Переносимый по воздуху генетический материал может быть использован для составления картины состояния экосистем, наблюдения за инвазивными видами и даже идентификации людей.
Райан Келли восхищен тем, что незримо витает в воздухе. “Это просто сногсшибательно”, - говорит Келли, который изучает ДНК окружающей среды (эДНК) в Вашингтонском университете. “Мы постоянно окружены информацией в виде ДНК и РНК”. Ученые уже давно извлекают ДНК из воды и почвы, но они только сейчас начали рассматривать воздух как источник генетической информации. За последнее десятилетие или около того исследователи научились измерять переносимую по воздуху ДНК, изучать ее содержание и использовать для составления общей картины обитателей экосистемы и ее здоровья. Переносимая по воздуху ДНК используется для мониторинга отдельных видов и тестируется как способ обнаружения инвазивных видов или нападений с применением биологического оружия. Она также тестируется как способ оценки успешности усилий по сохранению экосистем.
По мнению Дэвида Даффи, исследователя, специализирующегося на геномике заболеваний дикой природы в Университете Флориды, этот метод обещает объединить “все биологическое разнообразие, весь мир в единый анализ, который является действительно быстрым и может быть проведен и проанализирован даже в полевых условиях”. Но многое еще предстоит выяснить, например, как быстро ДНК распадается в воздухе и как далеко она распространяется. Часть генетического материала, полученного из воздуха, принадлежит людям, и некоторые ученые обеспокоены тем, что при использовании этого метода для исследований в области охраны природы он может непреднамеренно выявить этническую принадлежность людей или наличие у них генетических нарушений — и даже может быть использован для идентификации отдельных людей.
Почешите голову и вы выпустите в воздух богатый ДНК клеточный материал. Там она смешается с ДНК из множества других источников: вашими собственными и чужими выделениями, частицами волос, перьев, экскрементами, пыльцой и спорами, а также микроорганизмами, такими как вирусы и микроводоросли. Эта ДНК, которая может состоять из сегментов длиной в десятки тысяч пар оснований, затем будет витать в воздухе в течение нескольких дней, часто цепляясь за частицы пыли. Она может перемещаться на расстояния от нескольких метров до нескольких километров. Хотя эДНК уже регулярно собирают из воды, снега и почвы для сбора информации о биоразнообразии или для отслеживания загрязняющих веществ или вирусов, ученые обычно не отслеживают источники ДНК в воздухе, кроме пыльцы и спор — надежных упаковок, предназначенных для переноса по воздуху.
Но в начале 2010-х годов различные экологи начали задаваться вопросом, может ли воздух содержать полезные следы ДНК, помимо тех, что попали в такие переносимые ветром свертки. В 2013 году биологи Мэтт Кларк из Музея естественной истории в Лондоне и Ричард Леггетт из Института Эрлхэма, Великобритания, взяли пробы воздуха в теплице и за ее пределами. “Нам было просто интересно получим ли мы что-нибудь”, - рассказал Кларк. Тем временем в Техасском техническом университете эколог Мэтью Барнс проанализировал пробы воздуха, используя методы, разработанные для сбора переносимой водой эДНК, и обнаружил, что они изобилуют ДНК из листьев и цветов, а также типами пыльцы, которые не предназначены для переноса ветром. Тогда он осознал потенциал понимания растительных сообществ с помощью эДНК.
Но именно обнаружение ДНК тигра близ Кембриджа, Великобритания, привлекло внимание широкой общественности к возможностям ДНК, передаваемой воздушно-капельным путем. Элизабет Клэр из Йоркского университета (Канада) и Джоан Литтлфейр из Университетского колледжа Лондона хотели узнать, могут ли они найти ДНК животных в воздухе. Они собрали образцы в небольшом зоопарке в Кембриджшире, Великобритания, полагая, что смогут определить происхождение любой найденной ДНК, поскольку экзотические животные обитали только в парке. В лаборатории исследователи извлекли ДНК из образцов, амплифицировали и секвенировали ее. Они обнаружили, что могут учуять тигров на расстоянии 200 метров от их вольера, а также многих других животных зоопарка, в том числе кур, лошадей, свиней и диких животных, таких как ежи, летучие мыши и белки. В общей сложности образцы содержали ДНК 25 видов млекопитающих и птиц, в том числе 17, содержащихся в зоопарке. В другом исследовании, проведенном в Копенгагенском зоопарке, опубликованном в то же время, были получены аналогичные результаты.
“ДНК животных, переносимых по воздуху, всегда была там, просто мы никогда не искали ее”, - отмечает Саймон Крир, изучающий молекулярную экологию в Бангорском университете, Великобритания. Но именно физик нашел способ расширить масштабы применения этого метода. Джеймс Аллертон из Национальной физической лаборатории в Лондоне предложил Клэр изучить образцы, взятые британской сетью мониторинга тяжелых металлов, которая располагает 25 воздушными насосами, расположенными в городах, сельской местности и на промышленных объектах.
Исследователи изучили образцы из 15 мест сети и в прошлом году опубликовали результаты, которые, по их словам, являются первым в мире национальным исследованием биоразнообразия суши с использованием переносимой воздушно-капельным путем эДНК. Они обнаружили обычных для Великобритании животных, а также экзотические виды, таких как попугаи, и инвазивный вид рыб - толстолобика (Hypophthalmichthys molitrix), о котором ранее не сообщалось в регионе. Они обнаружили 1100 таксонов - от позвоночных до одноклеточных протистов.
Чтобы проверить надежность своего метода, исследователи сравнили свои результаты с информацией из баз данных, таких как iNaturalist, в которые наблюдатели записывают то, что они обнаруживают. iNaturalist не смог получить и половины из того, что обнаружила команда. В свою очередь, данные по эДНК не отражали 43% наблюдений натуралистов. Наблюдатели, как правило, находили больше птиц и других заметных видов вблизи человеческого жилья. По словам Литтлфейра, переносимая воздушно-капельным путем ДНК выявила больше мелких, невидимых и ночных организмов, включая грибы, лишайники, беспозвоночных и растения, отличные от деревьев. “Это действительно мощные механизмы функционирования экосистем”. По мнению ученых, этот метод является “реалистичным решением для мониторинга динамики жизни на суше”. Теперь исследователи помогают странам, имеющим аналогичные сети мониторинга, делать то же самое.
Но что, если бы можно было использовать сеть, которая прокачивает огромное количество воздуха через свои фильтры и которая хранит данные за десятилетия? В 2015 году молекулярный биолог Пер Стенберг из Университета Умео в Швеции услышал именно о такой возможности — о 70-летней истории биоразнообразия, изложенной в фрагментах ДНК, попавших на десятки тысяч фильтров и хранящихся в Шведском агентстве оборонных исследований в Стокгольме. Он был на семинаре, посвященном шведской сети обнаружения радионуклидов, созданной в конце 1950-х годов для обнаружения испытаний ядерного оружия. 25 станций засасывают сотни кубометров воздуха в час, а затем его содержимое хранится на фильтрах из стекловолокна.
Стенберг приступил к анализу фильтров со станции, расположенной к северу от Полярного круга. В то время как группа Литтлфейра искала короткие маркерные участки ДНК, идентифицирующие отдельные виды, — это называется метабаркодированием ДНК, — Стенберг использовал метод секвенирования методом дробовика, при котором ДНК разбивается на крошечные фрагменты, секвенируется и сопоставляется с известными эталонными геномами. Метод дробовика требует больше времени и энергии и более сложных статистических методов, чем метод метабаркодирования. Но результаты более детальные. Прошло четыре года, прежде чем он и его коллега Матс Форсман получили результаты. “Вирусы, бактерии, грибы, растения, животные, птицы, рыбы... кишечные паразиты лосей”, - рассказывает Стенберг. “Я имею в виду все, что там было и мы могли видеть каждый отдельный организм, который не является чрезвычайно редким в экосистеме”. Результаты показали, что методике можно доверять, говорит он. “И тогда мы подумали: вау, это то, что нам нужно изучить”.
Экологи занимаются именно этим, документируя еженедельные, сезонные и циклические колебания численности многих видов и сопоставляя их с изменениями климата. Они обнаружили долгосрочные изменения в сообществах - рост и сокращение численности сосен из—за изменений в управлении лесным хозяйством и сопутствующее сокращение численности других деревьев, мхов, лишайников и грибов. С течением времени они отследили хорошо известные ко-вариации между несколькими видами, например, между мухами и некоторыми бактериями, и обнаружили новые. По словам Стенберга, Европа усеяна станциями обнаружения радионуклидов, которые могли бы предоставить “беспрецедентную возможность реконструировать экологическую историю и выявлять происходящие изменения”.
Однако такие сети расположены в фиксированных местах. Некоторые ученые экспериментируют с более гибким мониторингом. Эрин Хан, изучающая природоохранную генетику в Австралийской национальной коллекции дикой природы, разработала и напечатала на 3D-принтере пассивные пробоотборники, которые не нуждаются в энергоснабжении, и передала их землевладельцам по всему Новому Южному Уэльсу. Ее исследование все еще находится на экспериментальной стадии. “Существует множество переменных, связанных с воздушным потоком, освещенностью, близостью к охотничьим тропам”, - поясняет Хан. “Мы только начинаем их анализировать, чтобы лучше понять, как перемещается ДНК”. В конечном счете, Хан хочет создать гибкую сеть, которая могла бы быстро определять изменения, отмечая инвазивные виды или сокращающиеся популяции, нуждающиеся в управлении.
Для правительств, компаний, ученых и защитников природы, стремящихся отслеживать состояние экосистем, переносимая по воздуху ДНК могла бы обеспечить всестороннее и регулярное считывание данных о биоразнообразии на суше. “Это означает, что мы можем быстро оценить окружающую среду до, во время и после смягчения последствий, и не просто думать, что мы улучшаем биоразнообразие, но и на самом деле иметь количественный показатель”, - говорит Даффи, который оценивает потенциал эДНК для отслеживания восстановления лесов.
Анализ ДНК также может помочь вести хронику жизнеспособности экосистем, отслеживая патогенную нагрузку и генетическое разнообразие отдельных видов. Существуют и другие экологические проблемы, которые может помочь решить переносимая по воздуху ДНК. Группа Стенберга разрабатывает модели, направленные на понимание причинно-следственных связей в экосистемах. “Мы знаем, что лисы едят кроликов, а кролики - некоторые растения и так далее”, - говорит Стенберг. “Но об экосистеме в целом — когда мы говорим о бактериях, нематодах, насекомых, растениях, животных — мы, по сути, понятия не имеем что происходит”. Более подробное изучение могло бы дать практическую информацию о том, как экосистемы реагируют на ущерб.
Но сначала нужно решить множество проблем. Почему, например, ДНК трески обнаружилась в образце, взятом в шведском лесу в 160 километрах от моря? Стенберг решил эту проблему, сопоставив ее появление с приходом сильных северных ветров. И что это значит, спрашивает Хан, если в образце, взятом у фермера, содержится ДНК крысы? Это животное вчера пробегало мимо? Или из гниющей навозной кучи сюда занесло остатки крысиных экскрементов столетней давности?
По словам Крира, существует четыре ключевых вопроса, которые будут определять, как интерпретируется переносимая по воздуху ДНК. Как ДНК попадает в окружающую среду, в каком состоянии она находится, сколько времени требуется для разложения и как она транспортируется? Эндрю Нисбет также пытается разобраться в этих вопросах. Он руководит разработкой инновационных технологий мониторинга в Natural England, правительственном консультативном органе Великобритании, который помогает защищать и восстанавливать природную среду Англии. “Если мы запустим один пробоотборник, - говорит он, - это даст нам представление о целом природном заповеднике, или нам следует установить их десять штук? Если мы запустим его на один день, этого будет достаточно?”
Нисбет считает, что переносимая воздушно-капельным путем ДНК в настоящее время менее полезна, чем такие методы, как акустическая дактилоскопия, которая использует звук для идентификации видов животных, и спутниковые данные. Сильные стороны переносимой воздушно—капельным путем ДНК изначально могут быть связаны с областями, в которых “даже одно [подтвержденное] обнаружение чего-либо отвечает на ваш вопрос - например, о появлении инвазивного вида или патогена”.
Кларк и Леггетт уделяют особое внимание этой стороне проблемы. С момента своего первого открытия, связанного с распространением ДНК растений в воздухе, они разработали технологию, которая позволяет обнаруживать известные патогены сельскохозяйственных культур за несколько недель до того, как они нанесут видимый ущерб, — информация, которая, по их словам, может позволить более рационально распылять пестициды. В этом году Кларк и Леггетт основали компанию, внедряющую технологию AirSeq, которая, по их словам, может быть использована, например, для отслеживания заболеваний человека и животных или устойчивости к противомикробным препаратам.
Одним из преимуществ таких систем является то, что они могут поглощать все, что находится в окружающей среде, и обеспечивать общее считывание данных, а не поиск конкретных патогенов. По мнению Джейми Марси, инженера компании-производителя детекторов, эта функция полезна в оборонных целях, поскольку, возможно, вам захочется обнаружить новые патогены или биологическое оружие. Первоначально в сотрудничестве с Кларком и Леггеттом он разрабатывал устройство размером с обувную коробку, которое может непрерывно брать пробы воздуха, извлекать ДНК и переводить информацию в алгоритм, который затем идентифицирует последовательности, связанные с вирулентностью или потенциально способные вызывать респираторные заболевания.
Но идея постоянного сбора ДНК, переносимой по воздуху, в общественных местах беспокоит некоторых ученых, которые высказывают опасения, аналогичные тем, которые возникают при отборе образцов ДНК в сточных водах. Сделайте глубокий вдох\выдох во время вечерней прогулки и ваша ДНК попадет в незаметно расположенный городской пробоотборник. По словам Даффи, секвенирование методом дробовика с использованием быстро развивающихся, дешевых, портативных методов, которые могут генерировать данные такого типа, может дать результаты в полевых условиях практически в режиме реального времени. Его группа доказала, что это возможно, взяв пробы воздуха и немытых оконных стекол в Дублине и Флориде, по которым они смогли отличить особей одного и того же вида животных. По этическим соображениям они не пробовали этот тип секвенирования для ДНК людей, которые оказались в их образцах, но краткий анализ выявил некоторые генетические заболевания.
Многие специалисты в этой области с опаской относятся к последствиям такого "прилова". “Если при дыхании ваша ДНК выбрасывается в воздух, как это соотносится с нашим представлением о конфиденциальности?” - говорит Келли, которая в 2023 году стала соавтором статьи, призывающей ввести мораторий на изучение ДНК человека по образцам, полученным из экологических источников, до тех пор, пока не будут согласованы глобальные принципы. В некоторых журналах уже действует мораторий — например, в журнале Environmental DNA, главным редактором которого является Крир. Крир и другие надеются создать междисциплинарную группу для оценки этических норм.
Исследователи из других отраслей заинтригованы открывающимися возможностями. Питер Гилл, судебный генетик из Университета Осло, и его коллеги изучали ДНК, переносимую воздушно-капельным путем в офисах и системах кондиционирования воздуха, на предмет ее потенциального использования в качестве инструмента судебной экспертизы. “ДНК людей, которые недавно были в здании, в течение дня или около того, безусловно, можно получить из воздуха”, - говорит Гилл. Для более долгосрочного наблюдения, по его словам, ДНК, находящаяся в воздухе, остается на поверхностях. “Вы можете смахнуть пыль с дверного порога, где обычно никто не убирает. И тогда у вас будет своего рода мини-историческая справка о людях, которые там побывали”.
Гилл считает, что переносимая воздушно-капельным путем ДНК может быть полезна в криминалистике, при условии, что будут приняты во внимание ограничения, которые аналогичны общепринятым методам анализа ДНК с поверхностей, к которым прикасались: вам нужна база данных ДНК людей, с которой можно сравнить ваш образец, а корреляция - это вероятность, а не "совпадение". Чего больше всего боятся некоторые ученые, так это негативной реакции, которая приведет к ограничению их работы. Важно действовать осторожно, говорит Крир, “чтобы это не повредило действительно захватывающей и прогрессивной области изучения биоразнообразия с использованием ДНК окружающей среды”.
