У всего живого на земле есть свой «ключ», которым можно его «раскрыть», то есть проанализировать гены. Этот ключ – уникальная последовательность нуклеиновых кислот ACTG, своя для каждого организма. Человеческий организм для ученых уже давно – открытая книга, испещренная письменами генов. Если кто не знал или забыл, мы живем в постгеномную эру генетики. The case of the gene: Postgenomics between modernity and postmodernity - PubMed (nih.gov)

Наступила эта эра после завершения глобального проекта «Геном человека», который длился 13 лет при участии 20 научных коллективов из разных стран мира и завершился в 2003 году финальной статьей в научном журнале Nature. Целью этой работы было определить полный геном человека, посчитать общее количество генов в нем и понять всю нуклеотидную (то есть молекулярную) последовательность молекулы ДНК. В общем, досконально разобраться с тем, как в нашем организме передается наследственная информация.

На самом деле, почти все человеческие гены уже выявлены, описаны и задокументированы. Определено даже примерное их число. Геном человека состоит из 23 пар хромосом и имеет длину около трех миллиардов пар оснований. При этом он содержит около 30 тысяч генов. Поскольку каждая базовая пара может быть закодирована двумя битами, это составляет около 750 мегабайт данных. 

Но большинству из нас – тем, кто не имеет дела с генетикой – для начала нелишним будет вспомнить азы. Итак, ген – это участок молекулы ДНК. И не просто какой-то отрезок длинной последовательности нуклеотидов, а цельная единица, носитель наследственной (генетической) информации, кочующая из поколения в поколения от одной человеческой особи к другой.

В свою очередь, геном – совокупность всего наследственного материала, то есть молекул ДНК, в клетках организма. Ген можно назвать функциональной единицей наследственности. Чтобы это не было просто набором слов, нужно понимать, что основа жизнедеятельности человеческого организма – это взаимодействие белковых молекул. А ген – это единица, которая «задает» организму инструкцию по сборке белка. Значит, ген – определяющая, судьбоносная часть человека.

Что лежит в основе генетического тестирования?

Ученые определили некоторые заложенные природой и неизменные особенности поведения основных молекул человеческой ДНК. Они определенным образом соединяются в спиралевидной форме и образуют нерушимые пары нуклеотидов. Взаимодействие и соединение нуклеотидов всегда подчиняется определенному закону. Таким образом, появляется основание для предсказания поведения молекул на любом отрезке в длинной цепи ДНК: с каждым нуклеотидом будет соседствовать определенная молекула. Этот принцип комплементарности и лег в основу теории современных генетических исследований – генотипирования. Проще говоря, генетики поняли, каким образом передается наследственная информация, зафиксировали этот механизм и пошли от обратного: по анализу отдельных частей ДНК восстанавливается целая картина. И становится возможным, например, выявление предрасположенности к наследственным заболеваниям.

Чтобы провести генетическое тестирование, у человека берут образец его ДНК (в последние годы чаще всего его извлекают из слюны, раньше анализировали кровь). Затем посредством специального прибора (секвенатора, от «секвенирование» – определение структуры ДНК) считывают последовательность расположения мономеров. Она может соответствовать образцам, которые признаны в науке эталонными, или отклоняться от них. Ученым эти отклонения, например отсутствие каких-либо генов в организме конкретного человека или мутация гена, говорят о многом. О предрасположенности к заболеваниям, рисках врожденных патологий у ожидаемого ребенка, наличии у человека талантов, о родственных связях и происхождении. Генеалогический генетический анализ предполагает сравнение образцов ДНК человека уже не с эталонными образцами, а с генетическим материалом других людей.

Болезни, родство и его степени, таланты, криминалистика, пренатальная диагностика… Это далеко не все потенциальные сферы применения генетического анализа. Он сам по себе развивается и становится всё более сложным и многоступенчатым. Геномный анализ вышел на новую стадию развития и стал метагеномным – приставка «мета» означает «более всеобъемлющий», превосходящий. Основное отличие нового метода анализа генома в том, что он эффективнее и быстрее прежнего. Метагеномный анализ предполагает расшифровку последовательностей сразу множества – фактически миллиардов – фрагментов ДНК и РНК, в то время как тестирование предыдущего поколения фокусировалось только на отдельных участках «генетического кода».

Исследованиями генома, в том числе методом метагеномного анализа, в России занимается генетическая лаборатория BioSpark (входит в группу компаний «ТехноСпарк»). Здесь проводятся микробиологическое профилирование методом секвенирования нового поколения (NGS), таргетный анализ микроорганизмов, разработка систем детекции целевых групп микроорганизмов методом ПЦР (PCR), а также сложные генетические анализы – метагеномные и транскриптомные исследования различных объектов. Причем лаборатория проводит исследования в нетипичных для современного восприятия генетики направлениях. «Исследования ДНК становятся все более привычными – сегодня их можно заказать практически в любой современной клинике, – говорит директор лаборатории Денис Никитинский. – Наиболее востребованы генетические тесты при планировании семьи, для установления отцовства, в криминалистике. Но современные методы анализа ДНК могут применяться далеко не только в судебной и медицинской сферах».

Для чего и кому могут быть нужны генетические тесты – не самые очевидные истории

Во-первых, сложные генетические исследования нужны самим ученым. Речь идет об анализе микробных сообществ, который используется в научной работе. Кроме того, у генетических тестов есть ряд более утилитарных предназначений. Некоторые из них могут если не удивить, то освежить восприятие этой темы.

Например, анализируется геном сырья для производства пива. Иначе говоря, проводится анализ наличия микробной контаминации (бактериального заражения микроорганизмов) в самом пиве или сидре, в сусле и дрожжах. У них тоже есть своя ДНК, которую можно расшифровать. Плесневые грибы, бактерии, дикие дрожжи – всё это может оказаться в составе сырья и испортить готовый продукт. Причем технолог производства, пользуясь стандартными методиками посева, не всегда может вовремя обнаружить вредные бактерии.

Итог может быть плачевным – вплоть до потери всей готовой партии дорогого крафтового пива. Современные научные методы генетической диагностики позволяют избежать таких последствий, проанализировав сырье.

Растения тоже имеют свой геном и тоже могут страдать и гибнуть из-за патогенных бактерий. Генетический анализ способен выявить наличие фитопатогенов – грибов, бактерий и вирусов – в растениях с высокой точностью. Они болеют, как и люди, и генетический анализ позволяет предсказать начало заболеваний и принять профилактические меры.

На самом деле, именно в случае с растениями генетическое тестирование играет особо важную роль. Растения «молчат», и далеко не всегда даже опытный специалист может определить, подходят ли им условия пребывания. Освещение, влажность, рН-баланс (кислотно-щелочной состав почвы), удобрения – это всегда индивидуальный «букет» условий, и если даже в одном звене растение чувствует слабину, оно подвергается риску заболевания. А потом очень быстро передает болезнь здоровым видам. Геномный анализ дает растениеводам возможность определить развитие заболеваний у растений на самом раннем этапе, когда ситуацию еще можно исправить, изменив режим содержания и обработки. Отдельно стоит упомянуть о востребованности генетических исследований спортивных газонов и городских благоустроенных территорий. Можно тестировать посадочный материал до или после закупки, чтобы повысить его выживаемость и обеспечить долгую эксплуатацию. 

Трубопроводы и прочая нефтепромысловая инфраструктура явно попрочнее растений, но тоже подвержены пагубному воздействию бактерий. Именно бактериальное заражение становится главной причиной до 40% случаев коррозии трубопроводов. Бактерии проявляют в этом случае изрядную живучесть, ведь нефтесодержащие жидкости – агрессивная среда, не слишком благоприятствующая жизнедеятельности любых организмов. Однако есть типы микроорганизмов, которые смогли приспособиться и к этой среде (условно, как если бы кто-то из нас попал в бочку с серной кислотой, но поставил задачу выжить любой ценой) и разрушают трубы изнутри. 

Чтобы вовремя зафиксировать начало разрушительных процессов в трубопроводах и найти точное место, которое необходимо обработать реагентами, и проводится генетический анализ. В ходе него анализируется ДНК технологической жидкости в трубопроводах, соскобов и свидетелей коррозии (образцов – пластинок, цилиндров и других изделий, посредством которых можно отслеживать и измерять распространение коррозии в трубе). За одно исследование можно установить сразу семь классов микроорганизмов, в том числе железо- и сероокисляющие бактерии. Это семь наиболее часто встречающихся групп «нефтепромысловых» бактерий. Они не только портят биокоррозией сами трубы, но и могут изменить состав сырой нефти.

Под землей и в земле, к счастью, есть не только трубы, но множество других интересных объектов. Интересуют они, конечно, в первую очередь археологов, и в их исследованиях генетический анализ тоже играет свою роль. С его помощью можно идентифицировать полный состав микроорганизмов в культурном слое почвы. В частности, проанализировать на наличие и состав микроорганизмов пробы грунта, собранные со стен и потолков пещер. Методы генетического анализа позволяют определить прокариотический (то есть состоящий из одноклеточных организмов – генома прокариота) и эукариотический (более высокий уровень клеток – эукариотические клетки примерно в 10 000 раз больше прокариотических по объему) состав культурного слоя пещер. Казалось бы, для чего его так уж пристально изучать? Одна из целей – выяснить уровень загрязнения, заражения пещер бактериями и грибком, которые могут приносить туристы.

Приведенные выше примеры использования генетического анализа – это логичное развитие генетики как науки в сторону прикладного применения. Разумеется, наиболее важная сфера, где генетика приносит пользу, – превентивная медицина, пренатальная диагностика и в целом здоровье людей. Но и экономика имеет значение. А вот генетическое тестирование с целью выбора подходящей диеты или определения склонности ребенка к математике – это всё еще достаточно зыбкая история. По крайней мере, достижимость этих целей со 100-процентной вероятностью в результате генетического анализа наукой пока не подтверждается. Строго говоря.