Biotechnologia.pl
łączymy wszystkie strony biobiznesu
Barcoding DNA – identyfikacja organizmów
Barcoding DNA – identyfikacja organizmów
Barcoding jest pomysłem na rozwiązanie problemu czasochłonności identyfikacji organizmów na podstawie cech morfologicznych. Metoda bazuje na badaniu krótkiego odcinka DNA kodującego część odpowiedniego genu, który jest obecny u wszystkich organizmów w podobnej formie, lecz różniącym się dostatecznie, aby móc odróżnić poszczególne gatunki od siebie. Otrzymane i przetworzone dane zostają umieszczone w specjalnej ogólnodostępnej bazie danych. Do badań wytypowano gen CO1 kodujący enzym podjednostki 1 oksydazy cytochromu c w mitochondrialnym DNA, jednakże znajduje on zastosowanie jedynie do oznaczania zwierząt. Aby udowodnić, że znacznik ten nadaje się do rozróżniania gatunków przebadano różnego rodzaju zwierzęta tworząc profile CO1. Wyniki badań potwierdziły, że za pomocą tej metody można rozróżnić 98% gatunków obecnie sklasyfikowanych. Idea barcodingu stwarza nowe możliwości w wielu dziedzinach nauki, ale też nie jest bez wad.

W XVII w. Karol Linneusz zapoczątkował identyfikację gatunków na podstawie morfologii, upowszechniając jednocześnie binominalną zasadę nazewnictwa. Ilość gatunków eukariontów szacuje się na ok. 10 mln, z czego do tej pory opisano ok. 1,7 mln. Identyfikacja organizmów na podstawie cech morfologicznych jest żmudna i czasochłonna, rozwój metod oczyszczania i sekwencjonowania DNA jest sposobem na przyspieszenie tego procesu.

Paul Herbert z Kanady, zainspirowany kodami kreskowymi umieszczanymi na produktach w sklepie, dał początek idei barcodingu DNA. Metoda bazuje na badaniu krótkiego odcinka DNA kodującego część odpowiedniego genu, który jest obecny u wszystkich organizmów w podobnej formie, lecz różniącym się dostatecznie, aby móc odróżnić poszczególne gatunki od siebie. Otrzymane i przetworzone dane zostają umieszczone w specjalnej ogólnodostępnej bazie danych, a wraz z rozwojem technologii mogłoby dodatkowo zostać opracowane tanie i wygodne urządzenie do sekwencjonowania. Z założenia metoda ma być tania, szybka i ogólnodostępna.

Odpowiedniego genu do identyfikacji większości gatunków zwierząt poszukiwano wśród 13 genów kodujących białka w mitochondrialnym DNA. Takie DNA łatwiej jest wyizolować i posiada znacznie wyższy poziom międzygatunkowego zróżnicowania sekwencji niż DNA jądrowe. W ostateczności do badań wybrano gen CO1 kodujący enzym podjednostki 1 oksydazy cytochromu c. Odpowiedni region CO1, jest wystarczająco krótki by jego sekwencję można było prosto rozszyfrować na podstawie techniki sekwencjonowania, jednocześnie cechuje się małą zmiennością wewnątrzgatunkową, a dużą międzygatunkową. Aby udowodnić, że znacznik ten nadaje się do rozróżniania gatunków przebadano różnego rodzaju zwierzęta tworząc profile CO1. Wyniki badań potwierdziły, że za pomocą tej metody można rozróżnić 98% gatunków obecnie sklasyfikowanych. Przykładem mogą być naczelni, gdzie komórki zawierają ok. 3 mld pz każda, a podany region CO1 jedynie 648 pz. Wyniki sekwencjonowania pokazują, że łatwo można odróżnić człowieka od goryla (różnica 70 pz) czy szympansa (60 pz).

Region CO1 jako znacznik gatunkowy może być stosowany jedynie dla zwierząt. W przypadku roślin odpowiedniego markera poszukuje się wśród sekwencji chloroplastowego DNA. Trudno jest wskazać idealną pojedynczą sekwencję znacznika roślin, do tej pory wykorzystuje się kilka sekwencji o niższej zmienności, które wspólnie tworzą barkod DNA.

Ważnym etapem badań było stworzenie biblioteki kodów kreskowych. Jest to baza danych, gdzie dostępne są zapisy sekwencji znaczników dla organizmów o dobrze potwierdzonej tożsamości. Możemy porównywać otrzymane wyniki badanego przez nas okazu do wzorca i potwierdzić jego przynależność do danego gatunku. Wzorce otrzymuje się poprzez zbadanie około 10 osobników, tak by można było odzwierciedlić w bazie zmienność wewnątrzgatunkową. Początkowo w 2005 roku na stronie boldsystems.org znajdowało się 33 tys. znaczników dla 12 700 gatunków, obecnie zaś jest ponad 2,6 mln wpisów dotyczących ok. 192 600 gatunków, gdzie każdy zawiera nazwę gatunkową, sekwencję kodu, miejsce i datę schwytania, zdjęcia oraz inne przydatne informacje.

Metoda kodów kreskowych stwarza nowe możliwości w badaniach filogenetycznych, medycynie sądowej, a przede wszystkim w wykrywaniu nowych gatunków. Przykładem jest motyl Astraptes fulgelator z Kostaryki, którego gąsienice różnią się wyglądem czy siedliskiem występowania, jednak postacie dorosłe są bardzo do siebie podobne i przez długi czas były klasyfikowane do jednego gatunku. Wyniki analizy genu CO1 wykazały jednak pewne różnice skorelowane z wyglądem i trybem życia gąsienic. Dlatego też uznano, że motyle trzeba podzielić na 10 odrębnych gatunków.

Opisana metoda jest na tyle rewolucyjna, iż ma swoich oponentów. Najczęstszym argumentem jest to, że barcoding nie pozwala na identyfikację gatunków bliskospokrewnionych i nie może być jednoznacznie stosowany do identyfikacji roślin. Wielu badaczy podkreśla również, iż badanie jedynie fragmentu pojedynczego genu z całego genomu może tworzyć pseudotaksonomię.

Barcoding DNA jest metodą, która intensywnie rozwija się na całym świecie, w tym w Polsce. Właściwa i szybka identyfikacja gatunków jest konieczna m.in. ze względu na gatunki inwazyjne, patogeny, monitorowanie stanu środowiska (np. pod wpływem zmian klimatu, zanieczyszczeń), dla oznaczania alergenów u ludzi, a także w ochronie przyrody oraz dla zwiększenia skuteczności kontroli handlu dzikich roślin i zwierząt. Pomimo pewnych wad, znakowanie kodem kreskowym jest obecnie najlepszą alternatywą identyfikacji gatunków. Należy jednak podkreślić, że wymaga współpracy ze specjalistami zajmującymi się taksonomią, chociażby w celu identyfikacji materiałów użytych do badań. Dopiero połączenie obu metod identyfikacyjnych może być efektywne.

Źródła

Źródła:

  • Biological identifications through DNA barcodes. Paul D. N. Herbert, Alina Cywinska, Shelley L. Ball, Jeremy R. deWaard; Proceedings of the Royal Society, tom 270, nr 1512, s. 313-321, 2003
  • Kreskowy kod życia. Mark Y. Stoeckle, Paul D. N. Herbert; Świat nauki nr 3/3009, s. 40-45
  • Biologiczna metka. Wiesław Bogdnowicz, Agnieszka Draber-Mońko, Tadeusz Malewski; ACADEMIA nr 1[13] 2008, s. 31-33
  • Barkoding DNA – nowe narzędzie do opisu bioróżnorodności. Zbigniew Mirek, Wojciech Bieniek, Agnieszka Sztorc; Wiadomości Botaniczne 51(3/4): 41-50, 2007
  • www.boldsystems.org
KOMENTARZE
news

<Grudzień 2020>

pnwtśrczptsbnd
1
2
TECHCO Forum
2020-12-02 do 2020-12-03
3
4
5
6
7
8
NEURONUS 2020 Neuroscience Forum
2020-12-08 do 2020-12-11
9
Digital Hospital Forum
2020-12-09 do 2020-12-09
11
12
13
14
15
MEDmeetsTECH #10
2020-12-15 do 2020-12-16
16
17
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
1
2
3
Newsletter