10 невероятных вещей, которые учёные впервые сделали с ДНК
Мир ДНК подобен кроличьей норе из «Алисы в стране чудес» – каждый шаг в глубину приносит всё больше удивительных, а иногда даже страшных открытий. Чем больше учёные исследуют и познают загадки молекул жизни, тем больше их деятельность напоминает научный подвиг.
Постепенно размываются все границы между техникой и биологией – и не всегда к лучшему. Но ДНК является хранилищем необычной информации, её исследование даёт простые способы лечения сложных болезней и даже может нарисовать лицо преступника.
10. Живые микросхемы
Когда учёные задумались о новом способе взглянуть на молекулы и происходящие в клетках процессы, они столкнулись с одной проблемой. Идея заключалась в том, чтобы создать из молекул ДНК цепи, подобные электрическим, которые бы можно было включать и выключать. Проблема была в том, что для управления такими цепями был нужен соответствующий переключатель.
Учёные смогли решить эту проблему, когда им удалось вживить в отдельные участки цепочки из ДНК антрахинон. Это природное соединение, которое отлично перенесло имплантацию, имеет одну особенность. Оно способно запускать окислительно-восстановительные процессы.
Во время окислительно-восстановительных процессов электроны перемещаются от одних молекул к другим. Результатом становится электрический разряд. При стимуляции наконечником электрода антрахинон отлично справился с этой задачей. В зависимости от количества перемещённых электронов цепь оказывалась либо замкнутой, либо разомкнутой.
Создание переключателей, каждый из которых в тысячу раз тоньше человеческого волоса, даёт возможность создания микроскопических устройств из молекул. Применение таких устройств позволит изучать химические реакции внутри клеток, с особым упором на те, которые связаны с болезнью.
9. Инъекция ДНК, которая вылечивает хромоту
Захромавшая скаковая лошадь обречена на эвтаназию, и часто это приносит большие финансовые потери её владельцу. Хромота очень часто встречается у лошадей, либо в результате падений, либо от возраста. Обычные процедуры лечения занимают много времени и не гарантируют полного восстановления здоровья после них.
В последнее время эта страшная проблема может быть решена одним простым уколом шприца. Учёные выделили два гена и ввели их в ноги хромым лошадям. Результат был поразительным. Лошади не просто излечились, но уже через два месяца вернулись на беговую дорожку и участвовали в соревнованиях.
Сделавшие переворот в лечении травм гены VEGF164 и BMP2 вводились непосредственно в повреждённые связки и сухожилия. Клетки ДНК способствовали образованию новых кровеносных сосудов, костей и хрящей взамен повреждённых тканей.
Терапия не является главной областью применения генов, но этот эксперимент способен многое изменить в жизни не только лошадей, но и людей. Подопытные лошади оставались в отличной форме в течение года после получения инъекций, и это вселяет надежду, что данный способ может когда-нибудь помочь людям с травмами сухожилий, связок и даже позвоночника.
8. «Крючок» для отлова ДНК людей
Несмотря на десятилетия исследований, родословное древо человечества до сих пор изучено не полностью. Антропологи могут изучать только то, что доступно, но скелетов первобытных людей и их предков очень мало. Однако новые технологии позволяют получить древнюю ДНК и без наличия останков.
В поисках ДНК человека собрали и просеяли образцы почвы из Бельгии, Хорватии, Франции, России и Испании. Чтобы повысить шансы на успех, все 85 образцов собрали вблизи археологических объектов возрастом 14-550 тысяч лет. Тесты показали наличие генов.
В одной чайной ложке песка нашли триллионы фрагментов ДНК. Гены людей терялись среди массы генов шерстистых носорогов и мамонтов, пещерных медведей и древних гиен. Чтобы устранить весь этот генетический мусор, учёные устроили своеобразную «рыбалку». Они создали своего рода «крючок» из современной митохондриальной ДНК. Поскольку она принадлежала человеку, к «крючку» цеплялись только подобные ей ДНК.
Примечательно, что этот «молекулярный крючок» позволил обнаружить останки неандертальцев даже в тех местах, где не было найдено ни их костей, ни их инструментов. Нашли даже крайне редкие ДНК одного из первых людей – «денисовского человека». Технология «крючка» может помочь ответить на давние вопросы о том, какие места и артефакты принадлежали людям, а какие – неандертальцам, и способна обнаружить даже совершенно новые, ранее неизвестные типы гоминидов.
7. Ген, который делает бабочек цветными
Когда учёные попытались выделить ДНК разнообразных крыльев бабочек, они были сильно удивлены. Вместо ожидаемого разнообразия генов они обнаружили их только два. Гены называются WntA и optix, один из них ведёт себя как карандаш, рисуя контуры изображения, а другой его раскрашивает.
Предыдущие исследования предполагали, что оба этих гена отвечают за цвета и что optix был связан с оранжевым и красным. Однако когда учёные начали экспериментировать с этими генами, выяснилось, что у них разное предназначение.
Когда отключили ген WntA, порядок исчез. Линии стали расплываться, цвета перетекали друг в друга, и весь рисунок оказался размытым. Отключение optix дало ещё более интересные результаты. Бабочки стали серыми или чёрными, и не только в области крыльев.
Неожиданный поворот произошёл в случае с бабочкой юнония коения. Синие переливающиеся пятна усеяли крылья в тех местах, где раньше их не было. Поскольку переливчатость является следствием изменения структуры крыла, это показало, что optix влияет не только на пигментацию, но и на физическую форму.
Кроме того, оба гена, как представляется, играют также важную роль в эволюционных изменениях, включая способности к мимикрии и маскировке.
6. Операция на эмбрионе
Пытаясь излечить опасное заболевание крови, китайские учёные создали в лаборатории человеческие эмбрионы. В 2017 году они провели эксперимент, в котором использовались клонированные эмбрионы и ткани, взятые у пациента, страдающего бета-талассемией.
Как и многие генетические заболевания, бета-талассемия является следствием сбоя в ДНК человека. В ДНК используются четыре азотистых основания – аденин (А), гуанин (G), цитозин (С) и тимин (T). Они полностью отвечают за формирование человека и его организма.
Ненормальность в одном из этих оснований называется точечной мутацией. Это является причиной двух третей всех генетических заболеваний. Чтобы обнаружить мутацию, приводящую к появлению бета-талассемии, учёные исследовали три миллиарда «букв» генетического кода.
Оказалось, что одна из молекул G оказалась не на своём месте. С помощью метода, называемого «редактор оснований», её заменили основанием А и впервые вылечили заболевание на уровне ДНК. Возможно, что в будущем этот редактор поможет и в излечении других наследственных заболеваний.
5. Защита кожи
Вскоре любители солнца смогут загорать, не беспокоясь о повреждении кожи. Хорошо известно, что ультрафиолетовые лучи (УФ) Солнца могут повредить ДНК и стать причиной возникновения рака.
В 2017 году у учёных возникла гениальная идея. Они создали солнцезащитный крем, сделанный с использованием ДНК из спермы лосося. Он поглощает УФ излучение с такой интенсивностью, как будто это вторая кожа. Чем дольше он находится под воздействием солнечного света, тем лучше он работает. Поэтому те, кто любит загорать часами, могут больше не беспокоиться об обезвоживании кожи. Тонкая плёнка крема удержит влагу.
У этого состава, который включает в себя воду и этанол, может быть и более широкое применение. Светоотражающая смесь может быть использована в качестве средства первой помощи при случайных ранениях. При этом его прозрачность позволит врачам осмотреть рану, не удаляя покрытие.
4. ДНК может хранить музыкальные записи
Чтобы помочь в решении проблем с хранением информации, учёные обратились к ДНК. Они решили доказать, что ни один материал не может сравниться с ДНК в плане возможностей и долговечности.
Недавно два музыкальных произведения – Smoke on the Water (Deep Purple) и Tutu (Майлз Дэвис) – были избраны для того, чтобы стать файлами ДНК. Их двоичный код был преобразован в генетические основания (A, C, G и T).
Основания расположили в соответствии с бинарными последовательностями музыки. На жёстком диске песни занимали 140 МБ, но после того, как их превратили в код ДНК, они стали едва заметным пятнышком. Файлы были восстановлены путём обратного процесса, и ни один сегмент не оказался повреждённым.
Универсальные способности ДНК говорят о том, что таким образом можно хранить не только музыку. Учёные также смогли превратить в генетический код художественный фильм, компьютерный вирус и целую компьютерную операционную систему.
Системы на основе ДНК обладают такой плотностью хранения информации, что все данные Земли можно будет хранить в одной комнате. При соблюдении правильных условий генетические файлы могут храниться в течение тысячелетий.
3. Моделирование лиц преступников
Преступники, чья генетическая информация имеется в базах данных и чьи следы остались на месте преступления, имеют все основания ненавидеть ДНК. Совпадение поможет быстро установить их личности. Однако для этого нужно, чтобы данные ДНК преступника были предварительно записаны, в противном случае эти следы ничем не помогут.
Однако последние достижения в области судебно-медицинских технологий позволяют смоделировать лицо преступника на основе его или её генетических следов. Это способ получил название «фенотипирование ДНК», он может рассказать исследователям о реальном цвете волос или глаз человека, о цвете его кожи, географии места рождения и таких более мелких деталях, как веснушки. Существует ещё много всего, что гены могут рассказать о чьём-то физическом облике. Чтобы усовершенствовать технику и получить больше точности в определении таких деталей, как черты лица, были исследованы лица и ДНК добровольцев. Затем специальная программа искала связь между генетическими особенностями и формами челюстей, щёк и носов.
Всё, что удалось установить, было положено в основу фенотипирования. Полученной информации оказалось достаточно для создания методики моделирования лиц преступников. Кроме того, этот способ можно использовать для добавления деталей к черепам неопознанных жертв.
2. Генетическое воровство
Микроскопические беспозвоночные под названием тихоходки недавно позволили взглянуть на возможности генетики с неожиданной стороны. Изучение генома этого существа позволило многое узнать о его сверхспособностях. Эти микроскопические организмы могут выживать при температуре замерзания и при температуре кипения, под невероятным давлением, в условиях радиации, а также десятилетиями обходиться без пищи и воды.
Причиной этого может быть способность тихоходки воровать гены у других форм жизни. У животных и людей подобный процесс, который называется горизонтальным переносом генов, происходит главным образом через вирусы. Большинство видов живых организмов имеют не более 1 процента инородных ДНК, в то время как у тихоходок их количество составляет 17,5 процента – это самое высокое содержание из всех обнаруженных. По примерным оценкам, около 6000 генов в организме тихоходки принадлежат бактериям, грибам, растениям и археям. У тихоходок есть специальный механизм выживания, при котором они засыхают. Это разрушает их ДНК. Во время регидратации геном вновь собирается и, возможно, поглощает чужие частички.
После своего «возрождения» тихоходки становятся более защищёнными. В частности, гены бактерий более приспособлены к экстремальным условиям, чем гены животных. Во время другого исследования было обнаружено только 500 похищенных генов, поэтому возможно, что образец с 6000 чужих генов был загрязнённым. Тем не менее, тихоходки значительно изменили наши представления об эволюции и генетическом наследовании.
1. ДНК может взламывать компьютеры
Это звучит, как надуманный сюжет криминального фильма, тем не менее, это произошло в реальной жизни – учёные взломали компьютер, используя ДНК. В 2017 году Вашингтонский университет закодировал вредоносное ПО и ввёл его в синтетическую ДНК.
Вирус запустился после того, как компьютер секвенировал код ДНК. Когда программное обеспечение перевело комбинации A, C, G и T обратно в компьютерный код, вирус предоставил исследователям полный доступ к дистанционному управлению компьютером. Хотя этот вид взлома в настоящий момент не используется, вполне возможно, что это только вопрос времени.
Цель этого необычного опыта заключалась в том, чтобы подчеркнуть, что оборудование, используемое для секвенирования, особенно то, которое использует программное обеспечение с открытым исходным кодом, является уязвимым для такого рода атак. Поскольку секвенирование ДНК и генетические базы данных очень важны для исследований во многих научных областях, вредоносное ПО, поставляемое таким образом, может привести к необратимым последствиям.
