Использование ДНК в технологии

Выделениe ДНК методом спиртового осаждения. ДНК выглядит как клубок белых нитей.

В этой статье отсутствует вступление. Пожалуйста, допишите вводную секцию, кратко раскрывающую тему статьи.

Использование ДНК в технологии

Генетическая инженерия

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

Судмедэксперты используют ДНК в крови, сперме, коже, слюне или волосах, обнаруженных на месте преступления для обнаружения преступника. Процесс идентификации называется генетическим фингерпринтингом (более точно, определением профиля ДНК). В фингерпринтинге 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].

Фингерпринтинг был изобретён 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

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

Основная статья: ДНК-компьютер

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

Основная статья: Филогенетика

Основная статья: Генетическая генеалогия

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, например, ДНК использована в идентификации десяти потерянных колен израилевых (en:Israelite Diaspora). 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

Основная статья: ДНК

Основная статья: музыка

Основная статья: биоинформатика

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].

Примечания

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
9. ↑ DNA Identification in Mass Fatality Incidents. National Institute of Justice (September 2006). Архивировано из первоисточника 25 февраля 2012.
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