10 невероятных трюков, которые ученые впервые провернули с ДНК
Мир ДНК — это буквально кроличья нора. Каждый шаг приводит нас к новым и даже страшным открытиям. Чем больше ученые исследуют и оттачивают эти молекулы жизни, тем «страньше и страньше» становятся научные ходы. Границы между биологией и технологиями размываются, иногда к худшему. Но ДНК сама по себе дает нам простые ответы о том, как лечить сложные заболевания, хранить информацию и даже как выглядит преступник.
Живые микросхемы
Когда ученые мечтали о новом способе взглянуть на молекулы и процессы в клетках, на их пути стояла одна преграда. Они хотели создать устройство на основе ДНК, которое будет действовать как единая микросхема, включаться и выключаться. Проблема была в том, что переключатель нужно было активировать электричеством.
Наконец, ученым удалось решить эту проблему, зажав антрахиноны (вещество такое) между небольшими участками ДНК. Это природное соединение с удовольствием приспособилось к имплантации и было способно производить окислительно-восстановительные реакции.
Во время окислительно-восстановительных процессов электроны заряжают определенные молекулы, покидая другие. Результатом является электрический импульс. При стимуляции наконечником электрода антрахиноны отлично справились с этой задачи. В зависимости от того, сколько электронов они захватили, схемы либо проводили ток, либо нет.
Переключатели, каждый из которых в тысячу раз тоньше волоса, прокладывают путь для микроскопических молекулярных устройств. Адаптации этого измененного генетического кода могут позволить нам изучать химические реакции внутри клеток как никогда прежде, с особым упором на те, что связаны с болезнью.
Укол ДНК лечит хромоту
Хромые беговые скакуны сталкиваются с эвтаназией, зачастую с большими финансовыми потерями для владельца. Часто она проявляется у лошадей, которые падают или стареют, но обычные процедуры лечения слишком долгие и не гарантируют качественную жизнь в дальнейшем.
Не так давно эта страшная проблема была решена простым шприцем. Ученые взяли два гена и ввели их в ноги хромых лошадей. Результаты были поразительные. Травмы не только излечились, но и лошади вернулись на ипподром через два месяца, где участвовали в соревнованиях.
Революционные гены VEGF164 и BMP2 были введены прямо в поврежденные связки и сухожилия. ДНК поощрила развитие новых кровеносных сосудов, костей и хрящей, которые обзавелись отличной тканью. Этот метод лечения пока не является основным, но обещает изменить многое как в ветеринарных лечебницах, так и в больницах для людей. Испытуемые лошади оставались в пиковом состоянии в течение года после получения лечения, что дает надежду на то, что однажды этот метод может помочь людям с проблемами сухожилий, разрывом связок и даже травмами позвоночника.
Крючок на человека
Родословная человека остается неполной, несмотря на десятки лет исследований. Антропологи могут исследовать только то, что есть в наличии, а скелетов первых людей и других гоминид не так много. Однако новые методы позволяют находить древнюю ДНК без тел.
В Бельгии, Хорватии, Франции, России и Испании собирали грязь и просеивали на предмет человеческой ДНК. Чтобы повысить шансы, все 85 образцов были взяты из археологических объектов возрастом 14 000-550 000 лет. Результаты тестов были наводнены генами.
В одной чайной ложке песка нашли триллионы фрагментов ДНК. Шерстистые носороги, мамонты, пещерные медведи, древние гиены — все они затрудняли поиск гоминид. Чтобы убрать этот генетический шум, исследователи прибегли к рыбалке. Они создали своего рода крючок из современной митохондриальной ДНК. Так как она принадлежала человеку, она поднимала только подобную ДНК из мешанины генов.
Примечательно, что молекулярный инструмент зацепил цепочки неандертальцев в местах, где не находили ни их костей, ни инструментов. Нашлась даже ДНК от крайне редкого представителя предков, денисовского человека. Техника ловли генов на крючок может ответить на давние вопросы о том, какие места и артефакты принадлежат людям, а какие — неандертальцам или совершенно неизвестным гоминидам.
Гены-кисточки
Когда ученые искали сложную ДНК, отвечающую за красивые крылья бабочек, их ждал сюрприз. Вместо ожидаемой сети генов они нашли только два. Гены WntA и optix ведут себя как карандаш, рисующий контуры изображений, и краска, которая эти контуры окрашивает.
Предыдущие исследования предполагали участие этой пары художников и связывали optix с красным и оранжевым. Но их исключительное влияние обнаружилось только тогда, когда ученые начали экспериментировать с этими «генами-кисточками».
Когда WntA отключали, порядок исчезал. Линии тускнели, цвета сливались друг с другом, рисунки исчезали. Отключение optix приводило к более интересным результатам. Бабочки становились серыми или черными, причем не только в крыльях.
Неожиданный поворот произошел в случае обычной «глазастой» бабочки Юнония коения. Пятна синей радужки усеивали крылья там, где их раньше не было. Это показало, что optix также влияет на пигментацию на физическом уровне.
Оба гена, как представляется, приводили к основным эволюционным изменениям и способностям, включая мимикрию в качестве защиты.
Эмбриональная хирургия
В попытке вылечить опасное заболевание крови, китайские ученые создали человеческие эмбрионы в лаборатории. В 2017 году в проекте участвовали клонированные эмбрионы и ткани, взятые у пациента, страдающего бета-талассемией.
Как и многие генетические заболевания, бета-талассемия вызывается сбоем в основаниях ДНК человека. Генетический код человека состоит из четырех оснований — аденина, цитозина, гуанина и тимина (A, C, G и T). Они содержат все руководство по формированию человека и управлению телом.
Ненормальное основание называется точечной мутацией. Его всегда связывали с двумя третями генетических заболеваний. Чтобы найти точечную мутацию для бета-талассемии, ученые просканировали три миллиарда «букв» генетического кода.
Оказалось, что одна из G была не на своем месте. Метод редактирования оснований заменил его на A и вылечил заболевание на уровне ДНК. В будущем система редактирования оснований может дать положительные результаты по другим наследственным заболеваниям.
Жертвенная кожа
Любители солнца скоро смогут позагорать, не беспокоясь о повреждении кожи. Ультрафиолетовые лучи Солнца могут разрушать ДНК, а риски рака, связанные с загоранием, давно известны.
В 2017 году ученые придумали гениальную идею. Солнцезащитный крем, сделанный из ДНК спермы лосося, поглощает ультрафиолет почти так же, как вторая кожа. Чем дольше его облучает солнечный свет, тем лучше. Те, кто любит жариться часами, больше не будут переживать об обезвоживании кожи. Рыбная пленка удерживает влагу.
Применение, включающее воду и этанол, может иметь более широкое хождение, чем просто солнцезащитный крем. Это бесцветное вещество можно использовать в качестве неотложной или срочной перевязки. Его кристаллическая природа также позволит врачам наблюдать за излечением, не снимая покрытия.
ДНК может хранить музыку
Пытаясь помочь миру решить проблему с хранением информации, ученые обратились к ДНК. Они хотели доказать, что никакая другая среда не сравнится с ней по накопительной способности или надежности.
Не так давно два музыкальных произведения — Smoke on the Water (Deep Purple) и Tutu (Miles Davis) — стали файлами ДНК. Их двоичный код, цифровой язык, состоящий из единиц и нулей, был преобразован в генетические основания (A, C, G и T).
В свою очередь были созданы синтетические основания, расположенные в соответствии с бинарными последовательностями музыки. Песни занимали 140 МБ на жестком диске. Но превратившись в ДНК, они едва ли были больше пылинки. Файлы были восстановлены путем обращения процесса, и ни один сегмент не был поврежден.
Универсальная природа ДНК означает, что таким образом можно хранить не только музыку. Другая информация, которую ученые превратили в генетику, включала фильм, компьютерный вирус и даже целую компьютерную операционную систему.
Плотность такой системы позволит в один прекрасный день сохранить все данные Земли в одной комнате. При определенных условиях генетические файлы могут храниться тысячелетиями.
Определение правонарушителей по генам
Преступники с генетической информацией, которая хранится в базах данных, имеют все причины ненавидеть ДНК, оставленную ими на местах преступления. Сопоставление быстро приведет к их осуждению или поимке. Проблемой было обвинить преступника, не имея никаких предварительных записей. Если место преступления было усеяно анонимными генами, дело рисковало стать «глухим».
Новая криминалистическая техника может составить лицо преступника на основе его или ее генетических останков. Так называемое фенотипирование ДНК может рассказать исследователям о реальном цвете волос, глаз и кожи человека, географической родословной и более тонких деталях, таких как веснушки.
Гены могут многое рассказать о физическом облике человека. Чтобы усовершенствовать технику и повысить точность определения лицевых черт, ученые сканировали лица и ДНК добровольцев. Программное обеспечение ищет точки пересечения генетических точек и форм челюстей, щек и носов.
Образцы, которые были идентифицированы, сделали фенотипирование способным к предоставлению достаточной информации для компиляции цифровых снимков. С другой стороны, его можно использовать для добавления деталей к черепам неопознанных жертв.
Кража генов
Водоплавающий организм тихоходка отличается чудовищной живучестью и странными генами. Геном этого существа был секвенирован, чтобы мы больше узнали о его сверхспособностях. Эти микроскопические беспозвоночные могут выживать в космосе, при температуре замерзания и кипения, при невероятном давлении, радиации и десятилетий без пищи и воды.
Причиной всего этого может быть способность тихоходок красть гены у других форм жизни. Животные и люди проходят через этот процесс — горизонтальный перенос генов — главным образом благодаря вирусам. Большинство видов содержит 1% чужой ДНК, в то время как залежи чужих генов у тихоходок просто колоссальны — до 17,5%.
По разным оценкам, 6000 украденных генов принадлежат бактериям, грибам, растениям и археям. У тихоходок есть механизм выживания, в процессе которого они избавляются от воды. Это разрушает их ДНК. Во время регидратации геном снова собирается и, возможно, поглощает чужие кусочки.
Те, которые передаются следующему поколению, делают тихоходок более живучими. В частности, бактериальные гены более выносливым в экстремальных условиях, чем гены животных.
ДНК может взламывать компьютеры
На первый взгляд может показаться, что этот заголовок взят из фабулы фильма про шпионов. Но в 2017 году ученые в Университете Вашингтона взяли вредоносное ПО и закодировали его в синтетических основаниях ДНК.
Скачок от биологического к цифровому произошел, когда компьютер секвенировал цепочку. Когда программное обеспечение изменило комбинации A, C, G и T, превратив их обратно в компьютерный код, вирус был выпущен и предоставил ученым полноценный удаленный доступ к компьютеру. Хотя такого рода взломы не используются в настоящее время, они будут, дайте им время.
