«Водяные знаки» в виде встроенных в геномы различных организмов чужеродных последовательностей ДНК и не только встроенных
04.04.2022
Авторы:
Название:
«Водяные знаки» в виде встроенных в геномы различных организмов чужеродных последовательностей ДНК и не только встроенных
Страницы:
368-386
Водяные ДНК-знаки являются надежной технологией маркировки рекомбинантных штаммов бактерий, рас дрожжей, сортов и линий растений, включая ГМО. Водяной ДНК-знак представляет собой относительно короткую последовательность нуклеотидов, встроенную в ДНК какого-либо организма, с целью доказать его генно-инженерное или полностью синтетическое происхождение. В водяных ДНК-знаках может быть закодирована фактически любая небиологическая информация в виде фамилий авторов, мест их работы, неких уникальных текстов и пр. Причем разными авторами применяются различные способы превращения такой негенетической информации в нуклеотидные последовательности, кратко рассмотренные в данном обзоре. Помимо встраиваемых в геномы маркерных участков ДНК, водяными ДНК-знаками можно считать и добавляемые в различные среды и субстанции (подземные воды, нефть, молоко, чернила, пестициды и пр.) некие уникальные нуклеотидные последовательности, представляющие собой, в том числе химически синтезированные протяженные олигонуклеотиды, которые можно затем детектировать с помощью ПЦР. Уделено некоторое внимание в этом обзоре и проблеме ГМО, которой, на самом деле, существовать не должно в силу множества причин, главная из которых заключается в том, что ГМ-растения ничуть не опаснее обычных сортов сельскохозяйственных растений.
- Баймиев Ан.Х., Кулуев Б.Р., Вершинина З.Р. Князев А.В., Чемерис Д.А., Рожнова Н.А., Геращенков Г.А., Михайлова Е.В., Баймиев Ал.Х., Чемерис А.В. CRISPR/Cas редактирование геномов (растений) и общество // Биомика. 2017. Т. 9. С. 183-202. 2. Вентер К. Жизнь на скорости света. От двойной спирали к рождению цифровой биологию М.: АСТ. 2018. 320 с. 3. Вершинина З.Р., Кулуев Б.Р., Максимов И.В., Михайлова Е.В., Гумерова Г.Р., Малеев Г.В., Князев а.В., Баймиев ан.Х., Баймиев ал.Х., Чемерис а.В. ГМО запретить невозможно разрешить! // Биомика. 2020. Т.12(1). С. 80-120. doi:10.31301/2221-6197.bmcs.2020-6 4. Гарафутдинов Р.Р., Сахабутдинова А.Р., Чемерис А.В. Долговременное хранение молекул ДНК при комнатной температуре // Биомика. 2020. Т.12(4). С. 552-563. DOI: 10.31301/2221-6197.bmcs.2020-49 5. Гималов Ф.Р., Гарафутдинов Р.Р., Кулуев Б.Р., Привалов Л.Ю., Кирьянова О.Ю., Михайленко К.И., Урманчеев С.Ф., Чемерис А.В. Трассирование в гидрогеологии подземных водотоков с помощью ДНК-метчиков // Biomics. 2021. Т.13(3). С.244-253. DOI:10.31301/2221-6197.bmcs.2021-16 6. Сахабутдинова А.Р., Михайленко К.И., Гарафутдинов Р.Р., Кирьянова О.Ю., Сагитова М.А., Сагитов А.М., Чемерис А.В. Небиологическое применение молекул ДНК // Биомика. 2019. Т.11(3). С. 344-377. DOI: 10.31301/2221-6197.bmcs.2019-28 7. Чемерис А.В., Бикбулатова С.М., Чемерис Д.А., Баймиев Ал.Х., Князев А.В., Кулуев Б.Р., Максимов И.В. Надо ли опасаться ГМО? Взгляд несторонних наблюдателей на истерию вокруг // Биомика. 2014. Т. 6. С. 77-138. 8. Чемерис А.В., Чемерис Д.А., Баймиев Ал.Х., Князев А.В., Кулуев Б.Р., Максимов И.В. Борьба с ГМО как неолысенковщина // Биомика. 2015. Т.7. C. 1-39. 9. Ailenberg M., Rotstein O. An improved Huffman coding method for archiving text, images, and music characters in DNA // Biotechniques. 2009. V. 47(3). P. 747-754. doi:10.2144/000113218 10. Arulandhu A.J., van Dijk J.P., Dobnik D., Holst-Jensen A., Shi J., Zel J., Kok E.J. DNA enrichment approaches to identify unauthorized genetically modified organisms (GMOs) // Anal. Bioanal. Chem. 2016. V. 408(17). P. 4575-93. doi:10.1007/s00216-016-9513-0 11. Bancroft C., Bowler T., Bloom B., Clelland C.T. Long-term storage of information in DNA // Science. 2001. V. 293(5536). P.1763-1765. doi:10.1126/science.293.5536.1763c 12. Bloch M.S., Paunescu D., Stoessel P.R., Mora C.A., Stark W.J., Grass R.N. Labeling milk along its production chain with DNA encapsulated in silica // J. Agric. Food Chem. 2014. V. 62(43). P. 10615-10620. doi:10.1021/jf503413f 13. Boonekamp F.J., Dashko S., Duiker D., Gehrmann T., van den Broek M., den Ridder M., Pabst M., Robert V., Abeel T., Postma E.D., Daran J.M., Daran-Lapujade P. Design and Experimental Evaluation of a Minimal, Innocuous Watermarking Strategy to Distinguish Near-Identical DNA and RNA Sequences // ACS Synth. Biol. 2020. V. 9(6). P. 1361-1375. doi:10.1021/acssynbio.0c00045 14. Brenner S., Williams S.R., Vermaas E.H., Storck T., Moon K., McCollum C., Mao J.I., Luo S., Kirchner J.J., Eletr S., DuBridge R.B., Burcham T., Albrecht G. In vitro cloning of complex mixtures of DNA on microbeads: physical separation of differentially expressed cDNAs // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2000. V. 97(4). P. 1665-1670. doi:10.1073/pnas.97.4.1665 15. Clelland C.T., Risca V., Bancroft C. Hiding messages in DNA microdots // Nature. 1999. V. 399(6736). P. 533-534. doi:10.1038/21092. 16. Cook L.J., Cox J.P. Methylated DNA labels for marking objects // Biotechnol. Lett. 2003. V. 25(1). P. 89-94. doi:10.1023/a:1021713625176 17. Cox J.P. Bar coding objects with DNA // Analyst. 2001. V. 126(5). P. 545-547. doi:10.1039/b101850g. 18. Cox J.P. Long-term data storage in DNA // Trends Biotechnol. 2001a. V. 19(7). P. 247-250. doi:10.1016/s0167-7799(01)01671-7 19. Feynman R.P. There's Plenty of Room at the Bottom: An Invitation to Enter a New Field of Physics // Engineering and Science (California Institute of Technology). 1960. V. 23. P. 22-36. 20. Fister K., Fister I. Jr., Murovec J., Bohanec B. DNA labelling of varieties covered by patent protection: a new solution for managing intellectual property rights in the seed industry // Transgenic Res. 2017. V. 26. P. 87-95. 21. Fister K., Iztok Fister J.R. How to Store Wikipedia into a Forest Tree: Initial Idea // MSIVISM. 2014. P. 45-52. 22. Fister K., Iztok Fister J.R., Murovec J. The Potential of Plants and Seeds in DNA-Based Information Storage // Understanding Information. 2017. P. 69-81. doi:10.1007/978-3-319-59090-5_4 23. Gibson D.G., Benders G.A., Andrews-Pfannkoch C., Denisova E.A., Baden-Tillson H., Zaveri J., Stockwell T.B., Brownley A., Thomas D.W., Algire M.A., Merryman C., Young L., Noskov V.N., Glass J.I., Venter J.C., Hutchison C.A. 3rd, Smith H.O. Complete chemical synthesis, assembly, and cloning of a Mycoplasma genitalium genome // Science. 2008. V. 319(5867). P. 1215-20. doi:10.1126/science.1151721 24. Gibson D.G., Glass J.I., Lartigue C., Noskov V.N., Chuang R.Y., Algire M.A., Benders G.A., Montague M.G., Ma L., Moodie M.M., Merryman C., Vashee S., Krishnakumar R., Assad-Garcia N., Andrews-Pfannkoch C., Denisova E.A., Young L., Qi Z.Q., Segall-Shapiro T.H., Calvey C.H., Parmar P.P., Hutchison C.A. 3rd, Smith H.O., Venter J.C. Creation of a bacterial cell controlled by a chemically synthesized genome // Science. 2010. V. 329(5987). P. 52-6. doi:10.1126/science.1190719 25. Gustafsson C. For anyone who ever said there's no such thing as poetic gene // Nature. 2009. V. 458. P. 703. doi:10.1038/458703a 26. Hao M., Qiao H., Gao Y., Wang Z., Qiao X., Chen X., Qi H. A mixed culture of bacterial cells enables an economic DNA storage on a large scale // Commun. Biol. 2020. V. 3(1). P. 416. doi:10.1038/s42003-020-01141-7 27. Hashiyada M. Development of biometric DNA ink for authentication security // Tohoku J. Exp. Med. 2004. V. 204. P. 109-117. 28. Haughton D., Balado F. BioCode: two biologically compatible Algorithms for embedding data in non-coding and coding regions of DNA // BMC Bioinformatics. 2013. V. 14. P. 121. doi:10.1186/1471-2105-14-121 29. Heider D., Barnekow A. DNA Watermarking: Challenging Perspectives for Biotechnological Applications // Curr. Bionf. 2011. V. 6. P. 375-382. doi:10.2174/157489311796904646 30. Heider D., Barnekow A. DNA watermarks: a proof of concept // BMC Mol. Biol. 2008. V. 9. P. 40. doi:10.1186/1471-2199-9-40 31. Heider D., Barnekow A. DNA-based watermarks using the DNA-Crypt algorithm // BMC Bioinformatics. 2007. V. 8. P. 176. doi:10.1186/1471-2105-8-176 32. Heider D., Kessler D., Barnekow A. Watermarking sexually reproducing diploid organisms // Bioinformatics. 2008. V. 24(17). P. 1961-1962. doi:10.1093/bioinformatics/btn342 33. Heider D., Pyka M., Barnekow A. DNA watermarks in non-coding regulatory sequences // BMC Res. Notes. 2009. V. 2. P. 125. doi:10.1186/1756-0500-2-125 34. Holst-Jensen A., Spilsberg B., Arulandhu A.J., Kok E., Shi J., Zel J. Application of whole genome shotgun sequencing for detection and characterization of genetically modified organisms and derived products // Anal. Bioanal. Chem. 2016. V. 408(17). P. 595-614. doi:10.1007/s00216-016-9549-1 35. Jain S., Farnoud F., Schwartz M., Bruck J. Duplication-Correcting Codes for Data Storage in the DNA of Living Organisms // IEEE Trans. Inform. Theory. 2017. V. 63(8). P. 4996-5010. doi:10.1109/TIT.2017.2688361 36. Jiao S., Goutte R. Code for encryption hiding data into genomic DNA of living organisms // 9th International Conference on Signal Processing. 2008. doi:10.1109/ICOSP.2008.4697576 37. Jupiter D.C., Ficht T.A., Samuel J., Qin Q.M., de Figueiredo P. DNA watermarking of infectious agents: progress and prospects // PLoS Pathog. 2010. V. 6(6). e1000950. doi:10.1371/journal.ppat.1000950 38. Kac E. Genesis: a transgenic artwork // Art, Technology, Consciousness mind@large. R.Ascott (ed.). 2000. P.17-19. 39. Kong X.Z., Deuber C.A., Kittilä A., Somogyvári M., Mikutis G., Bayer P., Stark W.J., Saar M.O. Tomographic Reservoir Imaging with DNA-Labeled Silica Nanotracers: The First Field Validation // Environ. Sci. Technol. 2018. V. 52(23). P. 13681-13689. doi:10.1021/acs.est.8b04367 40. Lee S-H. DNA sequence watermarking based on random circular angle // Digital Signal Processing. 2014. V. 25. P. 173-189. doi:10.1016/j.dsp.2013.11.010 41. Lee S-H. DWT based coding DNA watermarking for DNA copyright protection // Inform. Sci. 2014. V. 273. P. 263-286. doi:10.1016/j.ins.2014.03.039 42. Lee S-H., Lee E-J., Hwang W-J., Kwon K-R. Reversible DNA data hiding using multiple difference expansions for DNA authentication and storage // Multimedia Tools & Applications. 2018. V. 77. P. 19499-19526. 28p. doi:10.1007/s11042-017-5379-1 43. Lindsey J Cook, Jonathan P L Cox Methylated DNA labels for marking objects // Biotechnol. Lett. 2003. V. 25(1). P. 89-94. doi:10.1023/a:1021713625176 44. Liss M., Daubert D., Brunner K., Kliche K., Hammes U., Leiherer A., Wagner R. Embedding permanent watermarks in synthetic genes // PLoS One. 2012. V. 7(8). e42465. doi:10.1371/journal.pone.0042465 45. Luescher A.M., Koch J., Stark W.J., Grass R.N. Silica-encapsulated DNA tracers for measuring aerosol distribution dynamics in real-world settings // Indoor Air. 2021. Oct 21. doi:10.1111/ina.12945 46. Marillonnet S., Klimyuk V., Gleba Y. Encoding technical information in GM organisms // Nat. Biotechnol. 2003. V. 21(3). P. 224-6. doi:10.1038/nbt0303-224 47. Marillonnet S., Klimyuk V., Gleba Y. Identity tags revisited // Nat. Biotechnol. 2003. V. 21(9). P. 974-975. doi:10.1038/nbt0903-974 48. Mora C.A., Paunescu D., Grass R.N., Stark W.J. Silica particles with encapsulated DNA as trophic tracers // Mol. Ecol. Resour. 2015. V. 15(2). P. 231-41. doi:10.1111/1755-0998.12299 49. Morono Y., Kitagawa W., Kimura N., Noda N., Nakamura K., Kamagata Y. "Mark the gene": a method for nondestructive introduction of marker sequences inside the gene frame of transgenes // Appl. Environ. Microbiol. 2007. V. 73(15). P. 4915-4921. doi:10.1128/AEM.00068-07 50. Mueller S. Are Market GM Plants an Unrecognized Platform for Bioterrorism and Biocrime? // Front. Bioeng. Biotechnol. 2019. V. 7. P. 121. doi:10.3389/fbioe.2019.00121 51. Mueller S. On DNA Signatures, Their Dual-Use Potential for GMO Counterfeiting, and a Cyber-Based Security Solution // Front. Bioeng. Biotechnol. 2019a. V. 7. P. 189. doi:10.3389/fbioe.2019.00189 52. Mueller S., Jafari F., Roth D. A covert authentication and security solution for GMOs // BMC Bioinformatics. 2016. V. 17(1). P. 389. doi:10.1186/s12859-016-1256-6 53. Mueller S., Jafari F., Roth D. A covert authentication and security solution for GMOs // BMC Bioinformatics. 2016. V. 17(1). P. 389. doi:10.1186/s12859-016-1256-6 54. Pauli U. Identity tags // Nat. Biotechnol. 2003. V. 21(6). P. 598. doi:10.1038/nbt0603-598 55. Scotoni M., Koch J., Julian T.R., Clack L., Pitol A.K., Wolfensberger A., Grass R.N., Sax H. Silica nanoparticles with encapsulated DNA (SPED) - a novel surrogate tracer for microbial transmission in healthcare // Antimicrob. Resist. Infect. Control. 2020. V. 9(1). P. 152. doi:10.1186/s13756-020-00813-7 56. Shimanovsky B., Feng J., Potkonjak M. Hiding data in DNA // LNCS 2578. 2003. P. 373-386. doi:10.1007/3-540-36415-3_24 57. Shipman S.L., Nivala J., Macklis J.D., Church G.M. CRISPR-Cas encoding of a digital movie into the genomes of a population of living bacteria // Nature. 2017. V. 547(7663). P. 345-349. doi:10.1038/nature23017 58. Smith G.C., Fiddes C.C., Hawkins J.P., Cox J.P. Some possible codes for encrypting data in DNA // Biotechnol. Lett. 2003. V. 25(14). P. 1125-1130. doi:10.1023/A:1024539608706 59. Tai W-L., Wang C.C.N., P.C.Y. Sheu, Tsai J.J.P. Data Hiding in DNA for Authentication of Plant Variety Rights // J. Electr. Sci. Technol. 2013. V. 11(1). P. 38-43. doi:10.3969/j.issn.1674-862X.2013.01.008 60. Ullrich C., Luescher A.M., Koch J., Grass R.N., Sax H. Silica nanoparticles with encapsulated DNA (SPED) to trace the spread of pathogens in healthcare // Antimicrob. Resist. Infect. Control. 2022. V. 11(1). P. 4. doi:10.1186/s13756-021-01041-3 61. Wong P.C., Wong K-K., Foote H. Organic data memory using the DNA approach // Commun. ACM. 2003. V. 46(1). P.95-98. doi:10.1145/602421.602426 62. Yachie N., Ohashi Y., Tomita M. Stabilizing synthetic data in the DNA of living organisms // Syst. Synth. Biol. 2008. V. 2(1-2). P. 19-25. doi:10.1007/s11693-008-9020-5 63. Yamamoto N., Kajiura H., Takeno S., Suzuki N., Nakazawa Y. A watermarking system for labeling genomic DNA // Plant Biotechnol. 2014. V. 31. P. 241-248. doi:10.5511/plantbiotechnology.14.0609b