковой длины.
- Убедитесь, что у вас есть хотя бы 10-12 зубочисток, хотя вам может понадобиться немного больше или меньше - опять же в зависимости от размера вашей модели.
- 3 Нарежьте лакрицу. Вы будете вешать лакрицу, поочередно меняя ее цвет, длина кусков должна составлять 2,5 сантиметра.
- 4
Разберите мармеладных мишек по парам.
В нити ДНК в парах расположены цитозин и гуанин (Ц и Г), а также тимин и аденин (Т и А). Выберите мармеладных мишек четырех различных цветов - они будут представлять разные азотистые основания.
- Не важно, в какой последовательности располагается пара Ц-Г или Г-Ц, главное другое - чтобы в паре были именно эти основания.
- Не делайте пары с несоответствующими цветами. Например, нельзя объединять Т-Г или А-Ц.
- Выбор цветов может быть абсолютно произвольным, он полностью зависит от личных предпочтений.
- 5
Повесьте лакрицу.
Возьмите два куска веревки и завяжите каждую в нижней части, чтобы предотвратить соскальзывание лакрицы. Затем нанизывайте на веревку сквозь центральные пустоты кусочки лакрицы чередующихся цветов.
- Два цвета лакрицы символизируют сахар и фосфат, которые образуют нити двойной спирали.
- Выберите один цвет, который будет сахаром, ваши мармеладные мишки будут прикрепляться к лакрице именно этого цвета.
- Убедитесь, что на обеих нитях кусочки лакрицы расположены в одинаковом порядке. Если вы положите их рядом, то цвета на обеих нитях должны совпасть.
- Завяжите другой узел на обоих концах веревки сразу после того, как вы закончите нанизывать лакрицу.
- 6
Прикрепите мармеладных мишек с помощью зубочисток.
Как только вы распределили по парам всех мишек, получив группы Ц-Г и Т-А, воспользуйтесь зубочисткой и прикрепите по одному мишке из каждой группы на оба кончика зубочисток.
- Протолкните мармеладных мишек на зубочистку так, чтобы торчало хотя бы полсантиметра острой части зубочистки.
- У вас может получиться больше одних пар, чем других. Количество пар в реальной ДНК определяет различия и изменения генов, которые они образуют.
- 7
Прикрепите мишек к лакрице.
Разложите ваши лакричные нити на гладкой поверхности и прикрепите зубочистки с мармеладными мишками к лакрице, вставляя в нее острые концы зубочисток.
- Вставлять зубочистки нужно только в молекулы"сахара". Это - все кусочки лакрицы одного цвета (например, все красные кусочки).
- Используйте все зубочистки с мармеладными мишками, не старайтесь сэкономить.
- 8 Изогните двойную спираль. Прикрепив все зубочистки с мармеладными мишками к лакрице, изогните нити в направлении против часовой стрелки, чтобы придать модели вид двойной спирали. Наслаждайтесь видом выполненной вами модели ДНК!
Крайне малые размеры ДНК не позволяют увидеть ее. Вот почему для некоторых она предстает сугубо отвлеченным понятием, а не действительно существующей молекулой. Лучшему пониманию ДНК может помочь собственноручная сборка ее физической модели.
Детские конструкторы прекрасно подходят для сборки моделей молекул, включая ДНК. Один из авторов этой книги (Артур Уиггинз) воспользовался набором конструктора K"NEX для сборки модели ДНК, которую на рис. 1.4 держат в руках дети, помогавшие ему в этом деле.
Данная модель собрана на основе набора K"NEX 32 Model Building Set в коробке Blue Value Tub (34006), который можно приобрести за 30 или 40 долларов (см. www.knex.com).
Рис. 1.4. Модель ДНК, которую держат в руках Рей, Мелисса и Тим Ноу (внуки А. У. Уиггинза)
Руководство по сборке молекулы ДНК можно посмотреть на узле Всемирной Паутины http://c3.biomath.mssm.edu/knex/dna.models.knex.html
По завершении работы вы получите часть молекулы ДНК, содержащую 48 пар оснований. В длину она составит около 1 м.
Получившаяся модель немного отличается от настоящей ДНК. В модели каждый синий стержень находится под углом 20° к предыдущему стержню, тогда как водородные связи в настоящей ДНК параллельны в пределах 6°. Однако модель показывает отдельные повороты спирали, большую и маленькую бороздки и парные основания А-Т и Ц-Г Уотсона-Крика.
При сборке данной модели вы сможете увидеть действие lac-оперона по расщеплению двух нитей ДНК в ходе репликации и работу рестрикционных ферментов, разрезающих ДНК в определенных местах благодаря «подгонке» этих ферментов к молекулам.
Кодоны
Почти все формы жизни на Земле используют один и тот же генетический код, ключом к которому служат кодоны. Если нуклеотидные основания в ДНК представить в виде букв генетического кода, то кодоны будут словами, а ген - последовательностью кодонов, образующих предложение. Согласно основному посылу (центральная догма) [занесенного] в ген выражения (экспрессии гена), сообщение от ДНК записывается на мРНК (матричную РНК), которое затем переносится на белки.
Для уяснения работы кодонов рассмотрим ее подробно.
♦ Последовательность содержащихся в ДНК нуклеотидных оснований задается чередованием аденина, тимина, цитозина и гуанина, обычно обозначаемых буква ми А, Т, Ц и Г.
♦ мРНК переписывает нуклеотидные основания ДНК в том же порядке на рибосому, лишь заменив тиминна урацил. В рибосоме происходит сборка белков нанизыванием друг на друга аминокислот (см.: Список идей, 5. Аминокислоты). Порядок следования аминокислот в белке определяет тРНК (транспортная РНК), передающая исходный порядок следования нуклеотидных оснований в ДНК.
Но каким образом четыре нуклеотидных основания определяют, какую из 20 аминокислот необходимо брать при построении белка?
♦ Если бы каждое нуклеотидное основание задавало одну аминокислоту, можно было бы собрать лишь четыре аминокислоты.
♦ Если бы два нуклеотидных основания совместно зада вали одну аминокислоту, выходило бы 4 2 = 16 аминокислот.
♦ Если бы три нуклеотидных основания совместно задавали одну аминокислоту, можно было бы получить 4 3 = 64 аминокислоты, а этого более чем достаточно. Таким образом, кодон должен представлять собой триплет - три идущих вместе основания.
Троичная природа кодона нашла опытное подтверждение в 1961 году благодаря работе Фрэнсиса Крика.
Выяснением вопроса, какие триплеты нуклеотидных оснований определяют аминокислоты, занялся в 1961 году американский биохимик Маршалл Ниренберг, установивший, что УУУ кодирует аминокислоту фенилаланин.
Последующие опыты Ниренберга и других ученых к 1966 году помогли установить полное соответствие между кодона-ми и аминокислотами.
В таблицах приводятся трехбуквенные кодоны и соответствующие им аминокислоты, присоединяемые к выстраиваемой РНК белковой молекуле, а также нуклеотидные основания РНК (У, Ц, А и Г), а не ДНК (Т, Ц, А и Г). Инициирующий [АУГ или ГУГ] и терминирующий [сокр. терм; это УАА (охра-кодон), УАГ (янтарь-кодон) и УГА (опал-кодон)] [трансляцию] кодоны указывают на начало и завершение транскрипции РНК.
| У | Ц | А | Г | ||
| У | УУУ = фен УУЦ = фен УУА = лей УУГ = лей | УЦУ = сер УЦЦ = сер УЦА = сер УЦГ = сер | УАУ = тир УАЦ = тир УАА = стоп УАГ = стоп | УГУ = цис УГЦ = цис УГА = стоп УГЦ = трп | У Ц А Г |
| Ц | ЦУУ = лей ЦУЦ = лей ЦУА = лей ЦУГ = лей | ЦЦУ =про ЦЦЦ = про ЦЦА = про ЦЦГ = про | ЦАУ = хиз ЦАЦ = хиз ЦЦА = глн ЦАГ = глн | ЦГУ = арг ЦГЦ = арг ЦГА = арг ЦГГ = арг | У Ц А Г |
| A | АУУ = иле АУЦ = иле АУА = иле АУГ = мет | АЦУ = тре АЦЦ = тре АЦА = тре АЦГ = тре | ААУ = асн ААЦ = асн ААА = лиз ААГ = лиз | АГУ = сер АГЦ = сер АГА = арг АГГ = арг | У Ц А Г |
| Г | ГУУ = вал ГУЦ = вал ГУА = вал ГУГ = вал | ГЦУ = ала ГЦЦ = ала ГЦА = ала ГЦГ = ала | ГАУ - асп ГАЦ = асп ГАА = гл ГАГ = глу | ГГУ = гли ГЦЦ = гли ГГА = гли ГГГ - гли | У Ц А Г |
Заметим, что большинство аминокислот задается не одним кодоном. Такая избыточность нередко означает, что одна и та же аминокислота задается независимо от того, какое азотистое основание находится на третьем месте в кодоне. Поскольку именно третье положение часто неверно считывается, подобная избыточность сводит к минимуму последствия от ошибок в считывании.
| СТАРТ | АУГ, | ГУГ | Лей | УУА, | УУГ, | ||
| ЦУУ, | ЦУЦ, | ||||||
| ЦУА, | ЦУГ | ||||||
| Ала | ГЦУ, ГЦЦ, | ГЦА, ГЦГ | Лиз | ААА, | ААГ | ||
| Apr | ЦГУ, ЦГЦ, | ЦГА, ЦГГ, | Мет | АУГ | |||
| АГА, АГГ | |||||||
| Асн | ААУ, ААЦ | Фен | УУУ, | УУЦ | |||
| Асп | ГАУ, ГАЦ | Про | ЦЦУ, | ЦЦЦ, | ЦЦА, | ццг | |
| Цис | УГУ, УГЦ | Сер | УЦУ, | УЦЦ, | УЦА, | УЦГ, | |
| АГУ, | АГЦ | ||||||
| Глн | ЦАА, ЦАГ | Тре | АЦУ, | АЦЦ, | АЦА, | АЦГ | |
| Глу | ГАА, ГАГ | Три | УГГ | ||||
| Гли | ГГУ, ГГЦ, | ГГА, ГГГ | Тип | УАУ, | УАЦ | ||
| Хиз | ЦАУ, ЦАЦ | Вал | ГУУ, | ГУЦ, | ГУА, | ГУ1 | |
| Иле | АУУ, АУЦ, | АУА | СТОП | УАГ, | УГА, | УАА |
Сложить журавлика из бумаги легко! Сложить журавлика из молекулы ДНК... тоже легко! Немного усидчивости и мастерства позволяют своими руками создавать из бумаги настоящие произведения искусства. Молекулы ДНК, в свою очередь, не требуют специальных навыков и собираются в красивые структуры на подобие оригами легко и непринужденно! Звучит как бред сумасшедшего, скажете вы. Отнюдь! Из этой статьи вы узнаете, как создать свою собственную фигурку оригами из ДНК, как похитить золото с помощью роботов, и кто победит в схватке между тараканом и ДНК-машиной.
Эта работа публикуется в рамках конкурса научно-популярных статей, проведенного на конференции «Биология - наука 21 века » в 2014 году.
ДНК-оригами и связанные с этим ДНК-нанотехнологии сформировали в последнее десятилетие отдельное научное направление и получили стремительное развитие в работах нескольких научных групп по всему миру. В общем случае, за термином «ДНК-оригами» скрывается технология направленного конструировании молекул ДНК, способных к самосборке в заранее рассчитанные и смоделированные объекты. Такие конструкции могут быть как плоскими, так и объемными, довольно простыми и чрезвычайно замысловатыми. Все так же, как в японском искусстве складывания бумажного листа, только здесь вместо листа бумаги выступает нить ДНК!
Как и многие научные открытия и разработки, это направление возникло, в некоторым смысле, случайно и неожиданно. Впервые о конструировании и использовании 3D-структур из ДНК всерьез заговорил американский ученый Нэд Симан (Ned Seeman ) в начале 1980-х гг. Исследователь указывал на одну из главных сложностей метода рентгеновской кристаллографии (используемого тогда и по сей день для определения структуры белковых молекул), а именно необходимость подбора точных условий для получения «чистого» кристалла, по которым можно судить о структуре белка, и ставил своей целью разработку вспомогательной технологии фиксации белковых образцов (рис. 1). Для решения поставленных задач нужно было для начала разобраться с тем, как по собственному желанию и разумению собирать молекулы ДНК в необходимые конструкции.
Рисунок 1. А. Гравюра на дереве «Глубина», созданная Маурицем Корнелисом Эшером в 1955 году. Поговаривают, что, глядя на это произведение искусства в университетской столовой, Нэд Симан вдохновился на создание новой технологии, упрощающей кристаллизацию полипептидов и, следовательно, структурные исследования белков. С определением пространственной организации белков что-то не заладилось, но зато идеи Симана были подхвачены другими исследователями и привели к возникновению ДНК-оригами . Б. Схема процесса кристаллизации белков, нарисованная В. Идея ДНК-структур для правильной ориентации молекул в пространстве, изображенная Симаном (перевод автора статьи).
Поиск и описание различных свойств элементарных ДНК-конструктов длились несколько лет. В 1991 году Нэд Симан представил нанометровый куб, ребра которого представляли собой молекулы ДНК . Спустя некоторое время, несмотря на скептическое отношение некоторых ученых, работа была признана выдающейся. За неё Нэд Симан был удостоен Фейнмановской премии по нанотехнологиям в 1995 году и навсегда вошел в историю науки как создатель первых ДНК-нанотехнологий.
Результаты Нэда Симана и его лаборатории послужили фундаментом для идей другого блистательного исследователя и, без преувеличения, крупной фигуры в области ДНК-оригами - американца Пола Ротемунда. В 2006 году он опубликовал статью в авторитетнейшем научном издании Nature , в которой был описан метод получения точных ДНК-структур с заданной формой, а также были представлены детальные результаты и анализ такого направленного конструирования. В отличие от других исследователей, ему удалось строить не решетки из отдельных молекул, а настоящие плоские фигуры шириной в несколько цепочек ДНК (рис. 2). Эта статья сразу разлетелась по научно-популярным журналам, новостям и блогам, ведь представленные структуры и изображения впечатляли даже неподготовленного с научной точки зрения читателя. Не удивительно, что иллюстрации эксперимента красовались на обложке выпуска журнала.
Рисунок 2. Некоторые структуры, построенные при помощи ДНК-оригами и представленные в статье Пола Ротемунда .
В последующие годы вышло несколько десятков статей, посвященных технологии ДНК-оригами. Росло число полученных форм, размеров конструкций и их сложности. Некоторые из результатов были экспериментально опробованы на реальных биологических объектах для решения прикладных биотехнологических и медицинских задач.
Двумерное ДНК-оригами: от простого к сложному
Как же ученые складывают ДНК-оригами? Разберемся в деталях данного метода. Для начала нам потребуется длинная одноцепочечная молекула ДНК, которая будет играть роль каркаса и основы нашего будущего объекта. В первых экспериментах использовалась ДНК фага M13 длиной 7249 нуклеотидов, однако сейчас с усовершенствованием ряда технологий стали использовать другие последовательности ДНК. Затем нам понадобятся заранее синтезированные короткие комплементарные цепочки ДНК (также называемые «скрепляющими цепочками» или «ДНК-скрепками», обычно 30-40 нуклеотидов в длину), последовательность которых необходимо подобрать при помощи компьютерного моделирования и анализа структур. Теперь смешаем растворы с длинной молекулой и короткими «скрепками» и нагреем смесь до температуры 95 °C, чтобы случайные и ненужные молекулярные связи распались. В процессе остывания до комнатной температуры (эта процедура называется отжигом) молекулы ДНК сами соберутся вместе, образуя нужную нам структуру. Проще простого - они всё делают за нас сами!
Рисунок 3. А, Б иллюстрируют схему связей между каркасной ДНК (серая кривая) и скрепляющими олигонуклеотидами (кривые разных цветов) . В) Пошаговая схема по изготовлению ДНК-оригами .
В результате эксперимента получается раствор, содержащий желаемые ДНК-конструкции. В одной-единственной капле раствора скрываются миллиарды крошечных объектов, которые, в отличие от бумажных фигурок оригами, нельзя потрогать, повертеть в руках и рассмотреть. Для оценки результата нам потребуется прибор со сверхвысоким разрешением - атомно-силовой микроскоп (АСМ) или электронный микроскоп. Ведь рассмотреть фигурки размером 50-100 нм так непросто!
Для создания плоских структур ДНК-оригами смежные двухцепочечные молекулы должны быть соединены друг с другом кроссовером - особым типом переплетения нитей ДНК. Такое переплетение «склеивает» соседние цепочки посредством уотсон-криковского комплементарного спаривания и не дает всей структуре рассыпаться. Учитывая большое количество скрепляющих цепочек, требуются алгоритмы для расчета вероятности их точной посадки на основную цепь. Если ДНК-скрепка сядет не в том месте, то это может повлечь за собой как дефект структуры, так и полную путаницу в посадке всех остальных скрепок. В худшем случае это может привести к тому, что структура не соберется вовсе. Все-таки самосборка молекул в идеально плоскую структуру - это не такая уж и легкая задача.
Рисунок 4. Точность собранного рисунка может быть довольно высока и находиться буквально на грани разрешения современных приборов. Можно добиться того, чтобы на ровном плоском «ДНК-полотне» в заранее предусмотренных местах будут выбиваться ДНК-шпильки. Это выглядит так, как если бы на кусочке ткани сделали рисунок узелками. Именно так была собрана карта западного полушария Земли, которую можно было увидеть исключительно при помощи АСМ (а, б).
Двумерные структуры на основе ДНК-оригами позволяют достичь не только большого многообразия форм - с помощью этой техники можно добиться невиданной до этого точности в размещении требуемых функциональных групп и молекул. Связанные с ДНК-скрепками молекулы могут быть размещены с точностью до нескольких нанометров и даже ангстрем (при условии правильной сборки)!
Если требуется собрать структуру побольше, нужно всего лишь соединить несколько длинных цепочек в одну составную конструкцию, как в конструкторе или крупных оригами-фигурах. На практике это можно осуществить так же, как было описано для одной единственной каркасной молекулы ДНК - нужно смешать все ингредиенты будущего объекта в одной пробирке, нагреть и ждать чуда, или собрать каждую деталь по отдельности, после чего объединить уже готовые элементы для окончательной сборки при менее интенсивном нагреве. В первом подходе нам приходится работать с достаточно большим количеством компонентов, ввиду чего увеличивается вероятность неправильной сборки молекул. При сборке деталей по отдельности необходимо провести несколько независимых экспериментов и совершить дополнительный шаг - повторный отжиг малых структур при нагреве до температуры 50 °C. При такой температуре детали еще не разваливаются на части, но уже более охотно связываются с друг с другом [ , ].
Трехмерное ДНК-оригами
При определенных модификациях подход, который применяется для конструирования плоских структур, может быть обобщен до более сложного объемного случая. При конструировании 3D-структур можно, как и раньше, использовать кроссоверы, учитывая дополнительное третье измерение, и собирать все за один эксперимент, либо нужно начинать с собранных по отдельности плоских ДНК-объектов и лишь потом объединять их в конечную конструкцию. Выбор правильной последовательности действий в случае трехмерного ДНК-оригами чрезвычайно важен из-за значительно большего числа используемых молекул. Для особо сложных конструкций (особенно, при выборе первой стратегии сборки за один эксперимент) самосборка объекта может занимать несколько дней.
Несмотря на все сложности, которые могут возникнуть, объемные конструкции так привлекательны для исследователей! Ведь объемные объекты, ввиду многообразия возможных форм, могут быть использованы в широком круге самых разных прикладных задач.
Рисунок 5. ДНК-«коробочка» с открывающейся крышкой и молекулярным «замком». Получена в Датском центре ДНК-нанотехнологий в 2009 году. Предполагается, что в будущем такая конструкция будет использоваться для адресной доставки лекарств к определенным клеткам, где она будет открыта при помощи молекулярного «ключа».
Так, используя несколько одинаковых квадратов, ученым удалось собрать полый куб (правда, немного деформированный). Для устранения недостатков конструкции исследователи приделали к этому кубу крышку, которая запиралась на замок нанометровых размеров. Открытием крышки можно было управлять при помощи изменения конформации замка за счет спаривания с небольшими «ДНК-ключами» (рис. 5). Убедиться в том, что куб надежно закрывается на замок и открывается лишь определенным ключом, помог эффект FRET . При этом данная конструкция стала одним из первых в своем роде контейнером для адресной доставки лекарств. Пока только в перспективе, конечно же.
Следующим этапом конструирования 3D объектов стала сборка строительных блоков, которые в дальнейшем скреплялись между собой, как детали конструктора (подробнее об этом можно прочесть в ).
Словарик
Применение ДНК-оригами: ДНК-чипы, молекулярные машины и нанороботы
Пока мы затрагивали в основном процесс конструирования и сборки ДНК-оригами, и практически никак не упоминали о том, зачем все это нужно. И действительно, ведь ДНК-структуры разрабатываются не для того чтобы ими любоваться и получать эстетическое удовольствие! Современные ДНК-нанотехнологии направлены на решение нескольких прикладных задач, связанных с медициной, биотехнологией и программированием.
ДНК-конструкции могут нести на поверхности несколько строго ориентированных функциональных групп, специфически связывающих ту или иную молекулу, и, таким образом, регистрировать их присутствие. В самых простых случаях синтезируется специальная ДНК-скрепка с последовательностью, комплементарной молекуле РНК или ДНК в растворе. При использовании АСМ мы можем зафиксировать даже акт единичного связывания такой молекулы, так как при возникновении связи между структурой ДНК-оригами и целевой молекулой, последняя начинает сильно «выпирать» . Это сразу бросается в глаза при анализе изображения.
Использование лигандов или аптамеров позволяет создавать настоящие сенсорные чипы. С их помощью можно регистрировать наличие не только одноцепочечных молекул нуклеиновых кислот, но и интересующих нас молекул белков и других соединений. При удачном стечении обстоятельств, речь может идти об обнаружении даже единичных молекул.
Способность к регистрации можно улучшить, фиксируя структуры ДНК-оригами на поверхности подложки. Подложка при этом заранее размечается методами литографии и травления, после чего обрабатывается специальными химическими соединениями. При правильной подготовке «плацдарма» для посадки, ДНК-структуры выстраиваются точно по порядку в интересующих нас местах и даже в нужной ориентации . В совокупности, последовательность таких операций дает довольно точное размещение на подложке конструкций ДНК-оригами, которые, в свою очередь, служат подложкой для еще более точного размещения исследуемых молекул самой разной природы. Чип для широкого круга регистрируемых химических соединений готов к использованию!
Одним из интереснейших направлений ДНК-нанотехнологий является создание молекулярных машин, которые могли бы проводить разнообразные операции при минимальном участии человека. Например, Нэд Симан с коллегами собрал шагающую ДНК-машину с двумя ногами . На заранее сконструированной подложке (тоже собранной из ДНК) они разместили несколько других простых ДНК-машин, которые держали золотые наночастицы и могли их высвобождать при изменении конформации. Наш «молекулярный пешеход» ходил по подложке (по заранее известной дороге, которую тоже надо было собрать) и, когда оказывался вблизи носителей золота, отбирал у них золотую наночастицу! Заполучив немного золота, наш герой не успокаивался и шел за следующей порцией золотой добычи. По окончанию экспериментов жадный ДНК-пешеход должен был неплохо обогатиться!
Для того, чтобы продемонстрировать возможности программируемого перемещения молекулярных машин, другая группа исследователей собрала ДНК-«паука» с тремя ногами и одним хвостом . (Странный, конечно, паук получился, но мы закроем на это глаза.) К ногам ДНК-«паука» были прикреплены функциональные молекулярные группы, которые позволяли перемещаться по специально созданной для этого трассе. Паук был привязан молекулой-замком за хвост в самом начале своего пути; затем, после связывания молекулы-замка с молекулой-ключом, его отпускали на свободу, и он убегал исследовать мир! Передвижение ДНК-паука было заснято в реальном времени при помощи микроскопии полного внутреннего отражения - его средняя скорость составила 3 нм/мин. Видимо, он не убегал, а скорее с наслаждением прогуливался по своей дорожке.
Большие надежды возлагаются на ДНК-оригами и другие ДНК-нанотехнологии в связи с вопросом адресной доставки лекарственных средств нуждающимся клеткам. К сожалению, это направление не проработано так хорошо, как другие, и всё ещё находится на стадии интенсивных исследований. Остается верить, что открытия, связанные с ДНК-роботами, служащими на благо здравоохранения и человечества в целом, ещё впереди!
Вместо заключения
К настоящему моменту учеными из разных стран собран большой объем экспериментальных данных и описано большое число механизмов на основе ДНК-технологий, которые ещё только предстоит полностью осмыслить и оценить. Уже сейчас подробно описать каждую из полученных структур и её преимущества над другими не представляется возможным. Ведь если только 10 лет назад исследованиями такого рода занималось всего несколько лабораторий во всем мире, сейчас их количество исчисляется несколькими десятками. Относительно будущего данной области науки сказать определенно можно только одно - дальше будет еще интереснее! Чтобы убедить вас в этом, приведем заголовок статьи, которая вышла в апреле 2014 года - «Universal computing by DNA origami robots in a living animal», в которой описано использование ДНК-нанороботов в живых тараканах Programmed two-dimensional self-assembly of multiple DNA origami jigsaw pieces . ACS Nano 5, 665-671; ;
Сегодня мы проведем урок не только лепки, но и химии, и слепим модели молекул из пластилина. Пластилиновые шарики можно представить, как атомы, а показать структурные связи помогут обычные спички или зубочистки. Таким методом могут пользоваться учителя при объяснении нового материала по химии, родители – при проверке и изучении домашнего задания и сами дети, интересующиеся предметом. Более легкого и доступного способа создать наглядный материал для мысленной визуализации микрообъектов, пожалуй, не найти.
Здесь представлены представители мира органической и неорганической химии в качестве примера. По аналогии с ними могут быть выполнены и другие структуры, главное – разбираться во всем этом многообразии.
Материалы для работы:
- пластилин двух или более цветов;
- структурные формулы молекул из учебника (при необходимости);
- спички или зубочистки.
1. Подготовьте пластилин для лепки шарообразных атомов, из которых будут складываться молекулы, а также спички – для представления связей между ними. Естественно, лучше показывать атомы разного сорта другим цветом, чтобы было понятнее представить себе конкретный объект микромира.
2. Чтобы сделать шарики, отщипните необходимое количество порций пластилина, разомните в руках и скатайте фигурки в ладонях. Для лепки органических молекул углеводородов можно использовать красные шарики большего размера – это будет углерод, и синие меньшего – водород.
3. Чтобы слепить молекулу метана, вставьте в красный шарик четыре спички так, чтобы они были устремлены к вершинам тетраэдра.
4. Наденьте на свободные концы спичек синие шарики. Молекула природного газа готова.
5. Подготовьте две одинаковых молекулы, чтобы объяснить ребенку, как можно получить молекулу следующего представителя углеводородов – этана.
6. Соедините две модели, убрав одну спичку и два синих шарика. Этан готов.
7. Далее продолжите увлекательное занятие и объясните, как происходит образование кратной связи. Уберите два синих шарика, а связь между углеродами сделайте двойной. Подобным образом можно слепить все необходимые для занятия молекулы углеводородов.
8. Такой же способ подойдет и для лепки молекул неорганического мира. Осуществить задуманное помогут те же пластилиновые шарики.
9. Возьмите центральный атом углерода – красный шарик. Вставьте в него по две спички, задавая линейную форму молекулы, на свободные концы спичек прикрепите два синих шарика, которые в данном случае олицетворяют атомы кислорода. Таким образом, мы имеем молекулу углекислого газа линейного строения.
10. Вода – это полярная жидкость, а ее молекулы представляют собой угловые образования. Они состоят из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Угловое строение задает неподеленная пара электронов на центральном атоме. Ее тоже можно изобразить в виде двух зеленых точек.
Вот такие увлекательные творческие уроки обязательно нужно практиковать с детьми. Ученики любого возраста заинтересуются химией, будут лучше понимать предмет, если в процессе изучения им предоставить наглядное пособие, выполненное своими руками.
