Большинство людей воспринимают ДНК — дезоксирибонуклеиновую кислоту — просто как наследственную схему организма. Это химический код, который управляет развитием и функционированием всех живых существ. Действительно, молекула ДНК с её сложной двойной спиралью несёт такие инструкции. Но сегодня ДНК используют и совершенно неожиданным образом — вне области биологии. С её помощью можно, например, идентифицировать давно исчезнувших предков сортов яблок, увеличить объём хранения данных до немыслимых масштабов, а также вырабатывать и увеличивать производство чистой энергии. Именно этим и другим поразительным и инновационным способам применения ДНК посвящён этот обзор.
Хранение данных
Может ли ДНК стать будущим носителем информации? По данным BBC, если бы все фильмы в мире хранились в виде ДНК, для этого хватило бы пространства меньше сахарного кубика. Исследователь Касра Табатабеи из Института Бекмана уверена: природа создала самую совершенную систему хранения данных, намного превосходящую всё, что может предложить современная технология. В ДНК можно сохранять практически неограниченное количество данных — изображения, видео, музыку, всё что угодно.
Молекула ДНК состоит из четырёх компонентов — аденина (A), гуанина (G), цитозина (C) и тимина (T). Эти элементы могут выстраиваться в различных последовательностях вдоль спирали, а учёные умеют расшифровывать их, чтобы получить нужную информацию. Если добавить к этим четырём компонентам ещё семь химически модифицированных нуклеотидов, ёмкость ДНК как носителя возрастёт во много раз.
Кроме того, ДНК — это надёжный и практически вечный способ хранения информации. Она способна сохраняться в самых суровых условиях десятки тысяч лет, в то время как современные носители на кремниевой основе быстро устаревают и оказываются на свалках. Как когда-то CD-диски вытеснили дискеты, так и ДНК-хранилища однажды заменят современные микросхемы и жёсткие диски.
Поиск утраченных сортов яблок
Любители яблок нашли для ДНК новое применение. Как сообщает BBC, по всей Великобритании они берут образцы со старых яблонь в надежде обнаружить больше так называемых «антикварных сортов» своих любимых плодов. Поскольку современные яблоки в основном происходят от прививок деревьев, которые давно исчезли, многие старинные сорта могут быть утрачены навсегда.
Однако участники Marcher Apple Network поддерживают связь и делятся результатами ДНК-исследований. Иногда их работа приводит к идентификации исчезнувшего дерева и восстановлению его родословной. Так, недавно выяснилось, что дерево под названием Unknown Founder 8 оказалось сортом Lemon Roy, который даёт кулинарные яблоки — лучше всего такие тушить или использовать в пирогах. В некоторых случаях целый старый сад помогает определить сразу несколько сортов, сохранившихся только в потомках давно исчезнувших деревьев.
Производство энергии
ДНК нашла применение и в энергетике. Как подчёркивает Сулиман Хан и его коллеги в журнале International Journal of Genomics, у микроорганизмов, таких как цианобактерии и Geobacter sulfurreducens, есть огромный потенциал для производства возобновляемой энергии. К примеру, цианобактерии способны вырабатывать водород — чистый источник энергии — благодаря особым ферментам. С помощью методов генной инженерии и оптимизации условий роста учёные смогли повысить продуктивность этих микроорганизмов.
Генетически модифицированные цианобактерии могут превращать углекислый газ в топливо. Это открывает возможность уменьшить вредное воздействие ископаемого топлива на окружающую среду. Кроме того, Geobacter sulfurreducens интересен для создания биоэлектроники. Модификация определённых генов позволяет этим бактериям формировать проводящие биоплёнки, которые проводили ток в шесть раз лучше, чем у обычных штаммов. Такие успехи позволяют надеяться, что микроорганизмы станут основой для экологически чистых и эффективных энергетических технологий будущего.
Археологические исследования
ДНК помогла археологам узнать больше о ритуалах жителей Чичен-Ицы — важного майянского города, существовавшего в VI–X веках на полуострове Юкатан. Исследования геномов 64 останков подростков, найденных в подземной братской могиле рядом с так называемым Священным сеноте, позволили сделать несколько неожиданных открытий.
Оказалось, что все погибшие были мальчиками-близнецами, причём две пары оказались однояйцевыми близнецами, а все остальные — тоже близкими родственниками. По мнению Родриго Баркеры и его коллег, эти мальчики стали жертвами человеческих жертвоприношений, которые совершались на протяжении пятисот лет. Их погребение символизировало вход в подземный мир, а сами близнецы напоминали ритуалы, связанные с майянскими героями-близнецами Хунапу и Шбаланкэ. Эти персонажи, согласно мифологии, неоднократно жертвовали собой и воскресали, чтобы перехитрить богов подземного мира.
Доказательства эволюции
ДНК служит доказательством теории эволюции сразу по нескольким направлениям. Сравнение геномов разных видов показывает, что они имеют общих предков. Многие молекулярные элементы у разных организмов удивительно похожи, а неработающие участки ДНК нередко повторяют структуру функциональных генов.
Кроме этого, по ДНК можно установить время появления биомолекулярных мутаций, благодаря которым разные виды отделились друг от друга. Даже неработающие, но сохраняющиеся клетки, ткани и органы (рудименты) подтверждают родственные связи между видами. Также сходство эмбрионов указывает на общее происхождение. Возможность отслеживать генетические изменения и устанавливать эволюционные связи с помощью ДНК-секвенирования доказывает состоятельность теории эволюции. Благодаря этим исследованиям теория эволюции остаётся фундаментом биологии и наук о жизни.
Генеалогические исследования
Генеалогические исследования становятся всё более популярными среди тех, кто хочет составить семейное древо и узнать свою родословную. Для тестирования используют различные биологические материалы. Пот, кожу, кровь, ткани, волосы, перхоть, слизь, слюну и так далее.
Чаще всего анализ проводится по образцу слюны. Однако, как отмечает Келли Браун в статье «Знай свою ДНК», к результатам таких тестов стоит относиться с осторожностью. Как и любые другие анализы ДНК — будь то судебные, медицинские или тесты на отцовство, — они не дают абсолютной точности. Многие сервисы делают лишь научно обоснованные предположения о происхождении человека на основе своей базы данных. Поэтому не стоит воспринимать каждое заключение буквально.
Индивидуальные диеты
ДНК открыла новые возможности и для тех, кто хочет следить за своим питанием. Теперь возможно составлять индивидуальные планы диеты и физических нагрузок. Как рассказывает диетолог Кристин Киркпатрик, генетический анализ стал частью развивающейся области — нутригеномики. Это наука, которая изучает взаимодействие между генами и питанием, а также их влияние на здоровье.
Доктор Лу Ци, специалист по питанию, отмечает: персонализированный подход помогает точнее выявлять пищевые непереносимости и предрасположенность к заболеваниям. Это стало возможным благодаря исследованиям, связанным с проектом «Геном человека». Учёные теперь лучше понимают, как биоактивные вещества из пищи влияют на наши гены. Но пока рано делать однозначные выводы — насколько эффективны такие индивидуальные диеты. Результаты исследований противоречивы, и требуются дополнительные научные данные.
Борьба с грызунами
Учёные надеются, что генная инженерия поможет человечеству избавиться от крыс. Например, можно изменить гены так, чтобы крысы производили только самцов, что приведёт к вымиранию популяции. Возможно, вмешательство в рибонуклеиновую кислоту (РНК) животных тоже окажется эффективным.
Существует множество методов, которые позволяют изменять, подавлять и обнаруживать организмы на молекулярном уровне. Технология CRISPR/Cas9 открыла новые горизонты. Теперь можно быстро, дёшево и довольно просто исправлять ошибки в геноме, а также включать и выключать гены. Это пригодится не только для борьбы с вредителями, но и для лечения генетических заболеваний, по крайней мере, у мышей и эмбрионов человека. Если подобные технологии одобрит Минсельхоз США, крыс можно будет истребить за одно-два поколения.
Обнаружение болезней в воздухе
ДНК помогает даже в выявлении опасных вирусов и бактерий в воздухе. Исследователи из института Эрлхэм в Норидже используют специальные методы отбора проб воздуха, чтобы обнаружить микроорганизмы, опасные для людей, животных и растений. Эти процедуры быстрее и точнее других способов.
Когда живые существа выделяют ДНК в окружающую среду, учёные сразу получают подсказки о том, какие виды обитают на данной территории и когда именно. Фермеры могут быстро определить, какой именно патоген угрожает их полям, и применять точечные меры. Это позволяет не использовать лишние химикаты и сокращает расходы, а значит, и конечная цена продуктов для покупателей может стать ниже.
Здоровье домашних животных
Теперь владельцы собак могут узнать всё о породе своего питомца, даже не выходя из дома, или сделать анализ у ветеринара. Результаты покажут, какие именно породы «замешаны» в происхождении собаки, а также укажут на возможные риски для здоровья.
Однако к этим тестам стоит относиться с осторожностью: пока анализ ДНК не даёт стопроцентной гарантии того, что у собаки обязательно разовьётся то или иное заболевание. Положительный результат просто означает, что стоит обратиться за консультацией к ветеринару и пройти дополнительные обследования.
