В течение одной недели в апреле 2023 года в окрестностях парка «Сады Вашингтон Оукс» во Флориде царила суматоха.
Мимо прошла рысь, возможно, преследуя восточных серых белок. Через подлесок проскользнула гремучая змея. Пространства среди величественных дубов гудели от диких животных - летучих мышей, комаров и... людей с африканскими, европейскими и азиатскими корнями. Ученые не видели непосредственно ни одного из этих существ. Но они использовали передовую технологию обнаружения ДНК, чтобы найти доказательства их существования в крошечных частицах органического материала, плавающих в воздухе. Аналогичный анализ воздуха с улиц Дублина выявил совершенно иную, но столь же богатую картину жизни. Все вместе эти результаты, опубликованные на днях в журнале Nature Ecology & Evolution, демонстрируют потенциал инструментов обнаружения ДНК в воздухе для наблюдения за биоразнообразием, микроорганизмами, вызывающими заболевания, и инвазивными видами. Но поскольку этот метод также фиксирует генетический материал, происходящий от людей, возникают этические вопросы о том, как будет использоваться эта технология. «Это работа, расширяющая границы», - считает Райан Келли, ученый из Вашингтонского университета и эксперт по изучению применения ДНК для мониторинга окружающей среды, который не принимал участия в исследовании.
В последнее десятилетие ученые все чаще анализируют ДНК, которую организмы выделяют в воду, воздух и почву и которая известна как экологическая ДНК или эДНК. Этот подход позволил выявить вирусы, переносимые животными, которые могут вызвать следующую пандемию, и провести инвентаризацию видов в океане и на суше. Но у самого распространенного метода анализа образцов эДНК есть свои недостатки. Метабаркодирование, как его называют, может занимать от нескольких дней до нескольких недель и дает возможность увидеть лишь малую часть огромного количества последовательностей ДНК в капле воды или дуновении воздуха. Это связано с тем, что метод опирается на ограниченный набор последовательностей ДНК-«праймеров» для амплификации и последующей сортировки последовательностей, или штрих-кодов, в образце, которые являются отличительными для групп организмов, таких как рыбы или грибы, или даже для отдельных видов.
В отличие от этого, в новом исследовании использовался другой подход, известный как секвенирование методом дробовика (shotgun sequencing), при котором вся ДНК в образце случайным образом измельчается и миллиарды коротких последовательностей считываются. Компьютерные программы выявляют перекрывающиеся фрагменты и собирают их в более крупные последовательности. Некоторые подходы, использующие недавно разработанные нанопоровые секвенаторы, позволяют ученым читать длинные нити ДНК, а не измельчать их на мелкие кусочки, что дает еще более полную генетическую информацию. Полученные результаты можно сравнить с библиотеками генетических последовательностей более чем полумиллиона видов.
По мнению Дэвида Даффи, биолога из Университета Флориды и старшего автора нового исследования, в прошлом дробовое секвенирование было слишком дорогостоящим и трудоемким, чтобы использовать его для рутинной обработки образцов окружающей среды. Однако последние достижения, такие как нанопоровая технология, позволили снизить стоимость и получить результаты уже через 2 дня. По крайней мере, одна из новых машин размером меньше сигаретной пачки и может подключаться к ноутбуку, в то время как предыдущие приборы были размером с небольшой бытовой холодильник.
Даффи впервые использовал дробовое секвенирование для мониторинга заболеваний морских черепах во Флориде, ища ДНК черепах и их известных патогенов в воде и песке. В своей последней работе они закинули более широкую сеть, собирая ДНК из воздуха в тех же прибрежных районах Флориды с помощью насосов, всасывающих воздух через фильтры, и протирая поверхности, такие как окна, к которым может прилипнуть плавающая ДНК. Чтобы получить образец из большого города, они повторили процесс в Дублине. Затем они проверили образцы на наличие гораздо более широкого спектра видов. «Мы пытаемся показать, что это уже экономически эффективно, осуществимо и позволяет ответить на множество новых вопросов», - говорит Даффи.
Секвенирование ДНК с помощью метода дробовика обычно используется для поиска микроорганизмов, а не крупных организмов, но группа Даффи смогла выделить достаточно генетических деталей рыси из образца, взятого во Флориде, чтобы соотнести ее с конкретной популяцией в северной части штата. Они также собрали достаточно длинные фрагменты человеческой ДНК, чтобы идентифицировать их происхождение как восходящее к Европе, Азии и Африке. В пробах воздуха из центра Дублина, что неудивительно, была обнаружена ДНК, отражающая многолюдный международный город. По сравнению с Флоридой, здесь было больше людей, генетически связанных с разными частями света, а также 221 различных человеческих патогенов, таких как вирусы - в семь раз больше, чем в образце из флоридского леса. По признанию Саймона Крира, молекулярного эколога из Университета Бангора, эта работа стала шагом на пути к осуществлению мечты о доступном способе получения полной картины всех ДНК, присутствующих в том или ином месте. «Если вы сможете сделать шаг назад и посмотреть со стороны, то сможете получить более полное представление о том, что происходит на каждом дереве жизни», - говорит он.
Хотя широта информации, полученной из образцов, восхищает, существует опасность обмануться, получив ложные результаты при использовании метода дробовика, предостерегает Ян Гогартен, эколог по заболеваниям и эксперт по эДНК в Институте единого здоровья имени Гельмгольца. Он указывает на то, что группа Даффи выявила коровью оспу в образце морской воды во Флориде - вирус, который, как известно, не циркулирует в Северной Америке. «Это крошечный кусочек ДНК, который находится в образце. Что это значит и какой смысл вы можете из этого извлечь?» - спрашивает он.
Других настораживают этические последствия сбора любой генетической информации из воздуха. Новое исследование позволило лишь сделать вывод о широком генетическом наследии людей, чьи ДНК были получены из образцов. Однако потенциально этот метод может быть использован для идентификации людей и изучения их ДНК. Натали Рам из Школы права Университета Мэриленда, эксперт по вопросам генетической конфиденциальности, опасается, что по мере того, как методы получения эДНК становятся все более быстрыми и точными, правительства могут использовать их для отслеживания перемещений людей и информации об их здоровье на беспрецедентном уровне, особенно если ДНК можно будет собирать из воздуха.
«Не знаю, как вы, а я не испытываю особого энтузиазма по поводу массового наблюдения за человеческой ДНК со стороны правительств», - говорит она.
Крир отмечает, что это беспокоит и его. Недавно он посмотрел презентацию ученого, работающего в частной компании, которая изучает возможность создания небольшого устройства для секвенирования, которое можно было бы незаметно разместить в комнате и сканировать воздух на наличие ДНК, например, опасных вирусов. «Он не мог говорить о многих вещах, потому что большая часть его финансирования поступала от оборонных контрактов», - рассказывает Крир.
Даффи и его соавторы также обсуждают этические проблемы в своей работе и не стесняются склоняться к фантастическим возможностям. Они придумали название статьи «Навстречу трикодеру?» - отсылка к вымышленному портативному устройству, изображенному в оригинальном телесериале «Звездный путь», которое на чужих планетах могло использоваться для мгновенного сканирования на предмет наличия жизни. «Мы не утверждаем, что мы уже там», - говорит Даффи. «Мы говорим, что мы гораздо ближе к тому, чтобы это стало реальностью, чем несколько лет назад. И вы можете предвидеть, что это станет реальностью в будущем».