Получив образование почвенного микробиолога, Хоффман адаптировал методы выделения ДНК, которые он освоил в пустынях Аризоны во время защиты докторской диссертации. "Это были довольно стандартные методы, - говорит он, - хотя я никогда не использовал их для микробов из океана". Хоффман, Пфаннкох и небольшая команда из института начали с того, что взяли замороженные фильтры, содержащие микробы, привезенные с Бермудских островов, и разрезали их на крошечные кусочки. Затем они использовали специальные ферменты, предназначенные для вскрытия клеток и извлечения ДНК. "Оказалось, что океанские микробы вскрываются довольно легко, - говорит Джефф, - по сравнению с микробами пустынной почвы, у которых более толстые мембраны". Полный процесс извлечения занял около трех дней.
"Отчасти мы полагались на опыт Джеффа", - вспоминает Крейг. "Нужно было уметь вскрыть все клетки. Поэтому они попробовали несколько различных экспериментальных протоколов, чтобы извлечь всю ДНК.
У микробиологов команды был опыт вскрытия клеток, а у Джеффа - опыт работы с микробами пустынной почвы. Некоторые клетки из почвы очень трудно вскрыть, потому что они образуют маленькие микрокапсулы. Каждый член команды предлагал различные протоколы, которые позволяли вскрыть все клетки и получить наибольшее количество ДНК".
Следующие шаги заключались в создании нескольких копий ДНК в образцах, а затем в буквальном смысле разбиении ДНК на фрагменты размером от пятисот до двух тысяч пар оснований с помощью аппарата, называемого распылителем. Затем фрагменты пропускались через один из секвенаторов Applied Biosystems, который отмечал и идентифицировал каждую генетическую букву.
После завершения секвенирования и компьютерной обработки файлов команда вычислительных биологов из института взяла цифровые последовательности и принялась за работу, пытаясь собрать эти фрагменты кода в естественные хромосомы организма. Для этого команда искала совпадения в коде разных фрагментов. Подробное описание того, как это делается, представлено Национальным центром биотехнологической информации в его справочнике NCBI.1 Но для простоты предположим, что после того, как распылитель произвел взрыв, в оставленных им фрагментах были следующие три:
Фрагмент 1: -----TCATGCTTGAC-----TACAGC
Фрагмент 2: TGCATCATGC-----GCTATACAGC
Фрагмент 3: -----TTGACGCGGCTATAC---.
Компьютер быстро определяет перекрывающиеся части этих фрагментов и способен собрать всю последовательность, которую они покрывают:
TGCATCATGCTTGACGCGGCTATACAGC
Этот процесс может работать, когда несколько копий генома данного организма собраны и раздроблены, чтобы получить различные фрагменты. Чем больше копий, тем больше шансов, что будут найдены участки с идентичными последовательностями ДНК и что случайные фрагменты могут быть скомпилированы компьютерами в контиги.
Еще проще представить себе, что кто-то распечатал несколько копий, скажем, статьи из New York Times и нарезал их по-разному, получив множество изо-лированных строк символов. Эти фрагменты не имеют смысла, пока вы не начнете находить в разных вырезках последовательности, которые точно совпадают. Возьмем, к примеру, первое предложение статьи о проекте "Геном человека", написанной в 2001 году Николасом Уэйдом.2 Вот несколько возможных фрагментов из нее:
/ е давно устоявшиеся представления о биологии человека. / Публикация первой интерпретации
/ На этой неделе было вынесено решение, опровергающее некоторые давние убеждения относительно интерпретации последовательности генома человека.
И вот эти фрагменты сшиты вместе, чтобы показать исходное предложение:
Опубликованная на этой неделе первая интерпретация последовательности генома человека переворачивает некоторые давно устоявшиеся представления о биологии человека.
Дробное секвенирование ЦЕЛОГО ГЕНОМА было впервые разработано в середине 1990-х годов, когда Крейг и Гамильтон "Хэм" Смит - нобелевский лауреат, близкий друг Крейга и его соратник по TIGR, Celera и JCVI - изобрели процесс секвенирования Haemophilus influenzae.
Другие использовали термин "дробовое секвенирование" для описания того, что они делали, что сбивает с толку", - говорит Крейг. "Например, Фред Сэнгер в 1977 году использовал этот термин для обозначения методов, с помощью которых он впервые секвенировал вирус Phi-X174".3 Так же поступила группа ученых из Калифорнийского университета в Дэвисе в 1981 году, которые использовали тот же подход, что и Сэнгер, когда секвенировали вирус цветной капусты Mo-saic. Но оба вируса были подготовлены к секвенированию не с помощью распылителей, разбивающих ДНК на маленькие случайные фрагменты, а с помощью более традиционного метода, использующего ферменты рестрикции. Они работают как химические ножницы, разрезая ДНК на части в точных местах генетической последовательности. Затем эти фрагменты секвенируются по одному и вручную соединяются в компьютере. Фактически именно Хэм Смит вместе с двумя другими учеными стал пионером в использовании ферментов рестрикции - это открытие принесло им Нобелевскую премию по медицине 1978 года.