Profesor Neil Gemmell nie znalazł potwora. Ale i tak był w całkiem niezłym humorze. Genetyk z nowozelandzkiego Uniwersytetu Otago spędził lato 2019 r. tropiąc Nessie – legendarnego stwora, który ma zamieszkiwać Loch Ness.
Mitycznej bestii szukano wcześniej na wiele sposobów – godzinami wgapiając się w taflę tego największego jeziora na Wyspach Brytyjskich gołym okiem, a także skanując je przy pomocy sonarów. Potwór okazał się wyjątkowo dyskretny. Jednak przed techniką zastosowaną przez Gemmella nie da się schować. Badacz pobrał 250 próbek wody z całego jeziora i wydestylował wszystkie zawieszone w niej drobiny DNA. W ten sposób zamierzał skatalogować żyjące w zbiorniku istoty. Od małży po, kto wie, plezjozaury.
„Ludzie kochają tajemnice, więc za pomocą nauki dodaliśmy nowy rozdział legendy Loch Ness” – tłumaczył badacz. Śladów plezjozaura nie stwierdzono – w próbkach w ogóle nie było DNA gadów. Analiza genów wyeliminowała też inne przyziemne wyjaśnienia zagadki. Nie znaleziono dowodów na obecność w Loch Ness sumów, jesiotrów ani rekinów grenlandzkich, które potrafią osiągać „potworne” rozmiary. Badaczom rzuciła się jednak w oczy inna ryba.
„Odkryliśmy bardzo dużą ilość DNA węgorzy. Były powszechne w każdej badanej lokalizacji. Czy są ogromne? Z naszych danych nie da się wywnioskować ich rozmiaru, ale nie możemy też wykluczyć możliwości, że osiągają duże rozmiary. Potwór z Loch Ness może być w rzeczywistości olbrzymim węgorzem” – podsumował genetyk.
Oczywiście nikt nie zakładał poważnie, że w szkockim jeziorze rzeczywiście żył prehistoryczny morski gad. Wyprawa miała jednak zademonstrować, jak potężnym narzędziem dla nauki jest badanie tzw. środowiskowego DNA (eDNA). Technologia, która nie tylko otwiera nowe okno na współczesny i dawny świat – już teraz zagraża naszej prywatności.
Co godzinę tracimy 30-40 tys. komórek skóry, z których każda zawiera pełną kopię naszego DNA. A to tylko jeden ze sposobów, w jaki rozsiewamy wokół siebie własny genom. Każde kichnięcie, każda wycieczka do łazienki, każda kropla krwi to genetyczny podpis. Bezwiednie poruszamy się w zupie z DNA miliardów żywych istot.
DNA jest kruchą cząsteczką. Poza żywym organizmem może rozpaść się już po kilku godzinach. Znane są jednak przykłady odnajdowania dającego się zidentyfikować genomu sprzed tysięcy lat, zwłaszcza w szczątkach uwięzionych w wiecznej zmarzlinie. A przy ogromnej ilości drobin materiału genetycznego trafiającego do środowiska prawdopodobieństwo odnalezienia dobrze zachowanych cząsteczek rośnie. To właśnie stoi u podstaw badań eDNA.
Dzięki powstaniu nowoczesnych urządzeń i technik analizy DNA z próbek ziemi, wody czy powietrza można obecnie uzyskać ogromną ilość informacji o stanie ekosystemu. Od oszacowania liczebności danego gatunku po tworzenie przeglądu bioróżnorodności danego środowiska. Bez względu na to, jak małe czy nieśmiałe są osobniki poszukiwanego gatunku, i tak pozostawiają po sobie genetyczne ślady. Zazwyczaj im więcej DNA danego gatunku w próbkach, tym liczniejszy jest na danym obszarze.
Nie musimy już więc wypatrzeć jakiegoś osobnika, żeby wiedzieć, że dany gatunek występuje w jakimś miejscu. Ta metoda bywa zresztą skuteczniejsza od tradycyjnych technik szacowania bioróżnorodności – zazwyczaj sprowadzających się do mozolnego zliczania osobników. I tak dzięki badaniom eDNA w 2017 r. okazało się, że w 18 fińskich strumieniach żyje dwukrotnie więcej gatunków, niż szacowano na podstawie klasycznych obserwacji.
Pomiary eDNA pozwalają monitorować populacje zagrożonych gatunków, szukać w środowisku tych inwazyjnych, a przy sprzyjających warunkach pomagają badać dawne ekosystemy. Już w 1999 r. jeden z zespołów wyizolował 57 genomów grzybów, roślin, alg i pierwotniaków z rdzeni lodowych pobranych w północnej Grenlandii. Lód, w którym je odkryto, miał 4 tys. lat.
Te same badania służą do monitorowania chorób. Analiza drobin kodu genetycznego z miejskich ścieków była jedną z metod śledzenia rozprzestrzeniania się pandemii COVID-19. Tych zastosowań może być jednak znacznie więcej. Badacze z Queen Mary University wykazali niedawno, że „węszenie” w eDNA może stanowić podstawę globalnej sieci monitorującej bioróżnorodność całej planety w czasie rzeczywistym. Nie trzeba tej sieci budować – ona już istnieje.
Autorzy raportu przedstawionego w „Current Biology” przetestowali filtry z dwóch stacji mierzących jakość powietrza w Wielkiej Brytanii – w londyńskim parku i w wiosce pod Edynburgiem. W filtrach udało się zidentyfikować DNA ponad 180 gatunków grzybów, owadów, ssaków, ptaków, płazów i roślin. Analizując zatem materiał zebrany przez czujniki smogu, naukowcy są w stanie badać to, jakie gatunki występują w okolicy. Ale na tym nie koniec. W ramach pomiarów zanieczyszczeń powietrza wiele instytucji naukowych tworzy archiwa filtrów ze swoich stacji, często sięgające lata czy dekady wstecz. DNA znajdujące się na tych archiwalnych filtrach może ujawnić, jak bioróżnorodność zmieniała się w czasie.
„Potencjał tego rozwiązania jest trudny do przecenienia. Prawie każdy kraj ma jakąś sieć czujników do monitorowania zanieczyszczeń powietrza. To rozwiązuje problem badania bioróżnorodności na wielką skalę” – mówiła „Guardianowi” liderka zespołu badaczy, Joanne Littlefair z Queen Mary University.
O ile jednak znajdujemy ogromne ilości DNA, o tyle często nie daje się ustalić, do jakiego stworzenia ono należy. To wyzwanie nie tylko w kontekście nieznanych jeszcze gatunków. Wiele mało „charyzmatycznych” stworzeń nie doczekało się jeszcze zsekwencjonowania swoich genomów – ich danych nie ma więc w publicznych bazach.
Prof. David Duffy miał odwrotny problem. Gdzie nie pobrał próbek, tam znajdował DNA gatunku bardzo dobrze znanego. Choć wcale go nie szukał.
Pracownik Laboratorium Biologii Morskiej Uniwersytetu Florydy chciał badać eDNA wirusów, które wywołują u żółwi morskich nowotwory. Gdy jego zespół pobrał próbki z miejsc gniazdowania gadów i ze zbiorników wodnych, w których żyły, oprócz DNA żółwi i ich wirusów znaleziono długie fragmenty ludzkiego genomu. Na ich podstawie dało się zidentyfikować płeć osób, od których pochodzą.
Duffy postanowił sprawdzić, czego jeszcze można dowiedzieć się z tego ludzkiego genetycznego „szlamu”. Pobrano kolejne próbki – ze strumienia przepływającego przez St. Augustine na Florydzie. W raporcie przedstawionym w maju w „Nature Ecology & Evolution” badacze ujawnili, że z eDNA da się pozyskać informacje dotyczące zdrowia i pochodzenia okolicznych mieszkańców.
W próbce wody wielkości puszki coli znalazło się wystarczająco wiele mitochondrialnego DNA – dziedziczonego przez ludzi po matkach – by stworzyć mapę genetycznego pochodzenia populacji zamieszkującej okolice strumienia. Ustalenia pokrywały się z danymi z najnowszego spisu powszechnego. Zaobserwowano też kluczowe mutacje powiązane z cukrzycą, chorobami serca i wzroku. A w jednym przypadku także rzadką, dziedziczną chorobę neurodegeneracyjną, dającą objawy po 40. roku życia. „Wszystkie te bardzo osobiste dane związane z pochodzeniem czy stanem zdrowia są swobodnie dostępne. Po prostu latają w powietrzu” – podsumował Duffy.
Monitorowanie środowiskowego DNA może być więc wykorzystywane do dyskretnego podglądania populacji. Kluczowym pytaniem staje się, kto będzie korzystał z tych technik i w jakim celu. Bo mogą one znaleźć zastosowanie zarówno w nowoczesnych, wolnych społeczeństwach, jak i w krajach totalitarnych.
Od dawna nikt nie miał wątpliwości, że ludzkie DNA trafia w ogromnych ilościach do środowiska, jednak naukowcy długo byli przekonani, że podwójna helisa zbyt szybko ulega degradacji. I sądzili, że z poszatkowanego genomu nie da się wydobyć informacji identyfikujących daną osobę. Chyba że DNA pochodziłoby z dających się jasno powiązać z konkretną osobą próbek, takich jak ślady krwi czy osad na powierzchni przedmiotów, których jakiś człowiek mógł dotknąć.
Dane zebrane przez zespół Duffy’ego nie mogłyby zostać bezpośrednio zastosowane przez policję czy inne służby. Amerykański wymiar sprawiedliwości, używając DNA do identyfikowania osób, bierze pod uwagę 20 markerów rozrzuconych po całym genomie. Składają się one na opracowany przez FBI system CODIS (Combined DNA Index System). System działa jedynie wtedy, kiedy jest pewność, że wszystkie 20 markerów pochodzi od jednej osoby. We florydzkim strumieniu znaleziono fragmenty DNA należące do nieznanej, ale znacznej liczby ludzi. Złożenie z nich profili pozwalających na zidentyfikowanie poszczególnych ludzi to puzzle o poziomie złożoności obecnie przekraczającym nasze możliwości, a być może w ogóle niemożliwe do rozgryzienia.
Ale identyfikacja konkretnych osób za pomocą eDNA jest już wykonalna – na mniejszą skalę. W zeszłym roku badacze ze szpitala uniwersyteckiego Oslo opracowali technikę pozyskiwania ludzkiego DNA z próbek powietrza. Gdy system zastosowano w zamkniętym pomieszczeniu – w biurze – uczeni byli w stanie zrekonstruować kompletne profile CODIS pracujących tam ludzi.
W sierpniowym wydaniu „Forensic Science International” Nathaniel Boger i Murat Ozer ze Szkoły Technologii Informacyjnych Uniwersytetu Cincinnati zaproponowali zaś system,, który za pomocą rozsianych w sieci kanalizacyjnej czujników pozwalałby na namierzanie na określonym obszarze poszukiwanych przez władze osób – zaginionych lub przestępców.
„Umieszczenie czujników stale testujących wodę pod kątem DNA w strategicznych punktach sieci kanalizacyjnej pozwoli wykryć materiał genetyczny poszukiwanej osoby” – piszą autorzy. Na razie budowa takiej sieci czujników może nie być technicznie możliwa lub opłacalna. Ale tempo rozwoju narzędzi do wyszukiwania eDNA jest tak wysokie, że tę granicę możemy przekroczyć bardzo szybko.
Już dziś jednak naukowcy mają problem – publicznie dostępne bazy danych pozyskanych podczas dotychczasowych badań eDNA mogą zawierać prywatne informacje na temat wielkiej liczby ludzi.
„To problem etyczny dla całego naszego obszaru badawczego. Możliwe, że będziemy zmuszeni usunąć wszystkie sekwencje genetyczne, które opublikowaliśmy w publicznych bazach danych” – zastanawiał się w „Nature Microbiology” Rob Knight z Uniwersytetu Kalifornijskiego San Diego.
I nie chodzi tu wyłącznie o obawy przed tym, że dane mogą zostać wykorzystane przez opresyjne reżimy. Dane genetyczne milionów ludzi mogą mieć po prostu ogromną, komercyjną wartość, nawet jeśli nie jesteśmy w stanie przypisać do nich nazwiska i PESEL-u. Kolejnym potężnym problemem są kwestie prywatności: żadna z osób, których DNA zostało przechwycone podczas ekologicznych badań jętek czy żółwi, nie zgodziła się przecież na umieszczenie jej genetycznych informacji w publicznej bazie danych.
Pewne jest, że wypływamy na nieznane wody. Nieznane dla badaczy, ale także dla społeczeństwa. Nie zdołaliśmy wciąż poradzić sobie z kwestiami ochrony naszych danych w internecie, a już stajemy przed wizją tego, że równie dostępne dla mniej czy bardziej etycznych „podglądaczy” będą nasze dane biologiczne.
„Prawnicy i naukowcy powinni opracować odpowiedzi na etyczne konsekwencje przypadkowego i celowego przechwytywania ludzkiego środowiskowego DNA. Powinniśmy zacząć to robić natychmiast, wyprzedzając dalsze upowszechnienie i umocnienie tej technologii. Musimy upewnić się, że prawo i etyka pozostaną o krok przed rozwijającą się technologią” – apeluje David Duffy.
Jak dotąd jednak w tym wyścigu technologia wygrywa z etyką i prawem za każdym razem. ©
Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →
Masz konto? Zaloguj się
365 zł 95 zł taniej (od oferty "10/10" na rok)
