Naukowcy tworzą na Księżycu bank genów z Ziemi

Naukowcy pracują nad metodą przechowywania próbek genetycznych, która pozwoli na wysyłanie materiału biologicznego na Księżyc. Chcą tam stworzyć bank genów wielu gatunków, by chronić ziemską bioróżnorodność. Na pierwszy ogień wzięli niewielką rybkę z Hawajów.

Bank genów na Księżycu

.Plan ochrony zagrożonej różnorodności biologicznej Ziemi przygotowali naukowcy ze Smithsonian Institution (USA). Chcą stworzyć na Księżycu biorepozytorium, w którym byłyby przechowywane zamrożone próbki genetyczne początkowo najbardziej zagrożonych zwierząt na Ziemi, a docelowo – jak największej liczby spośród wszystkich żyjących na Błękitnej Planecie gatunków. Wyniki prac Amerykanów opublikowano w serwisie BioScience.

Autorzy badania podkreślają, że w stale zacienionych kraterach Księżyca panują tak niskie temperatury, że kriokonserwacja próbek nie wymagałaby korzystania z energii elektrycznej lub ciekłego azotu. W procesie kriokonserwacji komórki lub tkanki zwierzęce (w tym ludzkie) przechowywane są zwykle w temperaturze wrzenia ciekłego azotu, czyli -196 st. C. W takich warunkach ustaje wszelka aktywność biologiczna, m.in. reakcje biochemiczne prowadzące do śmierci komórkowej. Technologię tę stosuje się m.in. do mrożenia plemników, komórek jajowych albo zarodków powstałych w trakcie procedury in vitro.

W Instytucie Biologii Morskiej na Hawajach badacze zamrozili próbki pobrane od kilku osobników gatunku Asterropteryx semipunctata – pospolitej ryby z rodziny babkowatych występującej na rafach koralowych wokół Hawajów. Płetwy ryb zawierają łatwe w kriokonserwacji fibroblasty – komórki skóry, które są podstawowym materiałem przechowywanym w biorepozytorium należącego do Smithsonian Institution Narodowego Muzeum Historii Naturalnej w Waszyngtonie. Naukowcy zaznaczyli, że w przypadku gatunków zwierząt, które nie mają skóry, takich jak bezkręgowce, można zamrażać osobniki w różnych stadiach rozwojowych, np. larwy.

„Początkowo do księżycowego biorepozytorium trafiłby materiał biologiczny najbardziej zagrożonych ziemskich gatunków. Naszym ostatecznym celem jest jednak kriokonserwacja większości gatunków na Ziemi” – powiedziała dr Mary Hagedorn, specjalistka w dziedzinie biologii morskiej, kriobiolożka i główna autorka artykułu.

Inspiracją dla badaczy były doświadczenia Globalnego Banku Nasion Svalbard na wyspie Spitsbergen (Norwegia). Ta instytucja przechowuje zamrożone nasiona ponad miliona roślin jadalnych z całego świata. Ponieważ bank mieści się w tunelu wydrążonym w wiecznej zmarzlinie do głębokości ok. 120 m pod ziemią, jego twórcy uważali, że zamrożone próbki mogłyby w nim przetrwać nawet w przypadku awarii zasilania elektrycznego. Jednak w 2017 r. kolekcję nasion zaczęła zalewać woda z topniejącej wiecznej zmarzliny. Chociaż niebezpieczeństwo zażegnano, a budynek Globalnego Banku Nasion uszczelniono, okazało się, że zmiany klimatu zagrażają nawet ośrodkom na dalekiej Północy.

„Nasiona przechowuje się w stosunkowo łatwej do uzyskania i utrzymania temperaturze ok. -18 st. C, jednak kriokonserwacja komórek zwierzęcych w temperaturze -196 st. C wymaga stałego zapewnienia energii elektrycznej i dostaw ciekłego azotu, a także ciągłej pracy personelu. Każdy z tych trzech elementów jest potencjalnie podatny na zakłócenia, które mogą zniszczyć całą kolekcję” – tłumaczyła dr Hagedorn.

Dodała, że dlatego właśnie podjęto prace nad sposobami pasywnego utrzymania temperatury koniecznej do kriokonserwacji próbek. A ponieważ tak niskie temperatury nie występują naturalnie na Ziemi, naukowcy pomyśleli o Księżycu.

Gdzie zamieścić próbki

.Głębokie kratery w okolicach biegunów Księżyca nigdy nie są oświetlane światłem słonecznym, panują w nich temperatury sięgające ok. -240 st. C. W takich warunkach przechowywanie pojemników z próbkami nie wymagałoby dodatkowych zabiegów ani infrastruktury. Zagrożeniem dla DNA tkanek na Srebrnym Globie byłoby jednak promieniowanie kosmiczne. Dlatego autorzy badania chcą jeszcze sprawdzić m.in. to, czy możliwe byłoby stworzenie banku materiału biologicznego pod powierzchnią Księżyca lub w grubościennych bunkrach wybudowanych z tamtejszych skał.

Teraz tkanki mierzących ok. 8 cm rybek zostaną teraz poddane testom, by sprawdzić np. jak wpłyną na nie promieniowanie na Księżycu – od 200 do 1000 razy silniejsze od ziemskiego – albo mikrograwitacja. Wyniki prac posłużą m.in. opracowaniu opakowań, w których próbki byłyby dostarczone do biorepozytorium. Później badacze planują jeszcze wysłać próbki na Międzynarodową Stację Kosmiczną.

„Jeśli życie na Ziemi zostanie całkowicie zniszczone, to biorepozytorium nie będzie miało znaczenia. Ale może pomóc równoważyć skutki klęsk żywiołowych i zwiększyć możliwości podróży kosmicznych. To inne podejście do ochrony różnorodności biologicznej Ziemi. A życie jest cenne i – o ile nam wiadomo – rzadkie we wszechświecie” – powiedziała dr Hagedorn.

Smithsonian Institution (SI) to największy na świecie kompleks badawczo-edukacyjny, który składa się z 21 muzeów, Narodowego Parku Zoologicznego, centrów edukacyjnych, placówek badawczych, ośrodków kultury i bibliotek. We wszystkich jednostkach SI jest przechowywanych prawie 157 mln różnych obiektów – dzieł sztuki i okazów.

Pamięć zapisana w DNA

.Profesor IOR-PIB, Aleksandra OBRĘPALSKA-STĘPLOWSKA i profesor zwyczajny na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Jagiellońskiego, Maciej J. OGORZAŁEK, na łamach „Wszystko co Najważniejsze” twierdzą, że: „Wychodząc naprzeciw współczesnym wyzwaniom, zaczęto poszukiwać nowych rozwiązań dla pamięci o dużej gęstości, długim czasie przechowywania i niskiej cenie. Właściwości DNA, jego gęstość fizyczna i duża trwałość w znacznym stopniu spełniają wymagania dotyczące długoterminowego przechowywania dużych zbiorów danych. Prowadzone dotąd analizy ogromnych ilości danych dotyczących DNA oraz funkcjonalnych właściwości związanych z sekwencjonowaniem prowadzą nie tylko do zrozumienia mechanizmów przechowywania informacji w strukturach tego typu i ich powiązania z działaniem organizmów żywych. Badania te zwróciły też uwagę na całkiem nowe możliwości oraz doprowadziły do sformułowania nowych hipotez i problemów badawczych, w szczególności w dziedzinie informatyki. Pokazanie możliwości edycji genomów z wykorzystaniem technologii CRISPR-Cas(Nagroda Nobla dla J. Doudna i E. Charpentier) uruchomiło intensywne badania w dziedzinie biologii molekularnej, Natychmiast pojawiły się również hipotezy dotyczące możliwości zapisudowolnych danych cyfrowych w oparciu o sekwencje DNA”.

„Warto wspomnieć, że sama idea przechowywania danych w DNA pojawiła się dość dawno i wyprzedziła mocno możliwości technologiczne. Pierwsze pomysły takiego wykorzystania DNA datuje się na lata 50. XX wieku, ale faktyczną próbę wdrożenia tego rozwiązania przypisuje się Joe Davisowi, naukowcowi z Massachusetts Institute of Technology (MIT), który w latach 80. XX wieku, łącząc sztukę z nauką, postanowił zapisać w DNA starożytną germańską runę oznaczającą życie (projekt „Microvenus”). Zapis powstał najpierw w postaci binarnej, a następnie został przepisany na kod DNA o długości 28 par zasad. DNA został następnie zsyntetyzowany i wprowadzony do genomu bakterii Escherichia coli„.

„Od tego czasu eksperymentalnie zakodowano w DNA wiele danych. Na przykład w genomach dwóch bakterii, E. coli i Deinococcus radiodurans – zdolnej przeżyć w wyjątkowo ekstremalnych warunkach, w tym w próżni, przetrwać wysuszenie, dawkę promieniowania jonizującego czy ultrafioletowego – zapisano fragment piosenki dla dzieci „It’s a Small World”. Zaś wiele lat później, w ramach projektu realizowanego w Europejskim Instytucie Bioinformatyki w Hinxton, w DNA zakodowano wszystkie 154 sonety Szekspira”.

„Jak wygląda zapisywanie danych cyfrowych w DNA? Podstawowym etapem związanym z archiwizacją danych na nośniku DNA jest przekodowanie informacji cyfrowej na sekwencję nukleotydów w DNA. W przeciwieństwie do zero-jedynkowego systemu binarnego (0,1), służącego do zapisu danych, DNA funkcjonuje w kodzie 4-literowym, gdyż zbudowany jest z czterech typów nukleotydów (A, T, G, C). Opracowano już odpowiednie algorytmy „przepisujące” ciągi bitów na sekwencję DNA”.

„Kolejnym etapem jest zorganizowanie tych danych w bibliotekę do możliwie długiego przechowywania. Dzięki rozwojowi biologii syntetycznej istnieje możliwość maszynowej syntezy sekwencji DNA, w której uprzednio zakodowano dane cyfrowe, w wielu kopiach fizycznych (obecność kopii jest również istotna dla weryfikacji ewentualnych błędów w zapisie). Zsyntetyzowany materiał DNA może być następnie przechowywany in vivo (czyli sklonowany i wprowadzony do komórek organizmów żywych) lub, co jest powszechniejsze po 2012 roku, in vitro (poza organizmami żywymi, np. zamrożony w roztworze lub zliofilizowany i przechowywany w odpowiednich warunkach). Tu warto dodać, że przechowywanie danych in vivo powoduje mniejszą gęstość upakowania, a więc rośnie ich objętość, co wynika z relatywnie sporych rozmiarów komórek. Dlatego wydaje się, że w najbliższych latach będzie dominować przechowywanie danych pozakomórkowe (in vitro)” – piszą prof. Aleksandra OBRĘPALSKA-STĘPLOWSKA i prof. Maciej J. OGORZAŁEK w tekście „Pamięć zapisana w DNA.
Na styku biotechnologii i informatyki„.