Использование ДНК в технологии (Nvhkl,[kfguny :UT f my]uklkinn)

Перейти к навигации Перейти к поиску
Выделениe ДНК методом спиртового осаждения. ДНК выглядит как клубок белых нитей.

ДНК-технологии — совокупность приемов, методов и технологи по использованию дезоксирибонуклеиновых кислот в различных сферах деятельности человека.

Использование ДНК в технологии[править | править код]

Генетическая инженерия[править | править код]

См. также: ДНК-вакцина

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[править | править код]

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

Технология отпечатков была изобретена в 1984 британским генетиком Алеком Джеффрейс (Alec Jeffreys)[7] и впервые была использована 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[править | править код]

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 биоинформатических алгоритмов, которые позволяют предсказать наличие продуктов экспрессии генов до их обнаружения 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[править | править код]

Основная статья: ДНК-компьютер

ДНК впервые была использована в вычислительной технике для решения «проблемы пути Гамильтона», 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», 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[править | править код]

Основные статьи: Филогенетика и 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. 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[править | править код]

См. также: 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].

В 2012 году в Московской Государственной консерватории был создан Центр междисциплинарных исследований музыкального творчества, одной из задач которого является применение методов биоинформатики для расширения музыкального пространства.

Примечания[править | править код]

  1. ↑ Goff S. P., Berg P. Construction of hybrid viruses containing SV40 and lambda phage DNA segments and their propagation in cultured monkey cells (англ.) // Cell : journal. — Cell Press, 1976. — Vol. 9, no. 4 PT 2. — P. 695—705. — PMID 189942.
  2. ↑ Houdebine L. Transgenic animal models in biomedical research (неопр.) // Methods Mol Biol  (англ.) (рус.. — Т. 360. — С. 163—202. — PMID 17172731.
  3. ↑ Daniell H., Dhingra A. Multigene engineering: dawn of an exciting new era in biotechnology (англ.) // Curr Opin Biotechnol : journal. — 2002. — Vol. 13, no. 2. — P. 136—41. — PMID 11950565.
  4. ↑ Job D. Plant biotechnology in agriculture (англ.) // Biochimie  (англ.) (рус. : journal. — 2002. — Vol. 84, no. 11. — P. 1105—10. — PMID 12595138.
  5. ↑ Collins A., Morton N. Likelihood ratios for DNA identification (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America : journal. — 1994. — Vol. 91, no. 13. — P. 6007—11. Архивировано 27 ноября 2007 года.
  6. ↑ Weir B., Triggs C., Starling L., Stowell L., Walsh K., Buckleton J. Interpreting DNA mixtures (англ.) // J Forensic Sci  (англ.) (рус. : journal. — 1997. — Vol. 42, no. 2. — P. 213—22.
  7. ↑ Jeffreys A., Wilson V., Thein S. Individual-specific 'fingerprints' of human DNA (англ.) // Nature. — Vol. 316, no. 6023. — P. 76—9.
  8. ↑ Colin Pitchfork — first murder conviction on DNA evidence also clears the prime suspect Архивировано 14 декабря 2006 года.
  9. ↑ DNA Identification in Mass Fatality Incidents. National Institute of Justice (сентябрь 2006). Архивировано 25 февраля 2012 года.
  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. Phylogenomic inference of protein molecular function: advances and challenges (англ.) // Bioinformatics : journal. — 2004. — Vol. 20, no. 2. — P. 170—179. Архивировано 11 октября 2008 года.
  13. ↑ Mount D. M. Bioinformatics: Sequence and Genome Analysis (англ.). — 2. — Cold Spring Harbor Laboratory Press  (англ.) (рус., 2004. — ISBN 0-87969-712-1.
  14. ↑ Adleman L. Molecular computation of solutions to combinatorial problems (англ.) // Science : journal. — 1994. — Vol. 266, no. 5187. — P. 1021—4.
  15. ↑ Parker J. Computing with DNA (англ.) // EMBO Rep  (англ.) (рус. : journal. — 2003. — Vol. 4, no. 1. — P. 7—10.
  16. ↑ Ashish Gehani, Thomas LaBean and John Reif. DNA-Based Cryptography Архивная копия от 11 октября 2007 на Wayback Machine. Proceedings of the 5th DIMACS Workshop on DNA Based Computers, Cambridge, MA, USA, 14 — 15 June 1999
  17. ↑ Wray G. Dating branches on the tree of life using DNA (англ.) // Genome Biol  (англ.) (рус. : journal. — 2002. — Vol. 3, no. 1. — P. REVIEWS0001. Архивировано 24 сентября 2019 года.
  18. ↑ Андрей Ваганов, Алексей Лампси Царские останки: спор не окончен? Архивная копия от 29 сентября 2007 на Wayback Machine 2001-07-19
  19. ↑ Bhattacharya, Shaoni. «Killer convicted thanks to relative’s DNA». Архивная копия от 2 октября 2008 на Wayback Machine newscientist.com (20 April 2004). Accessed 22 Dec 06
  20. ↑ Ohno S., Ohno M. The all pervasive principle of repetitious recurrence governs not only coding sequence construction but also human endeavor in musical composition (англ.) // Immunogenetics (1986) : journal. — 1986. — Vol. 24, no. 2. — P. 71—78. Архивировано 19 июня 2017 года.
  21. ↑ Алексей Кашин. ДНК как музыка: новое слово в современном искусстве. Архивная копия от 8 апреля 2011 на Wayback Machine 2010-09-03
Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Использование_ДНК_в_технологии&oldid=130756145