10 самых невероятных открытий и технологий, связанных с молекулой ДНК и генами

В аббревиатуре ДНК скрыто множество загадок, она обещает дать ответы на важнейшие вопросы человечества, но не все так просто... Каждый новый шаг на пути к познанию ДНК дарит нам удивительные и порой пугающие открытия. Чем больше исследователи узнают об этих волшебных молекулах, тем более интригующими становятся открывающиеся нам перспективы и возможности.

Грань между биологией и технологией становится все более тонкой и расплывчатой, как никогда ранее, и иногда становится сложно понять, хорошо ли это или плохо. Но не забывайте, что изучение ДНК также может помочь справиться с очень сложными заболеваниями и открыть любопытную информацию, а в руках следователей данные о генах могут привести к скрывающемуся преступнику. В этой подборке вас ждут самые последние новости из мира науки, посвященные инновациям, которые целиком и полностью основаны на хитросплетениях ДНК и обещают изменить нашу жизнь.

10. Живые микросхемы
Было время, когда ученые мечтали взглянуть на молекулы клеток и протекающие в них процессы поближе, но на их пути была одна серьезная преграда…

Дело в том, что исследователи хотели создать микроскопическое устройство на основе молекулы ДНК, которое бы вело себя как микросхема, и чтобы его можно было включать и выключать, как цифровое устройство. Проблема была в том, что для переключения режимов нужно было научиться использовать электричество, что для таких крошечных систем – задача весьма непростая.

Ученые наконец-то решили задачу, поместив между двумя слоями молекул ДНК антрахиноны (сложные вещества). Этот натуральный ингредиент легко перенес имплантацию и сохранил свое особенное качество – антрахиноны способны запускать окислительно-восстановительные реакции.
{banner_banner1}
Во время окислительно-восстановительного процесса электрон одновременно заряжает определенные молекулы и покидает другие. В результате и происходит желанный электрический импульс. Если антрахиноны стимулировать электродом, они справляются со своей функцией на отлично. В зависимости от количества электронов, микросхемы либо отключаются, либо проводят ток. Переключатели, каждый из которых в тысячи раз тоньше человеческого волоска, прокладывают дорогу для крошечных молекулярных устройств. Дальнейшая отладка и адаптация этого генетического кода в перспективе сможет позволить изучение химических реакций внутри клеток на абсолютно новом уровне, ранее абсолютно немыслимом и недоступном. Главной целью исследователей сейчас является поиск возможных путей лечения и профилактики сложнейших заболеваний.

9. Инъекции ДНК, помогающие излечить хромоту
Если скаковая лошадь хромает, ее обычно усыпляют, что сопряжено с большими финансовыми потерями для ее хозяина. Это очень частая практика в случае с травмированными или старыми лошадьми. Традиционное лечение требует слишком много времени и практически не дает никаких гарантий на качественное восстановление животного, а содержание больного питомца абсолютно бессмысленно для настоящих предпринимателей.

С недавних пор эта проблема перестала быть непреодолимой, и с ней справились благодаря всему одному уколу. В ходе испытаний ученые выделили 2 гена и вкололи препарат на их основе в ноги хромых лошадей. Результаты были просто ошеломительными! Травма не просто прошла – через два месяца эти лошади уже снова смогли выступать на скачках и показывали конкурентоспособные результаты. Революционные гены VEGF164 и BMP2 были введены прямо в поврежденные связки и сухожилия, и молекулы ДНК спровоцировали образование новые кровеносных сосудов, костной ткани и развитие новой хрящевой ткани. В итоге подопытные животные пришли в форму, которой гордились еще до травмы.

Инновационная терапия пока что не особо распространена, но у нее явно огромный потенциал, как в плане лечения зверей, так и для исцеления людей. Лошади, принявшие участие в эксперименте, пребывали в своей лучшей форме еще на протяжении целого года после уколов, что дает надежду на то, что люди с травмами не только связок или сухожилий, но и позвоночника, смогут вновь испытать радость движения.

8. Молекулярный крючок для поиска генов древних гоминидов
Генеалогическое древо человеческого вида до сих пор остается неполным, хотя лучшие ученые занимаются этим вопросом уже несколько десятилетий. Антропологи неустанно работали с имеющимися у них образцами, но в нашем распоряжении было слишком мало останков первых людей и гоминидов. Однако новая технология позволяет добыть информацию о старинной ДНК даже без человеческих скелетов.

В Бельгии, Хорватии, Франции, России и Испании ученые собрали образцы грунта и очистили их, чтобы выделить образцы человеческой ДНК. Повысить шанс обнаружения этого материала удалось благодаря тому, что 85 образцов земли были изъяты с мест археологических раскопок, организованных в районе остановок древних племен, чей возраст составляет от 14 000 до 550 000 лет. В лаборатории исследователям удалось обнаружить очень богатую коллекцию генов.

В одной чайной ложке песка были найдены триллионы обрывков молекул ДНК. Среди них присутствовали следы мохнатых носорогов, мамонтов, пещерных медведей и древних гиен, что несколько осложняло поиски именно человеческих генов. Чтобы удалить генетические «помехи» животного происхождения, ученые разработали специальный метод – они создали своего рода крючок из современной митохондриальной ДНК. Поскольку этот крючок принадлежал именно к человеческому виду, из общей путаницы образцов он «цеплял» только схожие по ключевым свойствам гены.

Удивительно, но молекулярный инструмент помог обнаружить ДНК неандертальцев там, где археологи не находили ни их тела, ни какие-либо артефакты, принадлежащие этому виду. Была найдена даже ДНК нашего чрезвычайно древнего предка – денисовского человека. Новая технология генной «рыбалки» может помочь ответить на самые давние вопросы о том, к какому именно виду гоминидов принадлежали некоторые неопознанные поселения или даже обнаружить неизвестные ранее виды человекообразных приматов.

7. Гены-художники
Когда генетики изучали сложную молекулу ДНК, ответственную за замысловатые узоры на крыльях бабочек, они столкнулись с настоящим сюрпризом. Вместо ожидаемой развитой сети генов ученые обнаружили всего два «виновника» разнообразия рисунков. Ими оказались гены WntA и optix. Один из них действовал как карандаш, отвечая за сами узоры (полоски, пятнышки, различные комбинации деталей), а второй разукрашивал крылья в разные цвета.

Прошлые исследования натолкнули ученых на подозрения о причастности этих генов к внешнему виду крыльев, а optix тогда связали с красным и оранжевым цветами пыльцы. Однако исключительная значимость этой парочки участков ДНК стала известна совсем недавно – после того как ученые стали проводить эксперименты с этими генными «кистями», включая и выключая их.

Когда WntA «отключали», исчезал всякий порядок и структура – линии расплывались, цвета смешивались и удивительный рисунок пропадал. При нейтрализации гена optix происходило нечто еще более интересное – бабочки становились либо черными, либо серыми, причем преображались не только их крылья, но и другие части крошечных тел подопытных насекомых.

Неожиданный поворот произошел во время экспериментов с бабочкой вида Junonia coenia.
После дезактивации гена optix ее крылья из рыжих превратились в полностью голубые с красивыми переливами. Радужные переливы и оттенки синего цвета зависят от структуры чешуек крыла, поэтому подобные мутации навели ученых на мысли о том, что ген optix влияет на пигментацию еще и на физическом уровне, подавляя структурированность этих самых чешуек. Оба гена, вероятно, отвечают за некоторые очень важные эволюционные изменения и качества, включая защитный механизм под названием мимикрия.

6. Исследование больных эмбрионов
Чтобы научиться лечить опасное заболевание крови, китайские ученые воссоздали человеческих эмбрионов. Для проекта они клонировали эмбрионов и использовали биологический материал, взятый у пациента, страдающего от бета-талассемии.

Как и многие другие генетические расстройства, бета-талассемия возникает из-за сбоя в ДНК человека. Наш генетический код состоит из 4 основных элементов - аденина, цитозина, гуанина и тимина (A, C, G, T). Эти азотистые основания содержат в себе целый учебник по формированию и функционированию человеческого тела.

Замену одного единственного основания на другое принято называть точечной мутацией, из-за которой обычно и развиваются две трети генетических заболеваний. Чтобы выявить точечную мутацию, виновную в возникновении бета-талассемии, ученые проверили 3 миллиарда этих органических соединений в генетическом коде пациента.
{banner_banner1}
Оказалось, что все дело в замене одного гуанина. Метод базового редактирования ДНК позволил заменить гуанин на аденин и впервые вылечить заболевание на генетическом уровне. По мнению экспертов в будущем базовое редактирование может оказаться полезным для борьбы со многими другими наследственными заболеваниями.

5. Вторая кожа
Любители солнца скоро смогут загорать, не переживая за свою кожу. Все мы знаем, что ультрафиолетовое излучение связано с повышенным риском заболеть раком кожи, но эта проблема скоро будет полностью решена. В 2017 году ученые разработали необычную защиту от загара. Новое средство сделано на основе ДНК спермы семги, и оно с легкостью защищает человека от вредного воздействия ультрафиолета, как если бы это была ваша вторая кожа. Чем дольше обработанный участок кожи подвержен солнечному свету, тем активнее рыбная защита. Все те, кто обожает жариться на солнышке часами, теперь наконец-то смогут забыть заодно и о сухости кожи, ведь тонкий слой инновационного средства сохраняет естественную влагу кожи и не позволяет ей пересушиться под действием обжигающих лучей.

В состав уникального раствора входят также вода и этанол, и он может быть использован не только как защита от солнечных ожогов. Бесцветное средство прекрасно подойдет для домашней аптечки, ведь им даже можно «перевязывать» раны. Кристаллическая структура «рыбного» препарата может оказаться очень актуальной для врачей, наблюдающих за восстановлением кожных покровов пациентов в тех случаях, когда очень нежелательно удалять повязки раньше времени.

4. В молекуле ДНК можно хранить музыку
Чтобы решить назревающую проблему нехватки места для хранения информации, ученые обратились к молекуле ДНК. Они захотели доказать, что никакая другая среда не сможет сравниться с генами по своей долговечности и вместительности.

Для кодирования в формат ДНК исследователи выбрали 2 музыкальных произведения – песню группы Дип Перпл (Deep Purple) «Smoke on the Water» и композицию Майлса Дэвиса (Miles Davis) «Tutu». Бинарный код этих песен, состоящий из единиц и нулей, был переведен в последовательности, состоящие из основных азотистых оснований (A, C, G, T).

Затем эти соединения синтезировали и расположили в соответствии с двоичной последовательностью избранных музыкальных композиций. В виде единиц и нулей эти песни занимали 140 мегабайт жесткого диска, а после их конвертации в молекулу ДНК они стали размером не больше микроскопической песчинки. Завершающим этапом проверки нового способа хранения информации стала обратная конвертация файла из молекулярного формата в двоичный, и ни одна композиция от этого никак не пострадала.

Универсальная природа ДНК означает, что таким образом можно хранить не только музыку. Ученым удалось закодировать фильм, компьютерный вирус и целую операционную систему. Плотность такой уникальной системы хранения файлов однажды сможет вместить всю информацию на планете в масштабах одной комнаты. При соблюдении определенных условий «генетические файлы» смогут хранить записанные на них данные целое тысячелетие. Компакт диски, например, выходят из строя намного быстрее – за несколько лет.

3. Воссоздание лиц преступников по образцам их ДНК
Преступники, чья генетическая информация попала в базу данных служб правопорядка, имеют все основания возненавидеть собственную ДНК, следы которой они нередко оставляют на местах своих злодеяний. Совпадение этих данных очень быстро посадит за решетку любого виновного. Другое дело, что расследование обычно заходит в тупик, если на месте преступления обнаружены биологические следы злоумышленника, который раньше никогда не попадался полиции.

Но совсем скоро и в этом случае следователи смогут устанавливать личность неизвестного. Например, с помощью техники, позволяющей воссоздать лицо человека на основании собранных генетических образцов. Метод назвали реконструкцией фенотипа по ДНК, и он может рассказать следователям, какого цвета у преступника волосы, глаза и кожа, откуда родом его семья, и даже есть ли у него веснушки.

Гены могут поведать ну очень многое о внешности человека. Чтобы отточить новую технологию опознания и добиться максимальной точности в реконструкции внешности, ученые просканировали лица и ДНК нескольких добровольцев. Специальное программное обеспечение сопоставило генетические маркеры с формой челюсти, щек и носа участников эксперимента, и это помогло создать алгоритм для рабочей схемы реконструкции цифровых портретов подозреваемых. Вдобавок новый способ поможет воссоздавать внешность неопознанных жертв, чьи останки на момент их обнаружения сохранились слишком плохо.

2. Кража генов
Микроскопические подводные организмы под названием тихоходки недавно не на шутку поразили ученых своей ДНК. Расшифровка генома этого существа позволила раскрыть тайну его невероятных способностей, которых раньше никто не мог объяснить.

Эти крошечные беспозвоночные организмы невероятно выносливые. Они могут выживать в космосе, в смертельном холоде (до – 271°C на протяжении 8 часов), в условиях экстремально жарких температур (1 час в кипящей воде), под воздействием высочайшего давления (до 600 МПа), радиации (до 570 000 рентген, для человека смертельная доза – всего 500 рентген) и могут обходиться без воды и еды почти 10 лет. Тардиграды (другое название типа) – настоящие супергерои царства животных!

Причиной такой живучести тихоходок, возможно, является их талант «воровать» гены других форм жизни. Более сложные животные и люди таким качеством не обладают, и оно распространено в основном среди вирусов. Процесс «кражи» назвали горизонтальным переносом генов, и большинство видов живых организмов обычно перенимают до 1% чужих ДНК, в то время как тардиграды способны «украсть» до 17,5%. В случаях такого массового переноса речь идет о почти 38 тысячах заимствованных генов, которые изначально когда-то принадлежали бактериям, грибкам, растениям и археям (животный организм).

Как это происходит? Тихоходки научились выживать за счет процесса экстремального обезвоживания (ангидробиоз). Высушивание разбивает ДНК этого организма на несколько отдельных фрагментов. Когда вновь возникают условия для нормальной жизнедеятельности, и приходит пора восстанавливаться, поврежденный геном возвращается в свое исходное состояние. Во время этого процесса поры клеток тардиграды очень сильно увеличиваются в размерах и теоретически могут захватывать и фрагменты посторонней ДНК. Следующее поколение тихоходок с более богатым генотипом становится заодно и более выносливым. Например, гены бактерий в условиях стресса ведут себя устойчивее, чем гены животных организмов, и приобретенное качество позволяет крошечным созданиям преодолевать трудности проще других своих собратьев.

Согласно другому недавнему исследованию тихоходки способны перенимать в среднем до 1% генов, что значит, что образец с 38 тысячами генов был просто испорчен (загрязнен, заражен). Даже если это и так, невероятно живучие микроскопические существа все равно изменили представления ученых об эволюции и генетическом наследовании.
{banner_banner3}
1. С помощью ДНК можно взламывать компьютеры
Это звучит как история из фильма про далекое будущее, но на самом деле такое фантастическое достижение уже было совершено в реальной жизни. Да-да, ученые взломали компьютер с помощью молекулы ДНК. В 2017 году группа исследователей из Университета Вашингтона (University of Washington) создала вредоносную программу и закодировала ее в последовательность генов.

Переход из биологического формата в цифровой произошел тогда, когда целевой компьютер секвенировал предоставленную ему синтетическую нить ДНК. Вирус был активирован и предоставил исследователям полный удаленный контроль над машиной, сразу после того как программа конвертировала комбинацию азотистых оснований A, C, G и T обратно в компьютерный код. Пока что подобный вид взломов еще очень далек от массового, но в будущем он вполне может стать опасным инструментом в руках злоумышленников.

Целью создания такого необычного вируса было продемонстрировать уязвимость дешифровального оборудования, которое использует в своей работе программное обеспечение с открытым исходным кодом. Определение последовательностей молекул ДНК и базы генетических данных становятся все более востребованными во многих научных сферах, поэтому зашифрованные таким образом вирусы теоретически могут нанести немалый вред.