Американские и европейские исследователи продемонстрировали пригодность глубокого секвенирования ДНК методом дробовика в окружающем воздухе для быстрого и неинвазивного анализа биомов, человеческих популяций и патогенов.
Им удалось получить из образцов ДНК в воздухе самую разнообразную информацию: от присутствия аллергенов и психоактивных растений до филогенетического происхождения местной популяции рысей и гаплотипов населения. Отчет о работе опубликован в журнале Nature Ecology & Evolution.
Скорость, мощность и портативность оборудования для глубокого секвенирования постоянно растет, одновременно с этим совершенствуются методы выделения ДНК из различных образцов окружающей среды (средовая ДНК). Это открывает большие возможности для анализа биологических видов и других генетических особенностей местности. Одним из быстро развивающихся инструментов мониторинга биоразнообразия служит анализ ДНК в воздухе. В основном для этого используется прицельный метод метабаркодирования, который определяет виды по небольшим (до нескольких сотен пар оснований), но высокоспецифичным последовательностям ДНК. Его использование требует предварительного секвенирования геномов интересующих видов и составления соответствующих библиотек, при этом генетическая информация о виде в образце ограничена этими небольшими последовательностями.
Чтобы преодолеть эти ограничения, Дэвид Даффи (David Duffy) из Флоридского университета с коллегами применил секвенирование методом дробовика для панбиомного анализа образцов ДНК, собранных в разное время из воздуха с помощью фильтра в различных локациях: прибрежном лесу и пляже во Флориде, в городе, горах и эстуарии в Ирландии. Для сравнения тем же методом анализировали также воздух в помещениях и мазки с поверхностей, воду из разных источников и почву под открытым небом. Всего было собрано 78 библиотек секвенирования (30 с длинными последовательностями прочтения и 48 с короткими).
Несмотря на использование низкопроизводительного нанопорового секвенирования и бесплатной облачной платформы для метагеномного анализа CZ ID, длинные прочтения покрывали геномы некоторых организмов, включая митохондриальные, практически полностью. К примеру, митохондриальный геном моли Carposina sasakii в недельном лесном флоридском образце был реконструирован на 99 процентов, а хлоропластовый геном сосны Pinus taeda — на 87 процентов. Также по этому образцу удалось установить филогенетическое происхождение местных популяций рыси Lynx rufus и ядовитого паука Trichonephila clavipes.
Сравнение человеческой средовой ДНК в ирландских городских и загородных образцах показало, что в городском воздухе ее больше — примерно на том же уровне, что и в воде, загрязненной сточными водами. И в городских, и в лесных образцах преобладали гаплотипы индоевропейского происхождения, но в первых обнаружилось 84–87 отдельных филотипов с большей долей митохондриальной ДНК, а во вторых — лишь восемь. Отдельный полоноэкзомный анализ обогащенной методом гибридизации человеческой ДНК в воздухе помещений предоставил информацию о генетических вариантах, включая инсерции, делеции и более 217 тысяч однонуклеотидных полиморфизмов.
При изучении патогенов людей и животных ДНК из воздуха была вполне информативной, как и из мазков с поверхностей, воды и почвы. Также этот генетический материал позволил определить присутствующие в среде гены антибиотикоустойчивости, векторы распространения патогенов (насекомые и грызуны) и взаимодействия паразитов и их хозяев (на примере пчел и их клещей). Кроме того, анализ средовой ДНК из городского воздуха стабильно выявлял в нем аллергены (например, арахис и растительную пыльцу) и психоактивные природные материалы (мак, коноплю и псилоцибиновые грибы).
Таким образом, информация, содержащаяся в ДНК из воздуха, весьма обширна и может находить разнообразные применения. Она достаточно подробна, чтобы позволять получать чувствительные генетические данные о людях, из-за чего авторы работы ранее призвали к разработке этических принципов использования методики.
Автор: Олег Лищук