Использование ДНК в технологии

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Выделениe ДНК методом спиртового осаждения. ДНК выглядит как клубок белых нитей.

Использование ДНК в технологии[править | править вики-текст]

Генетическая инженерия[править | править вики-текст]

Современные биология и биохимия интенсивно используют методы, основанные на рекомбинантной ДНК. Рекомбинантная ДНК — искусственно созданная человеком последовательность ДНК, части которой могут быть синтезированы химическим путём, с помощью ПЦР (полимеразная цепная реакция) или клонированы из ДНК различных организмов. Рекомбинантные ДНК могут быть трансформированы в клетки живых организмов в составе плазмид или вирусных векторов[1]. Генетически модифицированные животные и растения обычно содержат рекомбинантные гены, встроенные в их хромосомы. В то время как генетически модифицированные бактерии и дрожжи используются для производства рекомбинантных белков, животные используются в медицинских исследованиях[2], а растения с улучшенными пищевыми качествами — в сельском хозяйстве[3][4].

Судебно-медицинская экспертиза[править | править вики-текст]

Судмедэксперты используют ДНК в крови, сперме, коже, слюне или волосах, обнаруженных на месте преступления для обнаружения преступника. Процесс идентификации называется генетическим отпечатком (более точно, определением профиля ДНК). В отпечатке сравниваются вариабельные ДНК генома, например, короткие тандемные повторы и минисателлитные последовательности разных людей. Это очень надёжный метод определения преступников[5], хотя определение может быть затруднено при загрязнении сцены преступления ДНК других людей[6].

Технология отпечатков была изобретена в 1984 британским генетиком Алеком Джеффрейс (Alec Jeffreys)[7] и впервые был использован как доказательство в суде над Колином Питчфорком (Colin Pitchfork) в деле, где он был обвинён в убийстве и изнасиловании[8].

В настоящее время во многих западных странах, например, Великобритании у преступников, обвинённых в преступлениях некоторых типов, забирается образец ДНК для базы данных. Это помогло обнаружить виновных в ранее нераскрытых преступлениях, поскольку ДНК сохраняется на вещественных доказательствах. Ещё этот метод используется для определения личности в случае массовой гибели людей[9].

С 1 января 2009 года в России принимается федеральный закон «О государственной геномной регистрации в Российской Федерации». Геномная регистрация объявляется обязательной процедурой для определённых групп лиц (заключённые и бывшие заключённые, неустановленные лица), а также добровольной для остальных граждан. Этот закон поможет сократить количество преступлений, а также будет являться доказательством в судебных разбирательствах при решении вопросов наследования, назначении алиментов. Добровольный анализ ДНК используется при установлении отцовства/материнства, с целью получения прав родственника, или прав наследника при наследовании имущества, а также при определении генетической предрасположенности к заболеваниям или пагубной зависимости.

Биоинформатика[править | править вики-текст]

Биоинформатика включает в себя обработку данных (data mining), содержащихся в последовательности ДНК. Развитие компьютерных методов для сохранения и поиска такой информации привели к развитию применяемых и в других областях направлений информатики, как ССА (string searching algorithm), машинное обучение и базы данных[10]. Алгоритмы типа ССА, которые ищут определённую последовательность букв в большей последовательности букв, были разработаны для поиска специфических последовательностей нуклеотидов[11]. В других компьютерных приложениях, например, текстовых редакторах самые простые алгоритмы справляются с этой задачей, но последовательности ДНК относятся к наиболее трудно обрабатываемым, потому что они состоят всего из четырёх букв. Сходная проблема возникает при сравнении последовательностей из разных организмов (sequence alignment), которое используется в изучении филогенетических взаимоотношений между этими организмами и функций белков[12]. Данные, представляющие собой последовательность целых геномов, одним из наиболее сложным из которых является геном человека, трудно использовать без описания, которое указывает на положение генов и регуляторных последовательностей на каждой хромосоме. Участки ДНК, последовательности которых содержат последовательности, ассоциированные с генами, кодирующими белки или РНК, могут быть найдены с помощью специальных алгоритмов, которые позволяют предсказать наличие продуктов экспрессии генов до их выявления в результате экспериментов[13]

Изображение (А) «Плитка», которая состоит из четырёх молекул ДНК, ориентированных 90° относительно друг друга. Из этих плиток можно построить ДНК-наносеть (Б)

ДНК и компьютеры нового поколения[править | править вики-текст]

ДНК впервые была использована в вычислительной технике для решения «проблемы пути Гамильтона» (en:Hamiltonian path problem), частного случая NP-полной задачи[14]. ДНК-компьютер имеет преимущества относительно электронных компьютеров, поскольку теоретически требует меньше электричества, занимает меньше места и более эффективен из-за возможности одновременных подсчётов (см. Параллельные вычислительные системы). Другие задачи, например, «абстрактных машин» (en:Abstract machine), задача выполнимости булевых формул и вариант задачи коммивояжёра были проанализированы с помощью ДНК-компьютеров[15]. Из-за компактности ДНК она теоретически может найти применение в криптографии, где она может использоваться для конструирования одноразовых шифроблокнотов[16].

История и антропология[править | править вики-текст]

Поскольку с течением времени в ДНК накапливаются мутации, которые затем передаются по наследству, она содержит историческую информацию, поэтому генетики могут предположить эволюционную историю организмов (филогенетика)[17]. Филогенетика — метод эволюционной биологии. Если сравниваются последовательности ДНК внутри вида, эволюционные генетики могут узнать историю отдельных популяций. Эта информация может быть полезна в разных областях науки, начиная с экологической генетики и заканчивая антропологией. ДНК используется для определения отцовства и родственных взаимоотношений, например, было доказано, что третий президент США Томас Джефферсон был отцом ребёнка рабыни Салли Хемингс. В России останки семьи последнего царя Российской империи Николая II были также идентифицированы с помощью образцов ДНК, взятых у ныне живущих родственников царя[18]. Используемый в таких случаях метод похож на тот, который применяют в криминалистике (см. выше), иногда доказательством виновности является общие специфические характеристики ДНК, обнаруженной на сцене преступления и ДНК родственников преступника[19].

ДНК музыка[править | править вики-текст]

Используя нуклеотидную последовательность ДНК, можно написать музыкальную композицию. Теоретических предпосылок для осуществления перевода нуклеотидной последовательности в звуковой ряд — несколько. Первая — это то, что последовательность ДНК подпадает под понятие розовый шум, это значит — ДНК можно рассматривать как источник музыки. Вторая предпосылка — это возможность построить на основе последовательности ДНК фрактал, это соответствует принципам повторяемости звуков в музыке[20]. Третья предпосылка — это возможность итерации определённых физических характеристик нуклеотидов в слышимую область. Родоначальником ДНК музыки можно по праву считать американского биолога Дэвида Димера (David Deamer), который первым разработал алгоритм написания ДНК музыки на основе характеристики поглощения нуклеотидами света в инфракрасном спектре. На сегодняшний день ДНК музыкой профессионально занимаются несколько коллективов и композиторов, среди них — трио HUGO, композиторы Сьюзен Александер (Susan Alexjander), Стюарт Митчелл (Stuart Mitchell) и Тодд Бартон (Todd Barton). Полный обзор о ДНК музыке можно прочесть здесь[21].

В 2012 году в Московской Государственной консерватории был создан Центр междисциплинарных исследований музыкального творчества, одной из задач которого является применение методов биоинформатики для расширения музыкального пространства.

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Goff SP, Berg P (1976). «Construction of hybrid viruses containing SV40 and lambda phage DNA segments and their propagation in cultured monkey cells». Cell 9 (4 PT 2): 695–705. PMID 189942.
  2. Houdebine L. «Transgenic animal models in biomedical research». Methods Mol Biol 360: 163 – 202. PMID 17172731.
  3. Daniell H, Dhingra A (2002). «Multigene engineering: dawn of an exciting new era in biotechnology». Curr Opin Biotechnol 13 (2): 136 – 41. PMID 11950565.
  4. Job D (2002). «Plant biotechnology in agriculture». Biochimie 84 (11): 1105 – 10. PMID 12595138.
  5. Collins A, Morton N (1994). «Likelihood ratios for DNA identification». Proc Natl Acad Sci U S A 91 (13): 6007 – 11. PMID 8016106.
  6. Weir B, Triggs C, Starling L, Stowell L, Walsh K, Buckleton J (1997). «Interpreting DNA mixtures». J Forensic Sci 42 (2): 213 – 22. PMID 9068179.
  7. Jeffreys A, Wilson V, Thein S. «Individual-specific 'fingerprints' of human DNA.». Nature 316 (6023): 76 – 9. PMID 2989708.
  8. Colin Pitchfork — first murder conviction on DNA evidence also clears the prime suspect Архивировано 14 декабря 2006 года.
  9. DNA Identification in Mass Fatality Incidents. National Institute of Justice (September 2006). Архивировано 25 февраля 2012 года.
  10. Baldi, Pierre. Brunak, Soren. Bioinformatics: The Machine Learning Approach MIT Press (2001) ISBN 978-0-262-02506-5
  11. Gusfield, Dan. Algorithms on Strings, Trees, and Sequences: Computer Science and Computational Biology. Cambridge University Press, 15 January 1997. ISBN 978-0-521-58519-4.
  12. Sjölander K (2004). «Phylogenomic inference of protein molecular function: advances and challenges». Bioinformatics 20 (2): 170-9. PMID 14734307.
  13. Mount DM. Bioinformatics: Sequence and Genome Analysis. — 2. — Cold Spring Harbor Laboratory Press. — ISBN 0-87969-712-1.
  14. Adleman L (1994). «Molecular computation of solutions to combinatorial problems». Science 266 (5187): 1021 – 4. PMID 7973651.
  15. Parker J (2003). «Computing with DNA.». EMBO Rep 4 (1): 7 – 10. PMID 12524509.
  16. Ashish Gehani, Thomas LaBean and John Reif. DNA-Based Cryptography. Proceedings of the 5th DIMACS Workshop on DNA Based Computers, Cambridge, MA, USA, 14 — 15 June 1999
  17. Wray G (2002). «Dating branches on the tree of life using DNA». Genome Biol 3 (1): REVIEWS0001. PMID 11806830.
  18. Андрей Ваганов, Алексей Лампси Царские останки: спор не окончен? 2001-07-19
  19. Bhattacharya, Shaoni. «Killer convicted thanks to relative’s DNA». newscientist.com (20 April 2004). Accessed 22 Dec 06
  20. Ohno S, Ohno M. (1986). «The all pervasive principle of repetitious recurrence governs not only coding sequence construction but also human endeavor in musical composition.». Immunogenetics (1986) 24 (2): 71-78. PMID 3744439.
  21. Алексей Кашин. ДНК как музыка: новое слово в современном искусстве. 2010-09-03