В анонсах мероприятий, которые проходят в Leader-ID, можно встретить неожиданные вещи. К примеру — мастер-класс по выделению молекул ДНК, для которого достаточно «оборудования» и «реагентов», которые есть на любой кухне. Этот эксперимент можно провести вместе с детьми — погрузить их, так сказать, в мир биологии и химии.

В основе поста — рассказ Юлии Зайцевой, кандидата биологических наук факультета биологии и экологии Ярославского Демидовского университета (ЯрГУ). Если вам удобнее формат видео, оно тут.

Прежде чем мы начнем смешивать ингредиенты, буквально несколько слов про ДНК, ее структуру и роль в биологических процессах. А еще о том, как так вышло, что эту молекулу можно наблюдать невооруженным глазом. Если вы все это знаете, переходите сразу к пошаговой инструкции.

Структура ДНК

С химической точки зрения дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК, — это длинная полимерная молекула, состоящая из блоков, нуклеотидов.

Каждый нуклеотид включает:

• остаток фосфорной кислоты,

• сахар — дезоксирибозу,

• и одно из четырех азотистых оснований.

Эти блоки в ДНК повторяются.

Азотистые основания — это гетероциклические органические соединения, производные пиримидина и пурина. В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований. Для удобства их обозначают буквами:

• аденин (А),

• гуанин (Г),

• тимин (Т),

• цитозин (Ц).

Азотистые основания разных нуклеотидов соединяются между собой водородными связями согласно принципу комплементарности. Аденин образует связь с тимином.

А гуанин с цитозином.

В итоге молекула ДНК состоит из двух цепей нуклеотидов, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу.

Такая двухцепочечная молекула закручена по винтовой линии. 

Эту структуру ошибочно называют спиралью, но на самом деле это двойной винт.

Роль молекулы ДНК

С биологической точки зрения ДНК — макромолекула, которая обеспечивает хранение, передачу и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. 

Биологическая информация в ДНК хранится в виде генетического кода, состоящего из последовательности четырех видов нуклеотидов. Так как различаются нуклеотиды только азотистыми основаниями, по основаниям их и называют:

Размер молекулы ДНК

Перейдем к математике — посчитаем длину человеческой ДНК.

Общее число нуклеотидов в геноме человека — 3,2 миллиарда. Линейная длина одного нуклеотида — 0,34 нанометра. Перемножив эти показатели, получаем следующее:

Что суммарная длина молекул ДНК в одной клетке — около двух метров (общая длина цепей в двухспиральной молекуле). При этом линейная длина самой клетки — всего 30 мкм. 

А размер ее ядра, в котором располагается молекула ДНК, еще в несколько раз меньше.

Как же два метра ДНК помещается в клетку, диаметр которой почти в 70 тысяч раз меньше?

За это отвечает механизм особой укладки ДНК в клетке, который называется компактизация. ДНК, как нить, накручивается на катушку из специальных белков — гистонов. «Катушки» сближаются друг с другом, образуя структуру, напоминающую баранки на нитке. А потом эта «нитка с баранками-катушками» формирует сложные петли. 

Если бы мы провели такую компактизацию в макромире, то смогли бы нитку длиной с Останкинскую башню (~500 метров) уложить в спичечный коробок.

Длина молекул ДНК в теле человека

В общей сложности в нашем теле ученые насчитывают около 70 триллионов клеток (своих и чужих — тут мы не забываем про микробиом). Наименьшая длина молекулы ДНК — 1,5 м.

Если умножить ее на количество клеток, получится, что общая длина цепочек ДНК в организме человека — более 100 триллионов метров. Это грандиозная величина! Она чуть ли не в 1000 раз больше, чем расстояние от Земли до Солнца (150 млн километров).

Пошаговая инструкция по выделению молекул ДНК

Для эксперимента подойдет любой растительный материал. Проще работать с тем, что легче измельчить, например мякоть банана.

Чтобы извлечь ДНК из ядра растительной клетки, нам потребуются:

• ступка с пестиком, дома можно использовать блендер;

• воронка;

• стеклянная посуда: колба, стакан, пробирка — или любая другая прозрачная емкость, которая найдется на вашей кухне;

• фильтровальная бумага или марля;

• хлорид натрия (поваренная соль) — 1,5 г;

• гидрокарбонат натрия (сода) — 5 г;

• весы, позволяющие взвешивать от одного до нескольких грамм; в отсутствие весов для соли и соды можно использовать мерные ложки — здесь главное соблюсти пропорции ингредиентов;

• детергент (лат. detergio — стираю) — это разновидность поверхностно-активного вещества, которое уменьшает поверхностное натяжение воды и способствует ее проникновению в поры и между волокнами; детергенты помогают отмывать что угодно от грязи; в домашних условиях в качестве детергента можно использовать мыло, средство для посуды или шампунь;

• дистиллированная вода — 120 мл;

• 95%-й этиловый спирт.

Шаг 1. Готовим буферный раствор

Буферными (англ. buff — смягчать удар) называют растворы с определенной устойчивой концентрацией водородных ионов. Проще говоря, pH такого раствора почти не меняется, даже если мы добавляем в него кислоту или щелочь. 

Чтобы приготовить буферный раствор для нашего эксперимента, наливаем в колбу 120 мл дистиллированной воды и добавляем в нее 1,5 грамма хлорида натрия. В домашних условиях можно использовать поваренную соль, это, конечно, не химически чистый NaCl, но для нашей миссии подойдет.

Далее взвешиваем и добавляем в раствор 5 грамм гидрокарбоната натрия (дома используем соду).

Если дома не нашлось инструментов для взвешивания 1,5 г соли и 5 г соды, можно приготовить больший объем буферного раствора с сохранением пропорции ингредиентов. В этом случае для последующих шагов берем только часть раствора.

После добавления перемешиваем содержимое колбы до полного растворения.

Шаг 2. Смешиваем буферный раствор с детергентом

В качестве детергента мы используем средство для мытья посуды. Нам будет вполне достаточно 50–60 мл. Добавляем его в буфер и перемешиваем полученную смесь в течение трех минут. 

Шаг 3. Подготовка сырья для извлечения ДНК

Мякоть банана тщательно измельчаем до однородного состояния. Дома это удобнее сделать блендером.

Шаг 4. Разрушение клеточных стенок

«Полученную кашицу…» В смысле, к полученной массе добавляем холодную смесь буферного раствора с детергентом.

Тщательно перемешиваем.

Детергент разрушает клеточные мембраны и мембраны ядер клеток. Таким образом, нити ДНК окажутся свободно плавающими.

Шаг 5. Получение молекул в растворе

Разрушив клеточные стенки, удаляем их: для этого фильтруем раствор в течение 10–15 минут при помощи воронки с фильтром. В нашем случае мы используем фильтровальную бумагу, но дома можно взять ткань или даже марлю.

Шаг 6. Визуализация

К полученному фильтрату по стенке сосуда под острым углом осторожно приливаем охлажденный в морозилке 95% этиловый спирт, чтобы он не перемешивался с содержимым. Добавляем сколько не жалко. Но в целом количества, равного половине имеющегося в колбе фильтрата, будет достаточно. 

Предчувствуя вопрос из зала, скажу сразу — нет, водка тут не подойдет.

И вот на границе раздела двух жидкостей мы наблюдаем, как постепенно появляются белые нити ДНК.

Из всех клеточных компонентов только ДНК быстро выпадает в осадок в спирте, образуя видимые глазу белые нити. Все остальные компоненты остаются в водной фазе.

Используя этот метод, можно выделить ДНК из любого растительного материала. На практике хорошие результаты получаются с луком, чесноком, бананами и томатами. В общем, дети будут довольны.