Цюрихские дроны помогут собирать образцы эДНК

«Научные исследования давно стали едва ли не главной задачей современных зоопарков». Imagebroker.com Gmbh & Co. Kg / Alamy

Изучение экологической ДНК (эДНК) является относительно новым словом в экологии. Этот метод предполагает интегрированный сбор и анализ проб из окружающей среды — почвы, воды, воздуха — а не из какого-то одного отдельного источника.

В Швейцарии группа ученых и студентов Высшей технической школы Цюриха (ETHZ), ведущего швейцарского и европейского вуза технического профиля, недавно протестировала дрон (БПЛА), способный быстро и эффективно собирать образцы эДНК. В качестве тестового полигона они использовали Цюрихский зоопарк, работать в котором им приходилось еще до его открытия для массовой публики. Обитатели зоосада привыкли к шуму, но это ведь все-таки швейцарский зоопарк, здесь все происходит в соответствии с четким графиком.

Поэтому кое-кто их них, например лемуры, были немного удивлены: что делают тут у нас раним утром все эти странные существа с разными электронными устройствами? Впрочем, для них куда важнее было соблюдение режима кормления, тогда как ученые с волнением готовились провести опыт на стыке биологии и робототехники. И если все пойдет «так», то в будущем этот метод может стать огромным подспорьем в плане защиты и сохранения нашего земного биоразнообразия.

Как сообщает ООНВнешняя ссылка, «для точного анализа степени биоразнообразия требуется большой массив данных, поэтому в будущем в сборе образцов экологической ДНК будут участвовать не только ученые, но и обычные граждане, кому интересна природоохранная деятельность и небезразлично будущее планеты. Причем, не будучи учеными, они могут оказаться основоположниками нового прогрессивного метода изучения природы». Как уточняет далее ООН, метод использования эДНК сейчас уже применяется для мониторинга состояния океана. Швейцарские же ученые при помощи дронов могли бы внести вклад в революционное совершенствование методов сбора образцов такого ДНК на суше, в частности в лесах.

«Степень биоразнообразия сокращается с очень высокой скоростью еще и потому, что у нас нет сейчас инструментов и данных, необходимых для осуществления мониторинга в этой области», — объясняет профессор ETHZ и специалистка в области генетики Кристи Дайнер (Kristy Deiner). При помощи инновационных дронов она рассчитывает, ускорив сбор релевантных данных, качественно изменить ситуацию. Но сегодня ученые пока начнут с небольшого проекта, используя для этого воду из пруда по соседству. Под экологической ДНК (эДНК) они понимают все следы генетического материала, выделяемого в совокупности каждым живым организмом данного биотопа в окружающую среду. Эти следы присутствуют на самом деле везде: в воде, в воздухе, в почве, и даже на поверхности экрана устройства, на котором Вы сейчас читаете эту статью.

Видите вот эти жирные пятна на экране? Это как раз и есть образец эДНК, секвенированием которого как раз сейчас и занимаются ученые из Цюриха. Новые методы открывают перед учеными немыслимые ранее возможности. Еще совсем недавно составить список видов, обитающих в данном пруду, на данном лугу или в этом лесу, можно было только усилиями людей, которые выходили в «поле» и начинали пересчитывать «всякую тварь» буквально вручную. Теперь же в лес можно запустить дрон, который при помощи простой полоски липкого материала, вроде того, что еще недавно использовался для ловли мух, даст больше информации, чем могла бы дать целя армия биологов, неделями не вылезавшая из джунглей.

Новые инженерные решения благодаря пандемии

Последние десять лет ученые под руководством К. Дайнер работали над созданием эффективных методов и приборов анализа эДНК. Мини-лаборатория, установленная в Цюрихском зоопарке рядом с прудом, — это пока промежуточный результат их усилий. Эта лаборатория позволяет быстро секвенировать генетический материал буквально в течение нескольких часов непосредственно там, где этот материал был собран. А что такое секвенирование? Под этим понятием (sequencing) понимается общее название всех методов, позволяющих установить для данной молекулы ДНК последовательность нуклеотидов, то есть групп органических соединений, играющих ключевую роль в энергетических и информационных внутриклеточных процессах. Возможность производить секвенирование «не отходя от кассы» избавляет ученых необходимости отправлять образцы куда-то в другое место, туда, где есть нужное оборудование, что экономит деньги и снижает риск загрязнения образцов генетическим материалом, не присутствующим в исследуемой области.

«Парадоксально, но такие мини-лаборатории стали широко распространенными именно благодаря пандемии. Из-за нее за последние четыре года у нас появилось много инновационных решений, которые позволили сделать нужную для секвенирования аппаратуру мобильнее, дешевле, доступнее, что позволяет теперь проводить анализ ДНК даже там, где нет нормального энергоснабжения», — объясняет К. Дайнер. Генетика и робототехника — это две области научного познания, которые до недавнего времени очень редко пересекались. Однако, когда профессор ВТШ Стефано Минчев (Stefano Mintchev) услышал о конкурсе, организованном американским некоммерческим фондом XPRIZEВнешняя ссылка, поощряющим технологические инновации, он немедленно связался с К. Дайнер.

Вместе они создали компанию ETH biodivx, Внешняя ссылка которая в 2021 году и приняла участие в этом конкурсе. Получился идеальный научный тандем: К. Дайнер знала, как анализировать эДНК, а проф. С. Минчев умел организовывать «выезды в поле» для сбора образцов эДНК. Готовясь к конкурсу, они провели модернизацию уже имеющихся моделей дронов-квадрокоптеров, установив на них устройства, фильтрующие эДНК из воздуха, а также специальный шкив (фрикционное колесо с жёлобом или ободом по окружности, которое передаёт движение приводному ремню или канату), к которому можно было подсоединить, например, водяной насос или же специальный зонд. Это позволяло его опускать сверху в лесной массив и собирать потом, как пылесосом, весь генетический материал, осевший на листьях и ветках.

Лемуры в Зоопарке Цюриха: «И кто все эти люди»? Anthony Pandiani / Alamy

Идея на первый взгляд проста, но вот реализовать ее на практике оказалось не так-то просто. «Нам пришлось проделать большую работу по оптимизации конструкции зонда и алгоритма управления им», — объясняет проф. С. Минчев. Конкурс прошел в июне 2023 года, результаты ожидаются в конце июля, и если швейцарская команда пройдет этот этап, то она имеет шанс выйти в финал, который состоится в 2024 году в Южной Америке или Африке. В общей сложности на кону стоят 10 млн долларов, при этом победитель получит хоть и не всё, но 5 млн, что тоже неплохо. Чтобы подготовиться наилучшим образом, швейцарской команде необходимо было провести испытания в ситуации тропической растительности, которую, мягко говоря, трудно найти в Швейцарии. Но потом их осенило: да ведь у нас же в Цюрихе есть зоопарк.

Помимо лемуров, которые сначала долго протирали свои глаза, пытаясь уловить логику в действиях этих странных двуногих существ с их не менее странными и совершенно непригодными в пищу предметами, в этом зоопарке обитают около четырех десятков различных видов животных и 500 видов растений: идеальные условия для сбора совокупного эДНК. «Научные исследования давно стали едва ли не главной задачей современных зоопарков. Поэтому-то сотрудничество со сферой академической науки и является для нас сегодня приоритетной задачей», — говорит Лейла Дэвис (Leyla Davis), менеджер научно-исследовательских проектов Цюрихского зоопарка. По ее словам, у нас тут всякой твари, что называется, по паре, и все они строго каталогизированы, и лемуры тоже, что позволило исследовательской группе С. Минчева и К. Дайнер практически в режиме реального времени проверить, соответствует ли собранная эДНК видам, обитающим в рамках данного искусственного биотопа.

Дрон — научный летучий корабль

Независимо от того, чем завершится участие швейцарских ученых в конкурсе XPRIZE, инженерные решения, найденные ими, обещают оказаться полезными во многих иных областях, например в сельском хозяйстве. При помощи таких дронов можно было бы быстро обнаруживать присутствие в посевах болезней и вредителей. «Что мне нравится в использовании дронов, так это то, что они позволяют получить доступ к непроходимым, отдаленным или слишком опасным регионам и территориям, куда невозможно добраться каким-либо другим способом», — говорит Элизабет Клэр (Elizabeth Clare), биолог из Йоркского университета в Торонто (англ. York University; фр. Université York), специализирующаяся на изучении эДНК.

«Это совершенно новый этап в измерении нашего мира», — резюмирует К. Дайнер. swissinfo.ch

«Эта технология также будет очень полезна для понимания того, как весь этот генетический материал перемещается в воздухе. Однако самой большой проблемой будет автоматизация и рационализация данной технологии до степени, которая позволяла бы применять ее в промышленных масштабах. Для управления дронами все еще необходимы очень специфические навыки», — отмечает Э. Клэр. Тем временем команда ученых из ETHZ продолжает совершать открытия. Например, в природе часто встречается генетическая последовательность, которую невозможно четко атрибутировать. А если с помощью анализа эДНК можно установить, что та же последовательность появляется в других местах, то можно предположить, что ученые столкнулись с неким видом, до сих пор не открытым наукой.

По оценкам, на Земле существуетВнешняя ссылка более восьми миллионов видов растений и животных, причем в настоящее время каталогизирована только примерно четверти от этого количества. Впрочем, и все эти данные пока только лишь результат экстраполяции, основанной на темпах, с которыми наука в прошлом открывала для себя новые последовательности ДНК. «Теперь же у нас есть метод, который позволит проверить, так ли это на самом деле и насколько реалистичны такие оценки. Это совершенно новый этап в измерении нашего мира, что заставляет меня вспомнить о тех ученых и исследователях (А. фон Гумбольдт, Ч. Дарвин), которые еще в недавнем прошлом садились на корабли и отплывали в дальние страны, с тем чтобы, преодолев горы, моря и пустыни, открыть для науки ранее неведомые живые организмы. Дрон — это качественно новый вид такого корабля, и это не может не радовать», — резюмирует К. Дайнер.

Итальянскую версию отредактировала Сабрина Вайсс (Sabrina Weiss), русскоязычную версию подготовила и адаптировала: русскоязычная редакция SWI Swissinfo.