Aplicarea genomicii
Introducerea secvențierii ADN-ului și a genomului în întregime prin proiecte precum Proiectul Genomului Uman a contribuit la extinderea aplicabilității informațiilor legate de ADN. Genomica este în prezent utilizată în numeroase domenii precum: metagenomica, farmacogenomica și genomica mitocondrială. Cea mai cunoscută aplicație a genomicii este înțelegerea bolilor și găsirea de remedii pentru ele.
Prezicerea riscului de boală la nivel individual
Prin analiza genomului la nivel individual se poate prezice riscul de boală al unui individ care momentan este sănătos. Pentru aceasta, se aplică o metodă de screening, urmată de o metodă de identificare a indivizilor susceptibili. Apoi, indivizilor vulnerabili li se recomandă schimbări în stilul de viață și uneori tratament medicamentos, toate acestea petrecându-se înainte de debutul bolii. Această abordare este indicată în principal pentru boli cauzate de o singură mutație genică. Astfel de defecte reprezintă numai aproximativ 5% din bolile întâlnite în țările dezvoltate. Majoritatea bolilor comune, cum ar fi bolile de inimă, sunt multifactoriale sau poligenice, adică se referă la o caracteristică fenotipică determinată de două sau mai multe gene, și la factori de mediu cum ar fi dieta.
În aprilie 2010, mai mulți cercetători științifici de la Universitatea Stanford au secvențiat genomul unui individ sănătos și au publicat analiza acelui genom – este vorba de genomul lui Stephen Quake, el însuși cercetător al Universității Stanford. Analiza genomului lui Quake a prezis predispoziția acestuia la diferite boli. S-a făcut o evaluare a riscului de îmbolnăvire al lui Quake prin calcularea procentului său de risc la 55 de afecțiuni medicale diferite. În genomui lui Quake s-a găsit o mutație genetică rară care arată că el este expus riscului de atac de cord brusc. De asemenea, i s-a prezis că are un risc de 23% de a dezvolta cancer de prostată și un risc de 1,4% de a dezvolta boala Alzheimer. Pentru a analiza datele genomice, oamenii de știință au folosit mai multe baze de date genomice și publicații.
Chiar dacă secvențierea genomică devine din ce în ce mai accesibilă și instrumentele analitice devin din ce în ce mai fiabile, problemele etice legate de analiza genomică la nivelul întregii populații sunt în continuare motiv de dezbatere. De exemplu, este acceptabil ca astfel de date să fie utilizate, în mod legitim, pentru a percepe polițe de asigurare mai mari sau mai mici sau pentru a afecta ratingurile de credit?
Studii de asociere la nivel de genom
Începand cu 2005 este posibil să se efectueze un tip de studiu numit studiu de asociere la nivel de genom sau GWAS (în engleză genome-wide association study). Un GWAS este o metodă care identifică diferențele dintre indivizi în interiorul polimorfismelor cu nucleotide unice sau SNP (în engleză single nucleotide polymorphisms) care sunt implicate în producerea unor boli. Metoda este adecvată pentru bolile influențate de una sau mai multe modificări genetice la nivelul întregului genom. Identificarea cu ajutorul istoricului familial a genelor implicate într-o astfel de boală este foarte dificilă.
Metoda GWAS se bazează pe o bază de date genetice numită Proiectul Internațional HapMap, care a început să fie dezvoltată în 2002. Prin Proiectul HapMap au fost secvențiate genomurile câtorva sute de indivizi din întreaga lume și au fost identificate grupuri de SNP-uri. Grupurile conțin SNP-uri care sunt așezate alăturat pe cromozomi, astfel încât nucleotidele unui grup tind să rămână împreună prin recombinare. Faptul că un grup rămâne împreună înseamnă că tot ceea ce este necesar pentru identificarea tuturor SNP-urilor dintr-un grup este găsirea unui marker de SNP. Până în prezent se cunosc câteva milioane de SNP-uri. O dată ce markerul unui SNP a fost identificat, găsirea acelui SNP in genomul unui individ care nu și-a secvențiat întregul genom se poate face relativ ușor.
Un GWAS obișnuit are la dispoziția sa două grupuri de indivizi: un grup are boala iar celălalt grup nu o are. Pentru a reduce efectul combinat al variabilelor cauzatoare de diferențe între cele două grupuri, indivizii din fiecare grup sunt aleși astfel încât au valori identice pentru caracteristicile din afara zonei de interes. Cele două grupuri pot fi alcătuite, de exemplu, din indivizi selectați în mare parte din diferite părți ale lumii, prin urmare cu genotipuri diferite. După ce indivizii au fost selectați și, de obicei, numărul lor este cel puțin o mie, rularea studiului continuă cu recoltarea probelor de ADN de la aceștia. ADN-ul este apoi analizat cu ajutorul unor sisteme automate pentru a identifica acele SNP-uri care, procentual, prezintă diferențe mari între cele două grupuri. Studiul examinează adesea mai mult de un milion de SNP-uri din ADN-ul recoltat.
Rezultatele unui GWAS pot fi utilizate în două moduri: diferențele genetice pot fi folosite ca markeri pentru susceptibilitatea la boală a indivizilor nediagnosticați iar genele particulare identificate pot deveni ținte pentru cercetarea traseelor moleculare ale bolii și ale terapiilor potențiale. Un efect al descoperirii asociațiilor genetice cu anumite boli a fost înființarea așa-numitelor companii de „genomică personală”, care identifică nivelurile de risc la diferite boli ale unui individ pe baza complementului său SNP. Totuși trebuie menționat că știința din spatele acestor servicii este controversată.
Deoarece GWAS-urile caută asocieri între gene și boli, aceste studii mai degrabă produc date pentru cercetări suplimentare ale cauzelor bolilor decât răspunsuri la întrebări specifice. O asociere între o diferență genetică și o boală nu înseamnă neapărat că există o relație cauză-efect. Există și studii care au furnizat informații utile despre cauzele genetice ale bolilor. De exemplu, trei studii diferite din 2005 au identificat o genă asociată cu o proteină implicată în reglarea inflamației din organism asociată cu tipul de orbire numit degenerescență maculară legată de vârstă. Această descoperire a deschis posibilități noi de cercetare a cauzelor acestei boli. Folosind metoda GWAS au fost, de asemeni, identificate un număr mare de gene asociate cu boala Crohn, iar unele dintre acestea au condus la construirea unor mecanisme ipotetice noi care ar putea explica de ce se produce boala.
Farmacogenomica
Farmacogenomica presupune evaluarea eficacității și siguranței medicamentelor pe baza informațiilor din secvența genomică a unui individ. Informațiile secvenței genomului personal pot fi utilizate pentru a prescrie cele mai eficiente și mai puțin toxice medicamente adecvate genotipului unui pacient individual. Studierea modificărilor din exprimarea genelor poate furniza informații despre profilul transcrierii genelor în prezența unui medicament iar aceste informații pot fi utilizate ca un indicator timpuriu al potențialului de efecte toxice ale medicamentului. De exemplu, atunci când sunt perturbate, genele implicate în creșterea celulară și în moartea controlată a celulelor pot duce la creșterea celulelor canceroase. Studii la nivelul întregului genom pot duce, de asemeni, la găsirea de gene noi care sunt implicate în toxicitatea medicamentelor. Semnăturile lor genetice pot să nu fie complet exacte, dar pot fi testate suplimentar înainte de apariția simptomelor patologice.
Metagenomica
În mod tradițional, punctul de vedere al microbiologiei este că microorganismele sunt cel mai bine studiate în condiții de cultură pură, ceea ce implică izolarea unui singur tip de celulă și cultivarea acesteia în laborator. Deoarece microorganismele pot trece prin câteva generații într-un interval de ordinul orelor, profilurile lor de exprimare genică se adaptează foarte repede la noul mediu de laborator. Pe de altă parte, multe specii rezistă să fie cultivate izolat. Majoritatea microorganismelor nu trăiesc ca entități izolate, ci în comunități microbiene cunoscute sub numele de biofilme. Din toate aceste motive, cultura pură nu este întotdeauna cel mai bun mod de a studia microorganismele.
Metagenomica este studiul genomului colectiv al mai multor specii care cresc și interacționează într-o nișă de mediu. Metagenomica poate fi utilizată pentru a identifica mai rapid speciile noi și pentru a analiza efectul poluanților asupra mediului. În prezent, tehnicile de metagenomică pot fi aplicate și comunităților de eucariote superioare precum peștii.
Crearea de noi biocombustibili
Cunoașterea genomicii microorganismelor este utilă pentru a găsi modalități mai bune de valorificare a biocombustibililor din alge și cianobacterii. În prezent sursele principale de combustibil sunt cărbunele, petrolul, lemnul și alte produse vegetale precum etanolul. Deși plantele sunt resurse regenerabile, pentru a satisface cererile de energie ale populației noastre, este în continuare nevoie să găsim surse alternative noi de energie regenerabilă. Lumea microbiană este una dintre cele mai mari resurse de gene care pot codifica enzime noi și pot produce compuși organici noi și, cu toate acestea, este, în mare parte, neexploatată. Această vastă resursă genetică are potențialul de a furniza sursele de biocombustibili ale viitorului.
Genomica mitocondrială
Mitocondriile sunt organite intracelulare care au ADN-ul lor propriu. ADN-ul mitocondrial suferă mutații rapid și este adesea folosit pentru a studia relațiile evolutive. O caracteristică importantă a ADN-ului mitocondrial este faptul că, în majoritatea organismelor pluricelulare, ADN-ul mitocondrial se transmite de la mamă în timpul procesului de fertilizare. Din acest motiv, genomica mitocondrială este adesea utilizată pentru cercetările genealogice.
Genomica în analiza criminalistică
Acronimul ADN este în prezent asociat cu soluționarea criminalității, testarea paternității, identificarea umană și testarea genetică. ADN-ul poate fi recuperat din păr, sânge sau salivă. Cu excepția gemenilor identici, ADN-ul fiecărei persoane este unic și este posibil să se detecteze diferențele dintre ființe umane pe baza secvenței lor ADN unice. În zilele noastre, analiza criminalistică recurge adeseori la folosirea unor markeri genetici iar probele folosite în numeroase dosare aflate pe rol sunt informații și indicii obținute din ADN-ul colectat de la locul faptei. Astfel analiza genomică se dovedește a fi foarte utilă în criminalistică.
Oamenii de știință criminaliști au folosit pentru prima dată analiza ADN a evidenței pentru a rezolva un caz de imigrare. Povestea a început cu un adolescent care a sosit în Londra venind din Ghana pentru a fi alături de mama sa. Autoritățile de imigrare de la aeroport l-au suspectat de a fi călătorit cu un pașaport fals. După multă muncă de convingere, adolescentului i s-a permis să meargă să locuiască împreună cu mama sa, dar autoritățile de imigrare nu au renunțat la cazul împotriva acestuia. Băiatul a furnizat autorităților tot felul de probe printre care fotografii. Cu toate acestea autoritățile au demarat procedura de deportare.
La acea vreme dr. Alec Jeffreys de la Universitatea Leicester din Regatul Unit tocmai inventase o tehnică cunoscută sub numele de amprentă ADN. Autoritățile de imigrare i-au cerut doctorului Jeffreys ajutorul pentru a rezolva acest caz. Doctorul a prelevat probe de ADN de la mamă și trei dintre copiii ei, precum și de la o altă mamă fără legătură cu familia, și a comparat probele cu ADN-ul băiatului. Deoarece tatăl biologic nu era în imagine, ADN-ul celor trei copii a fost comparat cu ADN-ul băiatului. Doctorul Jeffreys a găsit potriviri atât între ADN-ul băiatului și cel al mamei, cât și între ADN-ul baiatului si cele ale fraților săi. Doctorul Jeffreys a concluzionat că băiatul era într-adevăr fiul mamei.
În 2001 a fost publicată o lucrare de criminalistică unde este prezentat primul caz din SUA rezolvat cu ajutorul genomicii. Acesta caz a fost un efort de colaborare între instituțiile de cercetare academică și FBI pentru a rezolva cazurile misterioase de antrax transportat de Serviciul Poștal al SUA. Bacteriile antrax au fost transformate într-o pulbere contagioasă și trimise prin poștă unor jurnaliști de știri și unor senatori americani (doi senatori). Pulberea de antrax a infectat lucrătorii poștali și personalul administrativ care au manipulat sau deschis acele scrisori. Cinci oameni au murit iar alți 17 s-au îmbolnăvit de antrax. Pe baza genomicei microbiene cercetătorii au stabilit că în toate plicurile a fost prezentă o anumită tulpină de antrax. Ancheta FBI-ului a identificat drept sursă a antraxului un cercetător de la un laborator național de bio-apărare din Maryland.
Genomica în agricultură
Genomica poate reduce, într-o anumită măsură, numărul de încercări și eșecuri implicate în cercetarea științifică, ceea ce ar putea duce la îmbunătățirea calității și cantității producțiilor de diferite culturi din agricultură. Legarea trăsăturilor plantelor de anumite gene sau anumite semnături genetice poate duce la generarea unor hibrizi cu cele mai dorite calități, care, la rândul lor, pot duce la îmbunătățirea culturilor de plante. Oamenii de știință folosesc datele genomice pentru a identifica trăsăturile dorite și apoi transferă acele trăsături către un organism nou, creând astfel un organism modificat genetic. Ei continuă să caute modalități noi prin care genomica să îmbunătățească producțiile agricole, calitativ și cantitativ. De exemplu, oamenii de știință folosesc trăsăturile dorite pentru a crea un produs nou util sau pentru a îmbunătăți un produs existent, cum ar fi o cultură sensibilă la secetă respectiv o cultură mai tolerantă față de sezonul uscat.