Биогеном Земли — грандиозный проект по секвенированию генома каждого сложного вида на Земле

Проект Earth Biogenome Project, глобальное содружество, целью которого является секвенирование геномов всей сложной жизни на Земле (около 1,8 миллиона описанных видов) за десять лет, набирает обороты.

Истоки, цели и ход проекта подробно описаны в двух статьях с несколькими авторами, опубликованных в января 2022 года. После завершения он навсегда изменит способ проведения биологических исследований.

В частности, исследователи больше не будут ограничиваться несколькими «модельными видами» и смогут анализировать базу данных последовательностей ДНК любого организма, который демонстрирует интересные характеристики. Эта новая информация поможет понять, как развивалась сложная жизнь, как она функционирует и как можно защитить биоразнообразие.

Впервые проект был предложен в 2016 году. В настоящее время он находится в процессе перехода от этапа запуска к полномасштабному производству.

Целью первого этапа является секвенирование одного генома из каждой таксономической семьи на Земле, около 9400 из них. К концу 2022 года должно быть расшифровано треть этих семей. На втором этапе будет проведено секвенирование представителей всех 180 000 родов, а на третьем этапе будет завершено определение всех видов.

Важность странных видов

Грандиозная цель проекта «Биогеном Земли» состоит в том, чтобы секвенировать геномы всех 1,8 миллиона описанных видов сложной жизни на Земле. Сюда входят все растения, животные, грибы и одноклеточные организмы с настоящими ядрами (то есть все «эукариоты»).

Хотя модельные организмы, такие как мыши, кресс-салат, плодовые мушки и нематоды, были чрезвычайно важны для нашего понимания функций генов, возможность изучать другие виды, которые могут работать немного иначе, дает огромное преимущество.

Многие важные биологические принципы были получены при изучении неизвестных организмов. Например, известно, что Грегор Мендель открыл гены у гороха, а правила, управляющие ими, были обнаружены в плесени хлеба.

ДНК впервые была обнаружена в сперме лосося, и наши знания о некоторых системах, обеспечивающих ее безопасность, были получены благодаря исследованиям тихоходок.

Хромосомы впервые были обнаружены у мучных червей, а половые хромосомы — у жуков (действие и эволюция половых хромосом также исследовались у рыб и утконосов). А теломеры, закрывающие концы хромосом, были обнаружены в прудовой тине.

Ответы на биологические вопросы и защита биоразнообразия

Сравнение близкородственных и отдаленно родственных видов дает огромную возможность узнать, что делают гены и как они регулируются.

Ученые также используют сравнения видов, чтобы проследить гены и регуляторные системы до их эволюционного происхождения, что может выявить удивительное сохранение функции генов на протяжении почти миллиарда лет.

Например, одни и те же гены участвуют в развитии сетчатки у людей и фоторецепторов плодовых мушек. А ген BRCA1, мутировавший при раке молочной железы, отвечает за восстановление разрывов ДНК у растений и животных.

Геном животных также гораздо более консервативен, чем предполагалось. Например, ученые недавно продемонстрировали, что хромосомам животных 684 миллиона лет.

Исследователям также будет интересно изучить «темную материю» генома и выяснить, как последовательности ДНК, не кодирующие белки, все еще могут играть роль в функционировании и эволюции генома.

Другой важной целью проекта «Биогеном Земли» является сохранение геномики. В этой области используется секвенирование ДНК для выявления исчезающих видов, в число которых входит около 28% сложных организмов в мире, что помогает нам отслеживать их генетическое здоровье и давать рекомендации по управлению.

Больше не невыполнимая задача

До недавнего времени секвенирование больших геномов занимало годы и стоило многие миллионы долларов. Но в последнее время были достигнуты огромные технические достижения, которые теперь позволяют секвенировать и собирать большие геномы за несколько тысяч долларов.

Весь проект «Биогеном Земли» будет стоить меньше в сегодняшних долларах, чем проект генома человека, который в общей сложности стоил около 3 миллиардов долларов США.

В прошлом исследователям приходилось химически определять порядок четырех оснований на миллионах крошечных фрагментов ДНК, а затем снова склеивать всю последовательность.

Сегодня они могут регистрировать разные основания на основе их физических свойств или путем связывания каждого из четырех оснований с другим красителем. Новые методы секвенирования также позволяют сканировать длинные молекулы ДНК.

Но почему бы не сэкономить время и деньги, секвенируя только ключевые репрезентативные виды?

Весь смысл проекта «Биогеном Земли» состоит в том, чтобы использовать различия между видами для проведения сравнений.

Также есть опасение пропустить что-то важное. Например, если секвенировать только 69 999 из 70 000 видов нематод, можно пропустить тот, который может раскрыть секреты того, как нематоды могут вызывать заболевания у животных и растений.

В настоящее время над проектом «Биогеном Земли» работают 44 аффилированных учреждения в 22 странах. Есть также 49 аффилированных проектов, в том числе огромные проекты, такие как Калифорнийский проект по сохранению геномики, проект «10 000 геномов птиц» и британский проект «Древо жизни Дарвина», а также множество проектов, посвященных конкретным группам, таким как летучие мыши и бабочки.