eISSN: 2221-6197 DOI: 10.31301/2221-6197

Biomics

Архив номеров

Индексирование
  1. Главная
  2. →
  3. 2021
  4. →
  5. Том 13, № 4
  6. →
  7. «Водяные знаки» в виде встроенных в геномы различных организмов чужеродных последовательностей ДНК и не только встроенных

«Водяные знаки» в виде встроенных в геномы различных организмов чужеродных последовательностей ДНК и не только встроенных

Год: 2021

Страницы: 368-386

Номер: Том 13, № 4

Тип: научная статья

DOI: https://doi.org/10.31301/2221-6197.bmcs.2021-26

Рубрика: Статьи

Авторы: Чемерис Алексей Викторович, Гималов Ф.Р, Гарафутдинов Р.Р, Привалов Л.Ю., Михайленко К.И., Кирьянова О.Ю, Баймиев Алексей Ханифович, Баймиев Андрей Ханифович, Сагитова М.А.

Скачать pdf

Аннотация:

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.

Ключевые слова:

ДНК, геном, водяные ДНК-знаки, хранение в ДНК, прокариоты, эукариоты, ГМО, нефть, подземные воды.

Библиографический список:

  1. 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:  https://doi.org/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:  https://doi.org/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:  https://doi.org/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:  https://doi.org/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:  https://doi.org/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:  https://doi.org/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: https://doi.org/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:  https://doi.org/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:  https://doi.org/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:  https://doi.org/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:  https://doi.org/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:  https://doi.org/10.1023/a:1021713625176.

  17. Cox J.P. Bar coding objects with DNA // Analyst. 2001. V. 126(5). P. 545-547. doi:  https://doi.org/10.1039/b101850g

  18. Cox J.P. Long-term data storage in DNA // Trends Biotechnol. 2001a. V. 19(7). P. 247-250. doi:  https://doi.org/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:  https://doi.org/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:  https://doi.org/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:  https://doi.org/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:  https://doi.org/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:  https://doi.org/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:  https://doi.org/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:  https://doi.org/10.2174/157489311796904646.

  30. Heider D., Barnekow A. DNA watermarks: a proof of concept // BMC Mol. Biol. 2008. V. 9. P. 40. doi:  https://doi.org/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:  https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/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:  https://doi.org/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:  https://doi.org/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:  https://doi.org/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:  https://doi.org/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:  https://doi.org/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:  https://doi.org/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:  https://doi.org/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:  https://doi.org/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: https://doi.org/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:  https://doi.org/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:  https://doi.org/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:  https://doi.org/10.1038/nbt0303-224.

  47. Marillonnet S., Klimyuk V., Gleba Y. Identity tags revisited // Nat. Biotechnol. 2003. V. 21(9). P. 974- 975. doi:  https://doi.org/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:  https://doi.org/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:  https://doi.org/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:  https://doi.org/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:  https://doi.org/10.3389/fbioe.2019.00189 . eCollection 2019.

  52. Mueller S., Jafari F., Roth D. A covert authentication and security solution for GMOs // BMC Bioinformatics. 2016. V. 17(1). P. 389. doi:  https://doi.org/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:  https://doi.org/10.1186/s12859-016-1256-6.

  54. Pauli U. Identity tags // Nat. Biotechnol. 2003. V. 21(6). P. 598. doi:  https://doi.org/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:  https://doi.org/10.1186/s13756-020-00813-7.

  56. Shimanovsky B., Feng J., Potkonjak M. Hiding data in DNA // LNCS 2578. 2003. P. 373-386. doi:  https://doi.org/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:  https://doi.org/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:  https://doi.org/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:  https://doi.org/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:  https://doi.org/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:  https://doi.org/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:  https://doi.org/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:  https://doi.org/10.5511/plantbiotechnology.14.0609b. 

Скачать pdf
наверх
eISSN: 2221-6197 DOI: 10.31301/2221-6197