Наблюдать за распространением патогенов можно по их геномным следам в воде

Современные молекулярные методы позволяют извлекать ДНК и РНК не только из живых организмов, но и из окружающей среды. Изначально этот подход использовался в криминалистике, но в настоящее время он открывает новые возможности для самых разных целей: для экологического контроля, изучения редких и исчезающих видов, обнаружения следов древних вымерших видов (портал PCR.NEWS недавно писал об исследовании ДНК неандертальцев из грунта пещер), а также для мониторинга патогенов. Обзорную статью, посвященную анализу ДНК и РНК из окружающей среды, ученые из Университета Флориды (США) и Лимерикского университета (Ирландия) опубликовали в журнале BioScience.

Для анализа ДНК и РНК из окружающей среды используются ПЦР, капельная цифровая ПЦР (Digital droplet PCR), петлевая изотермическая амплификация (LAMP), высокопроизводительное секвенирование (NGS), иммунохроматографический анализ и SHERLOCK — метод, основанный на технологии CRISPR, который не требует выделения ДНК для одновременного поиска множественных генетических мишеней.

Авторы статьи приводят множество примеров успешного применения анализа ДНК и РНК из окружающей среды (в основном из водных образцов), более подробно останавливаясь на двух. Первый пример — это мониторинг вируса герпеса, который вызывает очень опасное заболевание — фибропапилломатоз — у зеленых морских черепах (Chelonia mydas), охраняемого вида. Исследование ДНК вируса в морской воде позволило оценить его распространение и связать с перемещением отдельных особей, которые оказались суперраспространителями инфекции. Таких особей было бы желательно извлечь из дикой популяции, чтобы заболевание не передавалось дальше.

Второй пример — это использование технологий анализа РНК из сточных вод для мониторинга вируса SARS-CoV-2. По мнению авторов, анализ сточных вод — это очень полезный подход для отслеживания локальных вспышек инфекции, он может быть быстрее, проще и дешевле, чем тестирование зараженных людей. Этот метод ранее уже применялся для эпиднадзора за другими инфекциями — норовирусом, гепатитом А, полиовирусом и SARS-CoV-1. Когда его начали использовать для SARS-CoV-2, специалисты оценили важное преимущество: иногда РНК вируса в сточных водах обнаруживали еще до того, как были зарегистрированы случаи заболевания. Таким образом, этот метод позволяет предупреждать вспышки инфекции, заранее подготовиться к росту числа заболевших и задействовать резервы системы здравоохранения. Например, в Валенсии пик концентрации вирусной РНК в сточных водах пришелся на 9 марта 2020 года, а пик заболеваемости — на начало апреля. Об исследовании распространения COVID-19 в штате Массачусетс по анализу сточных вод можно прочитать в материале PCR.NEWS.

Одно из преимуществ отслеживания патогенов по его ДНК или РНК в окружающей среде — это возможность детекции некультивируемых микроорганизмов (а таких довольно много). Если использовать этот подход для мониторинга редких и исчезающих видов, важным преимуществом становится его неинвазивность — он не наносит никакого ущерба животным.

У данного подхода есть и ограничения. Возможны ложноотрицательные результаты, когда патоген не обнаруживается по ДНК или РНК, несмотря на его присутствие. Это может происходить из-за деградации нуклеиновых кислот в окружающей среде, в частности, в морской воде они сохраняются хуже, чем в пресной. Другой причиной может быть низкая концентрация ДНК или РНК, ниже порога обнаружения.

Ложноположительные результаты могут быть получены из-за загрязнения образца посторонней ДНК, особенно в полевых условиях. Возможны и причины чисто молекулярного характера, связанные с выбором мишени. В будущем многие из этих ограничений могут быть преодолены, пишут авторы, и методы обнаружения ДНК и РНК в окружающей среде станут более точными.

В целом, по мнению ученых, программы мониторинга, основанные на анализе ДНК и РНК во внешней среде, имеют большое будущее как для эпидемиологии, так и для охраны редких видов, ведь они помогают детектировать нежелательные изменения и заранее на них реагировать.