Штрихкод жизни – ещё один шаг кпониманию биоразнообразия
Консорциум по штрихкоду жизни совершенствуетразработку опознавания живых существ на базе анализа ДНК. Идейный вдохновитель и один из фаворитов проекта говорит в этом интервью об фундаментальных правилах ДНК-штрихкодирования и возможностях его применения в повседневной жизни и науке.
Доктор наук Пол Хеберт (Paul Hebert) трудится в Гуэлфском университете (University of Guelph) в Канаде. В 2003 году его исследовательская несколько разместила статью, где излагалась главная мысль ДНК-штрихкодирования. Это стало причиной огромный резонанс в научных кругах, идею штрихкодирования сразу же подхватили.
Сейчас существует множество проектов, посвящённых данной теме. Самые масштабные из них это, без сомнений, Консорциум по штрихкоду жизни (Consortium for the Barcode of Life), что стартовал ещё в 2004 году, и Интернациональный штрихкод жизни (International Barcode of Life) – начал функционировать в 2010 году (про него «Мембрана» ужерассказывала).
Эти проекты объединяют множество музеев и лабораторий в мире, в них участвуют учёные из 50 различных государств, и на них каждый год выделяются миллионы долларов.
Канадский биолог доктор наук Пол Хеберт (фото с сайта www.uoguelph.ca).
Сообщите в трёх словах, что такое ДНК-штрихкодирование?
ДНК-штрихкодирование – это ответ биологов на вопрос о том, как совладать с ведением учётной книги живых существ.
За последние 250 лет люди обрисовали 1,7-1,9 млн видов, но на отечественной планете имеется ещё большое количество неоткрытых, неописанных видов. По сути мы кроме того не знаем порядок количества видов, и в случае если в конечном счёте окажется, что существует 100 млн видов, то никто не будет удивлён.
Учёные, занимающиеся биологическим разнообразием, в далеком прошлом пробовали создать какой-нибудь способ, что разрешил бы подсчитать и опознавать все эти виды. Раньше мы приписывали конкретную особь к определённому виду на глаз: легко разглядывая её цвет и форму.
Но это не весьма действенно – существует уж через чур много видов, дабы этим занимался человеческий мозг. Вот для учёных, с которыми я тружусь, две тысячи видов – это уже целая вселенная. Разумеется, существует огромная пропасть между возможностями компьютера у нас в голове и разнообразием судьбы на планете.
Сейчас имеется другая разработка опознавания видов – ДНК-штрихкодирование. Она основана на чтении маленьких стандартных кусочков ДНК живых организмов.
Что натолкнуло вас на идею ДНК-штрихкодирования?
Я подозреваю, большая часть инноваций приходит от продолжительного жажды осознать что-то. У меня было сильное желание осознать жизнь, разнообразие видов ещё со времен, в то время, когда я был ребёнком. И мой момент-эврика произошёл в супермаркете, в то время, когда я посмотрел на штрихкод.
Мне внезапно пришло в голову: «О боже, они различают все эти товары в магазине, применяя всего лишь 13 цифр! Неужто вправду нужно знать каждую несколько нуклеотидов в ДНК, дабы отличить один вид от другого?» Тогда я поразмыслил, из-за чего бы не штрихкодировать жизнь, как это делают с продуктами в супермаркете.
Сейчас весьма дорого проанализировать целый геном организма. Мы же читаем максимально маленький сегмент ДНК – из этого и наименование «штрихкодирование».
Для определения видов животных мы используем фрагмент ДНК называющиеся COI. Это последовательность длиной около 650 пар нуклеотидов. Такая цифра выбрана для удобства разбирающей аппаратуры.
Большая часть видов возможно различить, в случае если прочесть всего 100 пар, не обязательно просматривать все 650.
Я кроме того удивлён, что это получило так прекрасно и легко.
Так выглядит сегмент ДНК-штрихкода маленькой птички называющиеся пеночка-таловка (Phylloscopus borealis).
Полосы различных цветов соответствуют нуклеиновым кислотам: цитозину (Ц), аденину (А), тимину (Т) и гуанину (Г). Данный штрихкод обозначает последовательность Ц Ц Т A T A Ц Ц TA A T Ц T T Ц Г Г A Г Ц A T Г A Г Ц Г Г Г Ц A T Г Г T A Г Г Ц… (иллюстрация iBOL).
Что именно играет роль штрихкода на химическом уровне?
Фрагмент ДНК, выбранный в качестве штрихкода, – очень неотъемлемая часть генома. COI кодирует структуру одного из белков в митохондриях и исходя из этого играется критическую роль в кислородном метаболизме, производстве АТФ и снабжении организма энергий.
Вот одна из обстоятельств, по которой мы выбрали этот ген: он так ответствен, что никакой организм не смог обойтись без него, наряду с этим живяи дышать кислородом. Для определения видов животных данный ген трудится превосходно.
А как обстоит дело с организмами, каковые смогут жить без кислорода?
Оказалось, что нет одного чудесного сегмента ДНК, что подошел бы для идентификации всех видов судьбы. Но сами правила ДНК-штрихкодирования, конечно же, возможно применить и к археям, и к бактериям, и к вирусам. И я уверен, со временем это будет сделано.
В случае если сказать о бактериях, то ответ зависит от того, аэробные это либо анаэробные бактерии. Аэробные бактерии применяют кислород, и у них имеется COI. Как я уже сказал, это весьма хороший маркер.
Анаэробные бактерии живут без кислорода, но у них имеется второй ген, что возможно применять в качестве маркера.
Но пока что отечественный проект фокусируется по большей части на эукариотах, и это уже само по себе большая миссия. Про животных я уже сказал, а вот у растений митохондрии эволюционируют весьма медлительно. Исходя из этого в том месте нам также необходимы другие маркеры.
Цветные ленты изображают ДНК-штрихкоды (сверху вниз) пчелы медоносной (Apis mellifera), шмеля (Bombus), странствующего дрозда (Turdus migratorius) и пестрого американского дрозда (Hylocichla guttata). Серые штрихи показывают генетические различия между этими видами (иллюстрация CBOL).
У различных особей одного и того же вида различная ДНК, из-за чего всё-таки возможно создать штрихкодирование?
У нас с вами определённо различные ДНК. Но в случае если мы проанализируем их штрихкодовые участки, вероятнее окажется, что они однообразные – максимум одна пара нуклеотидов окажется различной.
А вдруг сравнить человека с родными видами, к примеру шимпанзе либо гориллами, то нашлось бы около 70 отличающихся пар – нас нельзя перепутать.
Мы поняли, что у участников группы, которою в таксономии именуют видом, штрихкодовые участки ДНК весьма редко отличаются больше чем на 1%. В то время как представители различных видов в среднем показывают отличие около 10%, что как минимум в десять раз больше.
Но существуют виды, каковые всё-таки показывают региональные вариации штрихкодового участка ДНК. Особенно это относится тех видов, каковые не передвигаются на громадные расстояния.
Давайте поболтаем о технических подробностях. какое количество стоит и какое количество времени занимает анализ одного штрихкодового участка ДНК?
Сейчас самая низкая цена одного анализа – около 0,5$ США, не учитывая стоимости оборудования. Если вы торопитесь и желаете секвенировать один пример, целый процесс от начала до конца займёт всего два часа. Но в большинстве случаев мы делаем по-второму — обрабатываем образцы пачками по сотне.
Нужно ли в обязательном порядке идти в лабораторию, дабы сдать анализы, либо же возможно сделать походный комплект инструментов?
Сейчас нужно возвращаться в лабораторию. Практически всё нужное возможно носить с собою в портфеле. Всё — не считая аппарата, что делает секвенирование ДНК, он довольно-таки тяжёлый.
Я довольно часто езжу со студентами на полевые изучения в различные места. Как было бы здорово, если бы мы имели возможность проштрихкодировать все непонятные существа, каковые они приносят.
Сравнительно не так давно случился курьёзный случай. на данный момент мы трудимся в канадской арктике, в тундре. Отечественная цель – проштрихкодировать все виды, каковые в том месте видятся.
И вот как-то раз мой сотрудник приносит из тундры огромную 10-дюймовую коричневую бабочку. Я сходу определил её – это была Ascalapha odorata. Я кроме этого знал, что водится она в Мексике.
Сперва я кроме того сделал вывод, что меня желают разыграть. Дело в том, что у нас в группе был мексиканец. Вот я и поразмыслил, что это он привёз бабочку.
Но позднее стало известно, что её вправду нашли в тундре – наряду с этим кроме того были свидетели.
Про Ascalapha odorata как мы знаем, что они мигрируют. Когда-то в юные годы я обнаружил одну из них у себя в Канаде, и это была весьма северная регистрация. А эту бабочку нашли в тундре: она прилетела из Мексики и остановилась у Гудзонова залива прямо перед океаном.
Это был самый редкий «баг», что мы когда-либо штрихкодировали. Бабочку Ascalapha odorata ещё ни при каких обстоятельствах не обнаружили так на большом растоянии, и мы побили самый северный рекорд. Я думаю она погибла, дабы её заштрихкодировали.
В будущем, это будет по-второму. Я желаю, дабы все имели возможность пойти на прогулку в лес с прибором, что возможно нести в руках, организмов и считывать итог.
Имеется ли уже ясная мысль, как создать таковой портативный прибор?
Я не пологаю, что это непростая задача. Это не Star Trek. Легко нужно собрать совместно кусочки разработок, каковые дешёвы уже сейчас. Создать аппарат размером с лазерный принтер, дабы он был портативным и его возможно было повезти с собою на полевые изучения – это вовсе не безумный мысль.
Легко нужно хорошее финансирование.
Одна из целей отечественного проекта – создать спрос на таковой прибор. Мы планируем потратить миллионы американских долларов, дабы собрать библиотеку, что-то в роде телефонной книги, в которой будет 500 тысяч ДНК-штрихкодов и соответствующие им заглавия видов.
Я ощущаю, по заполнении данной библиотеки у нас будет две вещи: фактически библиотека и большое количество людей в мире, каковые будут знать, что возможно посмотреть в эту «телефонную книгу» и взять имя вида. Тогда они сильно захотят это мелкое устройство. А вот предстоящую работу мы оставляем либо физикам, либо частному сектору.
какое количество видов уже занесено в библиотеку?
Уже имеется около 170 тыс. видов. Кое-какие группы организмов представлены лучше, кое-какие хуже. Год за годом все группы будут всецело записаны.
Создание таковой библиотеки более сложное дело, чем может показаться на первый взгляд. Секвенирование ДНК весьма несложная и ясная процедура, но дабы собрать библиотеку хорошего качества, нужно выполнить большое количество работы.
Нам нужно собрать в единую базу данных данные о ДНК-штрихкодах, примерах, из которых была извлечена ДНК, в каких музеях они находятся, и о людях, каковые собрали эти образцы, идентифицировали и секвенировали их.
Мы желаем быть весьма прозрачной организацией, дабы люди имели возможность приходить к нам и присоединяться к нашей работе.
Для библиотеки ДНК-штрихкодов употребляются как свежие образцы тканей, так и образцы из музейных коллекций (иллюстрация CBOL).
Давайте поболтаем о связи таксономии с ДНК-штрихкодированем. Как идентифицируют виды хорошими способами таксономии?
На данный момент нет общепринятого стандарта. На собственное усмотрение вы имеете возможность опознавать виды по сколь угодно малому числу черт. Но вы рискуете тем, что допустите неточности либо вам просто не будут верить.
Какая точность определения видов классическими способами?
Люди проделывают довольно-таки хорошую работу классическими способами. Особенно в случае если нужно опознать что-то громадное и цветное, к примеру бабочку. Тогда около 95% видов распознаются верно.
Но точность не такая хорошая, в то время, когда у вас в распоряжении детёныш, а не взрослая особь, либо же у вас лишь части тела животного.
В случае если же вы взглянуть на другие группы животных, например, на наездников (Parasitica), то таксономические способы не так сильны – в том месте имеется большое количество незамеченных, пропущенных видов. А вдруг обратиться к несложным и существам, каковые живут в земле, – это весьма нехорошая работа.
Неприятность в том, что представители различных видов снаружи выглядят весьма похоже?
Да. И такое видится кроме того среди млекопитающих, к примеру среди тех кто, летает ночью.
Самцы летучих мышей находят самок, прислушиваясь к их пению. Им, по большому счету говоря, всё равняется, как самки выглядят.
Исходя из этого таксономия летучих мышей не прекрасна. Так как в большинстве случаев учёные-таксономисты не слушают пения летучих мышей, а наблюдают на то, как они выглядят, ну и констатируют: «они выглядят одинаково…» А если бы они слушали их пение, онисказали бы: «о боже, послушай, как тот поёт!»
Кроме того в то время, когда кое-какие из оптимальнееизвестных видов летучих мышей были изучены на молекулярном уровне, оказалось, что это два различных вида. И без того было неоднократно.
Какая точность определения видов способом ДНК-штрихкодирования?
В таковой группе, как насекомые (а они составляют львиную долю биоразнообразия на отечественной планеты), – согласование около 98%.
Но более принципиально важно второе: в каждой группе животных, на которую мы наблюдаем, мы находим виды, не увиденные
общепринятой таксономией. Никакая новая научная совокупность не желает повторять уже существующую: в случае если мы пробуем лишь повторить, это не новая информация.
И я бы заявил, что на сегодня разрешающая сила ДНК-штрихкодирования выше, чем у простой таксономии. И это кроме того в самых лёгких для классической таксономии группах.
Может ли ДНК-штрихкодирование породить совсем новую совокупность разграничения видов, не совпадающую с сейчас существующей?
Да. Я думаю, это организующий принцип, на котором будет находиться новая таксономическая совокупность. Но к совокупности Линнея также будет уважение – мы не желаем просто так забрать и выбросить 250 лет работы. По сути на данный момент мы связываем совместно данные о нуклеотидных последовательностях с таксономической информацией.
Bозможно ли, что в будущем многие виды будут иметь не имена, а просто номера, как звёзды, к примеру?
Да. Я не уверен, что человечество планирует придумывать наименование каждому виду нематод. Может оказаться, что существуют десятки миллионов видов грибов, мы просто не знаем.
Я думаю, в будущем будет большое количество групп судьбы, про каковые человечество примет решение, что их не следует обрисовывать именами на линнеевский манер. Мы создаём данный ДНК-штрихкод, что разрешает делать практически всё, что бы вам хотелось делать с простым именем.
ДНК-штрихкоды разрешают легко различать животных, каковые принадлежат к различным видам, даже в том случае, если снаружи они весьма похожи. ДНК-штрихкоды возможно применять как простые имена (иллюстрация Suz Bateson, University of Guelph).
Какие конкретно главные доводы оппонентов ДНК-штрихкодирования?
Отечественная совокупность на идеальна. Но что в мире совсем?
Одно из препятствий – это гибридизация. Время от времени представители различных видов смогут скрещиваться и давать потомство. С позиций ДНК-штрихкодирования гибриды постоянно выглядят как их мать.
Папа не привносит никакого вклада, поскольку он выпадает из игры митохондриального переноса.
К примеру, в случае если скрестить осла и кобылу, то окажется мул. В то время, когда мы проштрихкодируем мула, итог анализа сообщит, что это лошадь, но не что-то посредине между лошадью и ослом.
Вторая неприятность – сравнительно не так давно показавшиеся виды. Может произойти, что маленького участка ДНК будет не достаточно, дабы выявить юный вид.
Поведайте о ярком применении ДНК-штрихкодирования. Возможно ли применять эту разработку, дабы опознавать в далеком прошлом мёртвые организмы?
Да. Мёртвые ткани подходят, в случае если их не обрабатывали некоторыми консервантами. Мы большое количество трудимся с музейными коллекциями.
Чем старше пример, тем посильнее разрушается ДНК, и тогда с нею нужно больше повозиться, для получения результатов. С примерами, которым не более 10 лет, весьма легко работается. В случае если им больше 100 лет, то нужно посильнее поработать.
Для нас крайне важно трудиться с примерами, которым больше 200 лет, и мы это делаем.
Ну а вдруг животное погибло 1000 лет назад, это было раньше, чем то время, в то время, когда музеи стали появляться. Исходя из этого я не весьма про такое волнуюсь.
Разрешает ли разработка ДНК-штрихкодирования трудиться с тканями животных, каковые находят в вечной мерзлоте?
Это совершенный материал. Учёные всецело расшифровывали геномы громадных млекопитающих. Пара лет назад в Гренландии люди пробурили ледник полностью, добрались вниз к земляному грунту и смогли прочесть виды, каковые жили в Гренландии миллион лет назад.
Это весьма сильно!
Вечная мерзлота у вас в Российской Федерации и у нас в Канаде весьма увлекательна вследствие того что это хранилища, возможно, самых ветхих ДНК в мире.
А как по поводу ещё более ветхих материалов, к примеру динозавров?
Вероятнее, их ДНК уже окончательно утеряна, разложилась. Я не верю в то, что у нас когда-нибудь будет Парк юрского периода.
Разработка ДНК-штрихкодирования может оказать помощь людям в ответе повседневных неприятностей (фото с сайта terrycollinsassociates.blogspot.com).
Возможно ли применять ДНК-штрихкодирование, дабы разбирать пищу, к примеру выяснить, к какому виду относится уже приготовленная рыба?
Да, сваренную либо жареную рыбу возможно разбирать. Её ДНК начинает разрушаться, но вид рыбы всё-таки возможно выяснить по 100 либо 200 нуклеотидным парам – это не неприятность.
Канадское ведомство по экспертизе пищевых продуктов (CFIA), а в Соединенных Штатах управление по контролю за лекарствами и продуктами питания (FDA) применяют штрихкодирование, дабы определять виды рыбы, которая поступает в продажу, и разоблачать мошенничество.
Мы также время от времени занимаемся подобными вещами. Одна канадская компания импортировала из Китая весьма дорогой сорт кальмаров. Но от клиентов поступали жалобы на то, что эти кальмары были безвкусными и по большому счету были похожим резиновые канаты.
Мы сделали анализы, и, конечно же, оказалось, что это был вовсе не тот вид кальмара, за что они платили, а какой-то «кальмар резиновый», по причине того, что вкус у него был соответствующий.
ДНК-штрихкодирование уже употребляется для надзора в сфере торговли. И в итоге штрихкодирование возможно будет довести прямо до личного уровня. Представьте, что вы сами имели возможность бы контролировать товар прямо на полке магазина.
Разрешает ли ДНК-штрихкодирование определять не только вид животного, но и местность, откуда его привезли?
Да, само собой разумеется. У большинства видов имеется географические вариации штрихкодового участка ДНК. К примеру, вы желаете определить, ваш окунь из Женевского озера либо откуда-нибудь из Литвы.
Они оба принадлежат к одному и тому же виду Perca fluviatilis, но вы имеете возможность легко различить их при помощи ДНК-штрихкодирования.
Как возможно использовать ДНК-штрихкодирование растений?
К примеру, для проверки медицинских трав.
Ещё сравнительно не так давно мои сотрудники делали штрихкодирование травяного чая, что везде продаётся. И оказалось, что «чаинки», каковые должны были быть одним растением, в действительности были вторым. Ещё нашлось большое количество растений, которых в чае по большому счету не должно было быть.
Нет, они не были вредными, и в том месте не было ни марихуаны, ни коки. Но все равно это было любопытно. И в конечном счёте производители обеспокоились.
Как возможно применять ДНК-штрихкодирование в сельском хозяйстве?
Существуют тысячи видов насекомых, грибков и бактерий, каковые вредят сельскому хозяйству. И мало людей могут идентифицировать их. Нам вправду нужен эргономичный способ узнавания вредителей.
Дело в том, что большая часть ядов не владеет широким действием, многие из них очень особые, и на другими словами собственные обстоятельства. А время от времени лучше применять агенты по биологическому контролю.
Представьте, что фермер может прочесть ДНК-штрихкод прямо у себя в поле. Тогда он сразу же определит имя вредителя и сможет подобрать оптимальное решение проблемы.
Если вы желаете остановить распространение вредителей, их нужно распознавать на весьма ранних стадиях. Время от времени люди пробуют перехватить вредные организмы, в то время, когда они лишь попадают в страну. Людям, каковые трудятся на границе, также нужен способ распознания видов.
Пресечение вредителей – серьёзное направление в ДНК-штрихкодировании.
Какие конкретно ещё смогут быть приложения штрихкодирования в повседневной судьбе?
Я думаю, имеется большое количество занимательных приложений. ДНК-штрихкодирование употреблялось экологами, полицией а также в авиации, дабы определить, какие конкретно птицы сталкивались с самолётами.
Мы довольно часто делаем что-то в роде расследований. Мы не получаем на этом денег, легко такие штуки кажутся мне увлекательным а также интригующими. Вот сравнительно не так давно случилась такая история.
На севере Торонто была громадная фабрика, которая создавала ТВ-ужины – приготовленную и замороженную еду. в один раз с конвейера сошел ТВ-ужин с головой мыши в. В тот раз было произведено ещё 200 тыс. ужинов, и на фабрике не знали, где остальные части мыши.
Было нужно выбросить все 200 тыс. ужинов, а это стоит больших денег.
Вопрос был в том, откуда взялась мышь. Было две версии. Первая – на фабрике в Торонто водились мыши, мышке отрезало голову, и она упала в ТВ-ужин.
Вторая возможность – мишь приехала вместе с курятиной для ТВ-ужина, которую выращивали в Юго-Восточной Азии и переправляли на судах в Канаду.
Мы проштрихкодировали останки мыши и определили, что это была мышь домовая. Домовые мыши видятся и в Канаде и в Азии. Но мы были в состоянии не только выяснить, что это мышь домовая – Mus musculus, но и сообщить кроме этого, что это была домовая мышь из Азии – Mus musculus molossinus.
Люди, каковые поставляли курицу, несли ответственность за это в суде и должны были выплатить весьма солидную сумму денег.
Интернациональный штрихкод жизни – один из самых масштабных проектов, посвящённых ДНК-штрихкодированию.
Какие конкретно смогут быть сугубо научные применения ДНК-штрихкодирования?
Нескончаемое число применений, и большая часть из них мы ещё не знаем.
Люди интересуются эволюцией определённых белков. Гены, кодирующие белки, дают в таком деле самую подробную данные. Имея библиотеку штрихкодов, возможно изучать эволюцию белков.
Мы большое количество определим о возрасте видов – о том, в то время, когда как раз они показались на отечественной планете. В случае если взглянуть на внешний вид животного либо растения, то нельзя определить возраст всего вида, а вот в случае если взглянуть на нуклеотидную последовательность – возможно, в особенности если вы понимаете ДНК всех видов на материке, к примеру в Австралии.
Позже возможно сопоставлять различные характеристики, такие как размер и цвет с возрастом вида, и реконструировать траектории эволюции в прошлом.
Для некоторых изучений возможно сделать довольно-таки хорошую работу, применяя всего лишь небольшой штрихкодовый участок ДНК. Но это лишь начало немыслимой революции в понимании биологического разнообразия. Со временем полный геном будет расшифрован для каждого вида на отечественной планете – я не сомневается в этом.
