По оценкам специалистов, на Земле обитают около 10 миллионов видов растений и животных. Ученые давно занимаются их изучением. Начало современной систематике представителей флоры и фауны положил шведский натуралист Карл Линней 250 лет назад. В основе его классификации — цвета, формы, особенности поведения и прочие признаки, характерные для того или иного вида живых существ. Такой способ идентификации видов используется в биологии до сих пор, хотя в последнее время стал применяться и современный — анализ геномной ДНК. Оба метода очень трудоемки и требуют высокой подготовки специалистов. Это видно хотя бы из того, что пока систематизировано менее двух миллионов видов животных и растений.
И вот сравнительно недавно появилась возможность кардинально решить проблему. Эту возможность открывает реализация Международного проекта “Штрихкодирование жизни”, в котором активно участвуют и российские ученые. Среди них — ведущий сотрудник Института биологии моря ДВО РАН доктор биологических наук Юрий КАРТАВЦЕВ. Он возглавляет координационные советы российских программ “Штрихкодирование живых форм на основе ДНК” и “Штрихкодирование видов рыб и других гидробионтов России на основе ДНК” (сопредседатель), а также Международную рабочую группу подпроекта “Fish-BOL” по Северо-Восточной Азии. Его рассказ о сути нового метода и вкладе отечественных исследователей в реализацию перспективного проекта предлагаем вниманию читателей.
Несколько лет назад канадский биолог Пол Эбер (Paul Hebert) разработал новый способ распознавания и маркировки представителей живого мира. Он рассудил, что если вместо полноразмерной ДНК тестировать только небольшую ее часть, то объем работы сократится во много раз. В качестве метки используется последовательность нуклеотидов в ДНК гена цитохромоксидазы 1, который есть у всех животных и растений. Он служит своего рода штрихкодом, подобным тому, что наносятся на упаковки товаров. Чтобы определить эту последовательность ДНК, применяется современное оборудование (амплификаторы, секвенаторы и др.), а также “химия” молекулярной генетики и генной инженерии.
Новый метод лег в основу стартовавшего в 2004 году проекта “Штрихкод жизни” (Barcoding of Life), призванного объединить усилия генетиков, зоологов, ботаников, специалистов по информатике и электронике с тем, чтобы генетическую метку мог получить каждый вид обитающих на Земле животных, растений и других организмов.
Первоначально были сформированы два подпроекта: “Fish-BOL”, по которому предполагается штрихкодировать 29 000 видов морских и пресноводных рыб, и “Птицы Северной Америки”, его задачей было кодирование 10 000 видов к 2010 году. Позже возник Консорциум по штрихкодированию живого мира (Consortium for the Barcode of Life, CBOL), а затем было предложено создать Международный проект “Штрихкодирование жизни” (International Barcode of Life Project, iBOL). Эта инициатива была озвучена и получила поддержку на второй и третьей международных конференциях “Штрихкодирование жизни” (Тайвань, 2007 г., Мексика, 2009 г.)
Проект очень актуален. Штрихкодирование на основе ДНК позволяет отнести образец к известному или к новому виду. Кроме того, это мощная, высокоэффективная добавка к морфологическим подходам. Анализ может быть распространен на все жизненные стадии и фрагменты организмов, что позволит создать новые коллекции с типовыми (паратиповыми) образцами организмов, спиртовые коллекции тканей для последующих повторных анализов (если это потребуется). Сами представители видов найдут отражение в цветных цифровых фотографиях, а любой пользователь Интернета сможет бесплатно получить доступ ко всей информации.
В наше время возможность быстро определять видовую принадлежность становится острой глобальной необходимостью. Большинство музейных коллекций находится в архаичном состоянии, а если они и развиты, то чаще всего доступны лишь узкому кругу специалистов. Точность и скорость описания биоразнообразия остается явно недостаточной. Высок риск, что мы не узнаем о биоразнообразии большей части видов, особенно простейших форм, до того как они вымрут.
Использование цифрового формата, библиотеки ДНК-штрихкодов даст возможность полностью автоматизировать идентификацию большинства образцов. Автоматизация принципиально улучшит способность человечества наблюдать, понимать и управлять биоразнообразием с существенными научными, судебно-медицинскими, эпидемиологическими и экономическими выигрышами.
Исследователи из 25 стран выразили свою поддержку крупномасштабному проекту, ориентированному на создание исчерпывающей библиотеки ДНК-штрихкодов для всех эукариотических организмов. Первая стадия организационных усилий предполагает реализацию пятилетнего проекта, совместно управляемого консорциумом учредителей и исследовательских групп, что приведет к получению ДНК-штрихкодов для 5 млн образцов, представляющих 500 тысяч видов.
Инициативу по организации дела взяли на себя лидеры по ДНК-штрихкодированию из Канады совместно с более 100 видными учеными других стран. Этот альянс позволит создать библиотеку последовательностей, информационные средства и технологии для получения ДНК-штрихкодов, как неотъемлемой части глобальной инфраструктуры биологической науки. Помимо создания этой библиотеки референтных ДНК-штрихкодов Международный проект “Штрихкодирование жизни” предполагает развить аналитические методики, технологии и биоинформационные платформы.
Выгоды международного сотрудничества в таком масштабном и непосильном для отдельно взятой страны деле, как создание глобальной библиотеки ДНК-штрихкодов, более чем очевидны. Совместные усилия позволят развить исследовательские направления участвующих в проекте государств, значительно снизить их затраты и усилия за счет бесплатного доступа к общим ресурсам.
Авторы инициативы предполагают, что участие отдельных стран будет неодинаковым, в зависимости от наличных ресурсов и национальных приоритетов в исследованиях. Учитывая это обстоятельство, предложена структурная модель с тремя уровнями участия в течение пяти лет проекта. Так называемый центральный узел предполагает финансовые обязательства в размере 25 млн долл., региональные узлы — в пределах 5 млн, а развивающиеся — 1 млн долл. Ожидается, что некоторые страны будут передвигаться с одного узла на другой и что со временем к инициативе iBOL присоединяться новые государства.
Проект строится на принципах истинного партнерства. Каждая страна может участвовать в нем с программами, учитывающими национальные исследовательские интересы, имеет право знакомиться с результатами работы других. Все будут получать прямую поддержку по разнообразным научным направлениям, в особенности от стран центрального узла. Например, Канада, обладая аналитическими средствами, информационной платформой и национальной исследовательской геномной сетью, готова:
— проводить определение последовательностей нуклеотидов (штрихкодирование),
— обеспечивать Интернет-доступ к базе данных по ДНК-штрихкодам,
— проводить стажировки по методам штрихкодирования и управления базами данных,
— осуществлять техническую помощь и предоставлять рабочие возможности для ДНК-штрихкодирования.
Проект iBOL будет развиваться при содействии Инициативы международного консорциума “Геном Канада” (Genome Canada’s International Consortium Initiative, ICI) как некоммерческая корпорация, имея должный менеджмент и финансовое обеспечение.
В России проект также получил свое развитие. В 2007 году на базе Института биологии моря им. А.В.Жирмунского Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИБМ ДВО РАН) прошло Всероссийское рабочее совещание по рыбам “Штрихкодирование видов рыб в России на основе ДНК. Интеграция в глобальную программу Fish-BOL” (Владивосток), где был образован координационный комитет этой программы. В совещании приняли участие ученые институтов ДВО РАН, Москвы и Санкт-Петербурга.
В 2008 году ИБМ стал членом CBOL и в этом же году провел Международное рабочее совещание “ДНК-штрихкодирование видов и молекулярная филогенетика”. В 2010 году в Москве прошло Всероссийское рабочее совещание “Международный проект “Штрихкодирование жизни, iBOL”, которое поставило цель вхождения РФ в международный консорциум и создало координационный совет для продвижения соответствующей инициативы в стране. Поставлена задача добиться создания межведомственной Программы РФ “Штрихкодирование живых форм на основе ДНК” с участием Минобрнауки, РАН, Минприроды, Росрыболовства, Роспотребнадзора и др.
Реализация программы штрихкодирования в России уже принесла немалые плоды. Страна интегрирована в iBOL как региональный узел. Около 7000 штрихкодов зарегистрировано в центральной базе данных программы, BOLD от РФ. По соответствующей тематике идут разработки в ряде ведущих институтов и университетов страны. Созданы и постоянно развиваются музейные коллекции, поддерживаемые в соответствии с требованиями времени. Ведутся крио-коллекции образцов представителей видов. Разрешен ряд спорных вопросов идентификации образцов фауны и флоры, импортируемых в Россию или в связи с другими запросами агропромышленного комплекса РФ. Полученные новые данные активно внедряются в учебные курсы вузов, в систему образования и просвещения. ДНК-штрихкодирование получило поддержку в виде проекта, финансируемого ДВО РАН в рамках Программы Президиума РАН “Биологическое разнообразие” и ее подпрограммы “Генофонды и генетическое разнообразие”.
Однако предстоит еще немало сделать. Отсутствуют координация исследований и сколь-нибудь серьезное финансирование этого актуальнейшего направления. Масштабные задачи, описанные выше, требуют дополнительных усилий со стороны как РАН, так и других ведомств РФ и Правительства страны в целом. Во-первых, нужна самостоятельная межведомственная программа, во-вторых, отдельная структура в составе РАН и ДВО РАН, призванная, в частности, сконцентрировать усилия энтузиастов по этому направлению.
Нет комментариев