معلومة

كم من الوقت يستغرق تحلل الحمض النووي

كم من الوقت يستغرق تحلل الحمض النووي



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

هل لا يزال بإمكاني استخدام قالب الحمض النووي البكتيري الذي يبلغ من العمر 3-4 سنوات لـ PCR الخاص بي؟ تم الاحتفاظ بهم في -20 كل هذا الوقت. هل سيتحلل الحمض النووي؟


يكون تدهور الحمض النووي تدريجيًا ، ولكنه مستمر ، حتى في المجمد. ومع ذلك ، يمكنهم تسلسل الحمض النووي من الحيوانات القديمة في التربة الصقيعية ، أو أسنان الإنسان البدائي. الطازجة دائمًا هي الأفضل ، ولكن لا يوجد سبب لعدم تجربة تفاعل البوليميراز المتسلسل على عيناتك.


يبلغ نصف عمر الحمض النووي 521 عامًا

لا يمكن استعادة المواد الجينية من الديناصورات - لكنها تدوم لفترة أطول مما كان يعتقد.

قلة من الباحثين أعطوا مصداقية للادعاءات القائلة بأن عينات الحمض النووي للديناصورات قد نجت حتى يومنا هذا ، لكن لم يعرف أحد كم من الوقت سيستغرق تفكك المادة الجينية. الآن ، دراسة عن الحفريات التي عُثر عليها في نيوزيلندا تضع الأمر في راحة - وتضع حدًا للآمال في استنساخ الديناصور ريكس.

بعد موت الخلية ، تبدأ الإنزيمات في تفكيك الروابط بين النيوكليوتيدات التي تشكل العمود الفقري للحمض النووي ، وتسرع الكائنات الحية الدقيقة من التحلل. ومع ذلك ، يُعتقد على المدى الطويل أن التفاعلات مع الماء هي المسؤولة عن معظم تدهور الروابط. المياه الجوفية منتشرة في كل مكان تقريبًا ، لذا يجب من الناحية النظرية أن يتحلل الحمض النووي في عينات العظام المدفونة بمعدل محدد.

كان تحديد هذا المعدل صعبًا لأنه من النادر العثور على مجموعات كبيرة من الأحافير المحتوية على الحمض النووي لإجراء مقارنات ذات مغزى. ومما زاد الطين بلة ، أن الظروف البيئية المتغيرة مثل درجة الحرارة ودرجة الهجوم الميكروبي والأكسجين تغير سرعة عملية الاضمحلال.

لكن علماء الوراثة القديمة بقيادة مورتن ألينتوفت في جامعة كوبنهاغن ومايكل بونس من جامعة مردوخ في بيرث بأستراليا ، فحصوا 158 عظام أرجل تحتوي على الحمض النووي تنتمي إلى ثلاثة أنواع من الطيور العملاقة المنقرضة المسماة moa. تم انتشال العظام ، التي يتراوح عمرها بين 600 و 8000 عام ، من ثلاثة مواقع على بعد 5 كيلومترات من بعضها البعض ، مع ظروف حفظ متطابقة تقريبًا بما في ذلك درجة حرارة 13.1 درجة مئوية. تم نشر النتائج اليوم في وقائع الجمعية الملكية ب 1 .

بمقارنة أعمار العينات ودرجات تدهور الحمض النووي ، حسب الباحثون أن نصف عمر الحمض النووي هو 521 عامًا. هذا يعني أنه بعد 521 عامًا ، فإن نصف الروابط بين النيوكليوتيدات في العمود الفقري للعينة قد تنكسر بعد 521 عامًا أخرى ، فإن نصف الروابط المتبقية ستختفي وهكذا.

يتوقع الفريق أنه حتى في العظام عند درجة حرارة حفظ مثالية تبلغ -5 درجة مئوية ، فإن كل رابطة سيتم تدميرها بشكل فعال بعد 6.8 مليون سنة كحد أقصى. سيتوقف الحمض النووي عن القراءة قبل ذلك بكثير - ربما بعد ما يقرب من 1.5 مليون سنة ، عندما تكون الخيوط المتبقية أقصر من أن تعطي معلومات مفيدة.

يقول سايمون هو ، عالم الأحياء التطورية الحاسوبية في جامعة سيدني في أستراليا: "هذا يؤكد الشكوك السائدة حول صحة ادعاءات الديناصورات والحشرات القديمة المحتجزة في الكهرمان". ومع ذلك ، على الرغم من أن 6.8 مليون سنة لا تقترب في أي مكان من عمر عظام الديناصورات - والتي قد تكون على الأقل 65 مليون سنة - "قد نكون قادرين على تحطيم الرقم القياسي لأقدم تسلسل DNA أصيل ، والذي يبلغ حاليًا حوالي نصف مليون سنوات ، "يقول هو.

كانت الحسابات في الدراسة الأخيرة واضحة تمامًا ، ولكن لا تزال هناك أسئلة كثيرة.

يقول مايكل كناب ، عالم علم الوراثة القديمة بجامعة أوتاجو في دنيدن بنيوزيلندا: "أنا مهتم جدًا بمعرفة ما إذا كان من الممكن إعادة إنتاج هذه النتائج في بيئات مختلفة جدًا مثل التربة الصقيعية والكهوف".

علاوة على ذلك ، وجد الباحثون أن الفروق العمرية تمثل 38.6 ٪ فقط من التباين في تدهور الحمض النووي بين عينات عظام moa. يقول بونس: "من الواضح أن هناك عوامل أخرى تؤثر على حفظ الحمض النووي". "التخزين بعد التنقيب ، وكيمياء التربة وحتى الوقت من العام الذي مات فيه الحيوان ، كلها عوامل مساهمة على الأرجح ستحتاج إلى النظر فيها."


كم من الوقت يستمر الحمض النووي؟

حتى الحد الأدنى من التعرض لعلوم الطب الشرعي في برامج مثل CSI و NCIS سوف يثير إعجاب المشاهد ما هو تحليل الحمض النووي الضخم. إنه عكس الأدلة الظرفية: دليل لا يمكن إنكاره على هوية شخص ما يستحيل تزويره ، باستثناء استبدال عينة بأخرى. يمكن تطبيق هذه التقنية على ضحايا القتل أو الملوك الإنجليز الذين ماتوا منذ فترة طويلة أو الأطفال غير الشرعيين وآباءهم المتهربين من الحضانة - أي موضوع يمكن استخلاص معلومات وراثية سليمة منه - وهذا ما يجعل الحمض النووي أداة قيمة في الدراسة الأنثروبولوجية. في تحقيقات الشرطة. بالنسبة لموضوع مات منذ فترة طويلة ، فإن الحمض النووي له تاريخ انتهاء صلاحية ، ولكن متى يكون بالضبط؟

تم ترميز الصيغة الكاملة لحياة الإنسان في جزيئات شبه مجهرية من حمض الديوكسي ريبونوكلييك ، وكانت موجودة في جميع مراحل التطور. مثل بصمات الأصابع ، الكود الجيني خاص بالفرد ، مما يجعله معرفًا فريدًا في حالة عدم وجود معلومات أخرى ، مثل سجلات الأسنان الحديثة. ومع ذلك ، فإن الحمض النووي هش ويتفكك بمرور الوقت. تختلف المدة التي تستغرقها عملية التحلل باختلاف الظروف التي تم العثور عليها فيها. خذ على سبيل المثال ، إذا تعرض الحمض النووي للعناصر: مثل جسم الإنسان نفسه ، يتحلل الحمض النووي بسرعة متزايدة في وجود الحرارة والماء وأشعة الشمس والأكسجين. تسرع هذه الظروف الأساسية للحياة أيضًا عملية الموت ، مما قد يجعل الحمض النووي عديم الفائدة للتحليل في غضون أسابيع.

قدر العلماء أنه في ظل أفضل الظروف ، يمكن للحمض النووي أن يعيش نظريًا لمدة أقصاها مليون سنة. على الرغم من أن فريقًا من الباحثين زعم ​​مؤخرًا أنه اكتشف مادة وراثية عمرها 419 مليون عام تنتمي إلى بكتيريا ما قبل التاريخ في حوض ميشيغان ، إلا أن آخرين في هذا المجال عارضوا هذا الادعاء بصوت عالٍ ، لا سيما في ضوء عينة سابقة يُعتقد أنها تعود إلى 250 مليون سنة قديمة ، لكنها أثبتت لاحقًا أنها ملوثة بوجود الحمض النووي الحديث. أقدم عينات الحمض النووي الفعلية تأتي من جرينلاند (الجليدية ، على عكس أيسلندا ، الخضراء) ، المستخرجة من تحت ميل من الجليد ، "المجمد الطبيعي المثالي" للحفاظ على الحمض النووي. تقدم العينات التي يتراوح عمرها بين 450.000 و 800.000 عام دليلاً على الحياة الخضراء على اليابسة الآن القاحلة إلى حد كبير.

فيما يتعلق بالمواد الجينية البشرية ، فإن الرقم القياسي لأقدم حمض نووي لإنسان نياندرتال مسجل في عينة عمرها 100000 عام وجدت في كهف بلجيكي. تم اكتشاف أطول عينة من الحمض النووي البشري تدوم طويلاً في شمال شرق إسبانيا ، وتفتخر بعمر بقاء يبلغ 7000 عام. في كلتا الحالتين ، سمحت التقنيات التي ابتكرتها الدكتورة روندا روبي للباحثين باستخدام الحمض النووي للميتوكوندريا بدلاً من النوع الموجود في نواة الخلية ، على الرغم من أن الحمض النووي للميتوكوندريا لا يحتوي إلا على معلومات وراثية جزئية فقط ، إلا أنه يوفر أدلة كافية لتحديد الهوية وهو موجود بكثرة أكبر من الحمض النووي. الحمض النووي ، يزيد من احتمالات بقائه على قيد الحياة.

إلى متى يستمر الحمض النووي؟ الإجابة المختصرة هي أنها معقدة ، ويتم تحديدها من خلال عدد من العوامل غير المتوقعة مثل الطقس ومكان الراحة الأخير للكائن الحي. قد يكون الحمض النووي الخاص بك هو الإرث الجزيئي الذي تتركه وراءك ، ولكن بمجرد وفاتك ، لا يمكنك فعل الكثير حيال ذلك.


كيف وصلنا إلى هنا؟

تم حقن mRNA لأول مرة في عضلات الفئران في عام 1990 بهدف إيصال البروتينات العلاجية. لكن هذا الجهد "لم يذهب بعيدًا" ، وفقًا لوايزمان ، ويرجع ذلك في جزء كبير منه إلى الاستجابة الالتهابية القوية التي أحدثها ، والتي أصابت الحيوانات المصابة بالمرض بشدة.

وذلك لأنه في كل من الحيوانات والبشر ، تتميز الخلايا بعدد من المستقبلات المختلفة التي يمكنها التعرف على mRNA على أنه مادة غريبة يجب تدميرها. تساعد هذه المستقبلات هذه الخلايا على تمييز الخلايا الزميلة عن الغزاة مثل الفيروسات أو البكتيريا أو حتى الخلايا السرطانية.

يتكون كل من RNA و DNA من أربعة نيوكليوتيدات. بعد أكثر من عقد من الحقن الأول في الفئران ، توصل Weissman و Karikó ، اللذان يشغلان الآن منصب نائب الرئيس الأول في BioNTech ، التي دخلت في شراكة مع شركة Pfizer لتصنيع لقاحهما المشترك ، إلى إيجاد طريقة لإدخال نيوكليوتيد معدل يسمح لـ mRNA الاصطناعي بالقيام بذلك. تتنكر كخلية طبيعية وتتحايل على تلك المستقبلات ، ولم تعد تسبب التهابًا شديدًا. كما أنه جعل إنتاج البروتين المدفوع بالـ mRNA أكثر كفاءة.

كان اكتشافنا الكبير هو أنه يمكننا تعديل الحمض النووي الريبي لجعله غير التهابي. وقال وايزمان إن ذلك كان له ميزتان مهمتان ، لكن أولهما أنه زاد بشكل كبير من كمية البروتين المصنوع من الحمض النووي الريبي ، مما زاد من الفاعلية.

مع حل مشكلة الالتهاب ، لجأ ويسمان وكاريكو إلى تعديل كيفية توصيل الرنا المرسال حتى يتمكن من أداء وظيفته بمجرد حقنه في الجسم. إن mRNA هو مادة "قابلة للتغير" أو غير مستقرة بطبيعتها ، ويمكن أن تتحلل بسرعة إلى درجة تجعلها غير فعالة.

بعد اختبار حوالي 40 نوعًا مختلفًا من أنظمة التوصيل ، وجد الباحثون تذكرتهم الذهبية: الجسيمات النانوية الدهنية. تغلف "قطرات الدهون" الرنا المرسال وتسمح لها بالدخول بنجاح إلى خلايانا ، والتي يتم تغليفها أيضًا بمادة زيتية.

عادة ما تصاغ اللقاحات التقليدية بمواد مساعدة مصممة لتحفيز الاستجابة المناعية لدى متلقيها. في ما وصفه وايزمان بأنه تطور محظوظ ، تصادف أن تعمل الجسيمات النانوية الدهنية كمساعد يحفز نوعًا معينًا من "الخلايا المساعدة" التي تعزز استجابات الجسم المضاد.

"نستخدم الجسيمات النانوية الدهنية للتغلب على الكثير من [مشاكل] الهشاشة لأن ذلك يحمي [mRNA] بعد حقنها في الأشخاص ، وقد شجع هذه الخلايا على تناول [mRNA] وبدء عملية اللقاح ،" قال وايزمان.


ما هي مدة صلاحية الحمض النووي؟

تصوير أندرو كوي / وكالة الصحافة الفرنسية / غيتي إيماجز

تم العثور على جثة ريتشارد الثالث تحت موقف للسيارات في ليستر ، إنجلترا ، وفقًا لخبراء من جامعة ليستر. تم استخدام اختبار الحمض النووي لمطابقة الملك سيئ السمعة مع الحمض النووي من سليل أخته. ما هي مدة صلاحية الحمض النووي؟

حوالي شهر إلى مليون سنة نظريا. يعتمد معدل اضمحلال الحمض النووي على ظروف تخزينه وتعبئته. قبل كل شيء ، يعتمد الأمر على ما إذا كان الحمض النووي يتعرض للحرارة والماء وأشعة الشمس والأكسجين. إذا تُرك الجسم في الشمس والمطر ، فسيكون الحمض النووي مفيدًا للاختبار لبضعة أسابيع فقط. إذا تم دفنه على بعد بضعة أقدام تحت الأرض ، فسيستمر الحمض النووي لحوالي 1000 إلى 10000 عام. إذا تم تجميده في جليد القطب الجنوبي ، فقد يستمر لبضع مئات الآلاف من السنين. للحصول على أفضل النتائج ، يجب تجفيف العينات وتعبئتها بتفريغ الهواء وتجميدها عند درجة حرارة -80 درجة مئوية تقريبًا. وحتى في هذه الحالة ، من المرجح أن يجعل الإشعاع المحيط الحمض النووي غير معروف قبل أن يحتفل بعيد ميلاده المليون.

يؤكد بعض العلماء أن الحمض النووي يمكن أن يعيش بعد تقديراتنا النظرية الحالية. في الواقع ، ادعى العديد من العلماء أنهم عثروا على حمض نووي عمره مئات الملايين من السنين. في عام 2009 ، أفاد فريق من الباحثين أنهم عثروا على حمض نووي عمره 419 مليون عام داخل رواسب الملح القديمة في حوض ميشيغان. إذا تم تأكيده ، فسيكون أقدم حمض نووي تم اكتشافه على الإطلاق. ومع ذلك ، فإن بعض الخبراء الذين يدرسون الحمض النووي القديم يشككون بشدة في هذه الادعاءات ، مشيرين إلى أنها عادة ما تكون نتاج تلوث في المختبر. قدر علماء آخرون يدرسون عظام الطيور أنه في ظل الظروف المثالية ، يبلغ عمر النصف للحمض النووي حوالي 521 عامًا ، مما يعني أنه سيتحلل إلى حد كبير ليصبح عديم الفائدة بعد حوالي مليون عام.

على الرغم مما قد يخبرك به جون هاموند والسيد دي إن إيه ، فإن العنبر لا يقوم بعمل جيد في الحفاظ على الحمض النووي طازجًا. في حين أن عصارة الأشجار المتحجرة يمكن أن تحافظ على الهياكل العظمية للحشرات لعشرات الملايين من السنين ، فإن الحمض النووي داخل الحشرات ينهار بسرعة كبيرة. عندما يموت الكائن الحي ، يتم إطلاق الإنزيمات التي تبدأ في تكسير الحمض النووي على الفور تقريبًا. وبالمثل ، قد تبدو المومياوات المصرية بحالة جيدة - فالعديد من البروتينات في شعرها وعضلاتها سليمة - لكن حمضها النووي يتحلل بسرعة في الحرارة. كقاعدة عامة ، المظهر الخارجي ليس مؤشرًا جيدًا على ما إذا كان الحمض النووي لا يزال سليمًا.

ربما تم اكتشاف أقدم حمض نووي تم اكتشافه في الطين المتجمد المأخوذ من قاعدة صفيحة جليدية في جرينلاند. يقدر بعمر 450.000 إلى 800.000 سنة. احتوت العينة على مادة وراثية من الفراشات وأشجار الصنوبر وكائنات أخرى. حطمت الحمأة المجمدة الرقم القياسي السابق للنباتات المجمدة في الجليد في سيبيريا ، والتي نمت هناك قبل 400000 عام. تم العثور على الحمض النووي للإنسان البدائي الذي يبلغ عمره حوالي 100000 عام. عندما يتعلق الأمر بالإنسان الحديث ، فإن أقدم حمض نووي تم استعادته حتى الآن كان عمره حوالي 5000 إلى 7000 عام فقط. في عام 2008 ، استخدم الباحثون عينات من الحمض النووي عمرها آلاف السنين لتسلسل جينوم الماموث الصوفي المنقرض. بينما تساءل الكثيرون عما إذا كنا قادرين على استنساخ أحد المخلوقات ، فإن مثل هذا المسعى يمثل تحديات ضخمة. بينما نجح باحثون إسبان في إحياء نوع منقرض من الوعل في عام 2009 ، مات بسبب صعوبات في التنفس بعد سبع دقائق ، على الأرجح بسبب عيوب في حمضه النووي.

في جهودهم لتحديد ريتشارد الثالث ، استخدم الباحثون نوعًا من الحمض النووي يسمى DNA الميتوكوندريا - وهذا ما يسمى لأنه موجود في الميتوكوندريا في الخلية وليس في النواة. لا يحتوي الحمض النووي للميتوكوندريا على الجينوم البشري الكامل ، مما يجعله غير مفيد للعديد من أغراض الباحثين. ومع ذلك ، نظرًا لأنها أكثر وفرة - غالبًا ما توجد مئات الميتوكوندريا في الخلية ، ونواة واحدة فقط - فإن الاحتمالات أفضل من إمكانية العثور على الحمض النووي للميتوكوندريا سليمًا من الحمض النووي.


بدون الإنزيمات ، يستغرق التفاعل البيولوجي الضروري للحياة 2.3 مليار سنة: دراسة جامعة الأمم المتحدة

نشر الدكتور ريتشارد ولفندن ، أستاذ خريجي الكيمياء الحيوية والفيزياء الحيوية ، وعضو الأكاديمية الوطنية للعلوم ، والمؤلف المشارك تشارلز لويس ، دكتوراه تقريرًا في عدد نوفمبر من وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم يوضح أنه بدون إنزيمات لتسريع العملية ، سيستغرق الأمر 2.3 مليار سنة لإكمال التحول البيولوجي الحيوي.

ريتشارد ولفندن ، دكتوراه

تعتمد جميع التفاعلات البيولوجية داخل الخلايا البشرية على الإنزيمات. تمكن قوتهم كمحفزات من حدوث تفاعلات بيولوجية عادة في أجزاء من الثانية. ولكن ما مدى بطء سير هذه التفاعلات بشكل عفوي ، في غياب الإنزيمات - دقائق ، ساعات ، أيام؟ ولماذا حتى طرح السؤال؟

أحد العلماء الذي يدرس هذه القضايا هو ريتشارد ولفندن ، دكتوراه ، أستاذ خريج متميز في الكيمياء الحيوية والفيزياء الحيوية والكيمياء في جامعة نورث كارولينا في تشابل هيل. يشغل ولفندن مناصب في كل من كلية الطب وكلية الآداب والعلوم وهو عضو في الأكاديمية الوطنية للعلوم.

في عام 1995 ، ذكر ولفندن أنه بدون إنزيم معين ، فإن التحول البيولوجي الذي اعتبره "ضروريًا للغاية" في تكوين اللبنات الأساسية للحمض النووي والحمض النووي الريبي سيستغرق 78 مليون سنة.

قال ولفندن: "لقد وجدنا الآن رد فعل - مرة أخرى ، في حالة عدم وجود إنزيم - يكون أبطأ بنحو 30 مرة من ذلك". نصف عمرها - الوقت الذي يستغرقه نصف المادة ليتم استهلاكها - هو 2.3 مليار سنة ، أي حوالي نصف عمر الأرض. يمكن للإنزيمات أن تجعل هذا التفاعل يحدث في أجزاء من الثانية ".

مع المؤلف المشارك تشارلز أ.لويس ، دكتوراه ، عالم ما بعد الدكتوراه في مختبره ، نشر ولفندن تقريرًا عن النتائج الجديدة التي توصلوا إليها مؤخرًا في الطبعة الأولى على الإنترنت من وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم. ومن المقرر أن تظهر الدراسة في طبعة 11 نوفمبر / تشرين الثاني المطبوعة.

وأشار ولفندن إلى أن التفاعل المعني ضروري للتخليق الحيوي للهيموجلوبين والكلوروفيل. ولكن عندما يتم تحفيزه بواسطة إنزيم uroporphyrinogen decarboxylase ، فإن معدل إنتاج الكلوروفيل والهيموغلوبين في الخلايا "يزداد بعامل مذهل ، وهو ما يعادل الفرق بين قطر الخلية البكتيرية والمسافة من الأرض إلى الشمس".

قال ولفندن: "هذا الإنزيم ضروري لكل من الحياة النباتية والحيوانية على هذا الكوكب". "ما نحدده هنا هو ما يجب على التطور التغلب عليه ، أن الإنزيم يتغلب على عقبة هائلة ، رد فعل نصف عمر يبلغ 2.3 مليار سنة."

قال ولفندن إن معرفة المدة التي ستستغرقها التفاعلات بدون الإنزيمات تسمح لعلماء الأحياء بتقدير تطورها كمحفزات غزيرة الإنتاج. كما أنها تمكن العلماء من مقارنة الإنزيمات بالمحفزات الصناعية المنتجة في المختبر.

وقال "بدون المحفزات ، لن تكون هناك حياة على الإطلاق ، من الميكروبات إلى البشر". "إنه يجعلك تتساءل كيف يعمل الانتقاء الطبيعي بطريقة تنتج بروتينًا ينطلق من الأرض كمحفز بدائي لمثل هذا التفاعل البطيء للغاية."

يمكن للطرق التجريبية لرصد التفاعلات البطيئة جدًا أن تولد أيضًا معلومات مهمة لتصميم الدواء العقلاني بناءً على الدراسات الجزيئية الخلوية.

قال ولفندن: "إن الإنزيمات التي تقوم بعمل مذهل في التحفيز الكيميائي هي ، دون أدنى شك ، الأهداف الأكثر حساسية لتطوير الأدوية". "الإنزيمات التي ندرسها رائعة لأنها تفوق جميع الإنزيمات المعروفة الأخرى في قوتها كمحفزات."

أجرى ولفندن بحثًا مكثفًا حول آليات الإنزيم والصلات المائية للمركب البيولوجي. أثر عمله أيضًا على التصميم العقلاني للعقار ، وساعدت النتائج التي توصل إليها مختبره في تحفيز تطوير عقاقير مثبطات الإنزيم المحول للأنجيوتنسين ، والتي تُستخدم الآن على نطاق واسع لعلاج ارتفاع ضغط الدم والسكتة الدماغية. كما أدت الأبحاث التي أجريت على الإنزيمات كمحفزات بارعة إلى تصميم مثبطات الأنزيم البروتيني التي تُستخدم لعلاج عدوى فيروس العوز المناعي البشري.

قال ولفندن: "لقد بدأنا فقط في فهم كيفية تسريع التفاعلات مع المحفزات الكيميائية ، ولم يأت أحد حتى على مسافة صاخبة لإنتاج أو توقع حجم قوتها التحفيزية".

جاء دعم هذا البحث من المعهد الوطني للطب العام ، وهو أحد مكونات المعاهد الوطنية للصحة.


كم من الوقت يستغرق تحلل الحمض النووي - علم الأحياء

تقود eDNA التقدم السريع في علم البيئة والتطور والحفظ.

يوفر eDNA رؤى آلية في العمليات البيئية والتطورية.

ومن أهم هذه العوامل تحسين القدرة على استكشاف العمليات على مستوى النظام الإيكولوجي.

ندرس الحدود الحالية لـ eDNA ، ونحدد الجوانب الرئيسية التي تتطلب التحسين.

نقترح التطورات والأولويات المستقبلية لبحوث eDNA.

لقد أثبت استخراج الحمض النووي وتحديده من عينة بيئية أنه جدير بالملاحظة مؤخرًا في اكتشاف ورصد الأنواع الشائعة ليس فقط ، ولكن أيضًا الأنواع المهددة بالانقراض أو الغازية أو المراوغة. تجعل السمات الخاصة لما يسمى بتحليل الحمض النووي البيئي (eDNA) أداة فعالة لتوضيح الرؤى الميكانيكية في العمليات البيئية والتطورية. ومن أهم هذه العوامل تحسين القدرة على استكشاف العمليات على مستوى النظام الإيكولوجي ، وتوليد المؤشرات الكمية لتحليلات الأنواع ، وتنوع المجتمع ، والديناميكيات ، والفرص الجديدة من خلال استخدام عينات التسلسل الزمني والحساسية غير المسبوقة للكشف عن الحالات النادرة أو الصعبة- لأخذ عينات من الأصناف. على الرغم من استمرار التحديات التقنية ، فإننا هنا ندرس الحدود الحالية لـ eDNA ، ونحدد الجوانب الرئيسية التي تتطلب التحسين ، ونقترح التطورات والابتكارات المستقبلية للبحث.


النتائج

استجابة بطيئات المشية المجففة بعد الإجهاد الحراري عند 37 درجة مئوية

متوسط ​​25.8 (sd = 6.6) P. richtersi تم استخراج العينات في مكررات فضلات أوراق الشاهد ، وتم استخراج متوسط ​​24.5 (sd = 7.2) حيوان في مكررات مضغوطة.

كانت معدلات البقاء النهائية لكل من الحيوانات المجهدة والضابطة عالية دائمًا (أكثر من 80 ٪) ، بغض النظر عن مدة التجربة (7 و 14 و 21 يومًا الشكلان 1 و 2). كانت معدلات البقاء النهائية لبطيئات المشية المستخرجة من فضلات الأوراق مباشرة قبل بدء التجربة 83.4٪ (sd = 9.9).

لم تسجل فروق ذات دلالة إحصائية في معدلات البقاء على قيد الحياة النهائية بين بطيئات المشية المجهدة والسيطرة في أي اختبار للبقاء على قيد الحياة. لم تسجل فروق ذات دلالة إحصائية بين معدلات البقاء النهائية في كل من الحيوانات المجهدة والضابطة بشكل مستقل عن مدة التجربة (7 ، 14 و 21 يوما). بالإضافة إلى ذلك ، لم تسجل أي فروق ذات دلالة إحصائية بين معدلات البقاء النهائية لكل من بطيئات المشددة والضابطة فيما يتعلق بمعدلات البقاء النهائية المسجلة قبل بداية التجربة.

كانت Δ انتعاش الحيوانات المجهدة عند 37 درجة مئوية دالة على الأيام التي قضاها في الفرن (اختبار ارتباط بيرسون: ص= 0.004 الشكل 3). كان شفاء الحيوانات المجهدة لمدة 21 يومًا أعلى بكثير من تعافي الحيوانات المجهدة لمدة سبعة أيام (مان ويتني يو-اختبار: ص= 0.034) وتلك الخاصة بطيئات المشية التي جمعت في فضلات الأوراق قبل بداية التجربة (مان ويتني يو-اختبار: ص= 0.034). كلما زاد التعافي ، زاد عدد الحيوانات التي تحتاج إلى وقت أطول لاستعادة الحياة النشطة. لم تسجل فروق ذات دلالة إحصائية في Δ الاسترداد بين الضوابط.

استجابة بطيئات المشية المجففة بعد التأثيرات المجمعة للإجهاد الحراري عند 37 درجة مئوية ورطوبة نسبية مختلفة

في التجربة أ (بطيئات المشية المجففة بشكل طبيعي داخل فضلات الأوراق) ، متوسط ​​23.4 (sd = 9.2) P. richtersi تم استخراج العينات من مكررات فضلات الأوراق. تم تسجيل أعلى معدل بقاء نهائي (76.4٪ ، sd = 6.6) للحيوانات المحفوظة عند 0-3٪ RH ، بينما تم تسجيل أدنى معدل (61.1٪ ، sd = 6.6) للحيوانات التي تم الحفاظ عليها عند 80٪ RH (الشكل 4) . تم العثور على علاقة عكسية كبيرة بين معدلات البقاء على قيد الحياة النهائية وقيم RH (اختبار ارتباط بيرسون: ص= 0.003). كان معدل البقاء النهائي للحيوانات المحفوظة عند 0-3٪ رطوبة نسبية أعلى بكثير من تلك المحفوظة عند 80٪ رطوبة نسبية (مان ويتني يو-اختبار: ص=0.009).

بقاء العينات المجففة من Paramacrobiotus richtersi في مكررات السيطرة. أيام الصفر تتوافق مع بداية التجربة. يمثل كل عمود متوسط ​​شريط القيمة في كل عمود يمثل الانحراف المعياري.

بقاء العينات المجففة من Paramacrobiotus richtersi في مكررات السيطرة. أيام الصفر تتوافق مع بداية التجربة. يمثل كل عمود متوسط ​​شريط القيمة في كل عمود يمثل الانحراف المعياري.

كان الاسترداد Δ مرتبطًا بشكل مباشر بقيم RH (اختبار ارتباط بيرسون: ص& lt0.001). كان الانتعاش المسجل عند 80٪ رطوبة نسبية أعلى بكثير من ذلك المسجل عند 0-3٪ رطوبة نسبية (مان ويتني يو-اختبار: ص= 0.009) وبنسبة 20٪ رطوبة نسبية (RH) (مان ويتني يو-اختبار: ص= 0.009). لم يتم تسجيل فرق كبير في Δ الانتعاش بين 0-3٪ و 20٪ رطوبة نسبية.

في بطيئات المشية المجففة تجريبياً على ورق نشاف (التجربة ب) ، تم تسجيل أعلى بقاء نهائي (82.0٪ ، sd = 17.9) للعينات المحفوظة عند 0-3٪ رطوبة نسبية (الشكل 5). تم الحفاظ على البقاء النهائي للحيوانات عند 20٪ رطوبة نسبية و 50٪ رطوبة نسبية 58.0٪ (sd = 11.0) و 56.4٪ (sd = 10.0) ، على التوالي. ماتت جميع الحيوانات المحفوظة عند 80٪ من الرطوبة النسبية (الشكل 5).

تم العثور على علاقة عكسية بين معدلات البقاء على قيد الحياة النهائية ومستويات RH (اختبار ارتباط بيرسون: ص& lt0.001). كانت نسبة البقاء على قيد الحياة النهائية عند 0-3٪ أعلى بكثير من تلك المسجلة عند 20٪ RH (Mann-Whitney يو-اختبار: ص= 0.039) وعند 50٪ رطوبة نسبية (RH) (مان ويتني يو-اختبار: ص=0.026).

بقاء العينات المجففة من Paramacrobiotus richtersi بعد الإجهاد الحراري عند 37 درجة مئوية. يمثل كل عمود متوسط ​​شريط القيمة في كل عمود يمثل الانحراف المعياري.

بقاء العينات المجففة من Paramacrobiotus richtersi بعد الإجهاد الحراري عند 37 درجة مئوية. يمثل كل عمود متوسط ​​شريط القيمة في كل عمود الانحراف المعياري.

Paramacrobiotus richtersi. تم تسجيل عمليات الاسترداد في مكررات التحكم والمعالجة. تمثل الخطوط منحنيات خطية للتكيف مع البيانات الإجمالية.

Paramacrobiotus richtersi. تم تسجيل عمليات الاسترداد في مكررات التحكم والمعالجة. تمثل الخطوط منحنيات خطية للتكيف مع البيانات الإجمالية.

انتعاش الحيوانات المجففة المحفوظة عند 50٪ رطوبة نسبية أعلى بشكل ملحوظ (مان ويتني يو-اختبار: ص= 0.007) من بطيئات المشية التي تم الحفاظ عليها عند 20٪ رطوبة نسبية. لم تسجل فروق ذات دلالة إحصائية في الانتعاش بين 50٪ - (0-3)٪ رطوبة نسبية وبين (0-3) - 20٪ رطوبة نسبية. أخيرًا ، لم يتم العثور على علاقة بين Δ الانتعاش ومستويات RH.

تدهور الحمض النووي

لم يلاحظ أي أضرار مرئية في الحمض النووي مزدوج الشريطة لعينات مجففة من P. richtersi احتفظ بها لمدة 21 يومًا عند 37 درجة مئوية و 20٪ ، 50٪ أو 80٪ رطوبة نسبية وفي الضوابط (بطيئات المشية النشطة رطبة أو مجففة الشكل 6). لم تظهر جميع الممرات أي تلطيخ ، وهو ما يرتبط عادةً بتدهور الحمض النووي. لم تُلاحظ أي أضرار مرئية في الحمض النووي الخيطي الفردي لعناصر التحكم (بطيئات المشية النشطة أو المجففة الشكل 7) وفي بطيئات المشية المحفوظة لمدة 21 يومًا عند 20٪ رطوبة نسبية. ومع ذلك ، لوحظ تلطيخ في بطيئات المشية المجففة المحفوظة لمدة 21 يومًا عند 37 درجة مئوية و 50٪ أو 80٪ رطوبة نسبية ، مما يشير إلى وجود فواصل حبلا مفردة.

البقاء على قيد الحياة Paramacrobiotus richtersi العينات التي تم تجفيفها بشكل طبيعي داخل فضلات الأوراق وتعرضت لقيم مختلفة من الرطوبة النسبية للهواء (RH) ولإجهاد حراري عند 37 درجة مئوية لمدة 21 يومًا (التجربة أ). يمثل كل عمود شريط القيمة المتوسطة في كل عمود يمثل الانحراف المعياري.

البقاء على قيد الحياة Paramacrobiotus richtersi العينات التي تم تجفيفها بشكل طبيعي داخل فضلات الأوراق وتعرضت لقيم مختلفة من الرطوبة النسبية للهواء (RH) ولإجهاد حراري عند 37 درجة مئوية لمدة 21 يومًا (التجربة أ). يمثل كل عمود متوسط ​​شريط القيمة في كل عمود الانحراف المعياري.

البقاء على قيد الحياة Paramacrobiotus richtersi تم تجفيف العينات تجريبياً على ورق نشاف وتعرضت لقيم مختلفة من الرطوبة النسبية للهواء (RH) ولإجهاد حراري عند 37 درجة مئوية لمدة 21 يومًا (التجربة ب). يمثل كل عمود متوسط ​​شريط القيمة في كل عمود الانحراف المعياري.

البقاء على قيد الحياة Paramacrobiotus richtersi تم تجفيف العينات تجريبياً على ورق نشاف وتعرضت لقيم مختلفة من الرطوبة النسبية للهواء (RH) ولإجهاد حراري عند 37 درجة مئوية لمدة 21 يومًا (التجربة ب). يمثل كل عمود متوسط ​​شريط القيمة في كل عمود يمثل الانحراف المعياري.


من إصدار يونيو 2016

تحقق من جدول المحتويات الكامل وابحث عن قصتك التالية لقراءتها.

شاهدت كارول باتي المقطع بأكمله ، بسرعة. بمجرد انتهائها ، أرسلت بريدًا إلكترونيًا إلى KHOU 11. "ابني اسمه يوشيا ساتون" ، بدأت ، "وقد اتُهم زورًا بارتكاب جريمة." قبل أربع سنوات ، أوضح باتي ، أنه تم القبض على جوشيا ، الذي كان يبلغ من العمر 16 عامًا ، وجاره غريغوري آدامز ، 19 عامًا ، بتهمة اغتصاب امرأة من هيوستن تبلغ من العمر 41 عامًا ، والتي أبلغت الشرطة أن شابين اختطفاها من موقف السيارات. من مجمع شقتها وتناوبوا على الاعتداء عليها أثناء تجولهم في المدينة في سيارة فورد إكسبيديشن.

بعد أيام قليلة من الإبلاغ عن الجريمة ، رصدت المرأة ساتون وآدامز يسيران في أحد الشوارع في جنوب غرب هيوستن. أوقفت سيارة دورية عابرة وأخبرت الضباط بداخلها أنها رأت مغتصبيها. احتجزت الشرطة الصبية وأحضرتهم إلى مركز قريب للاستجواب. منذ البداية ، نفى ساتون وآدامز أي تورط. كلاهما كان لديه أعذار ، ولم يطابق أي منهما الملف الشخصي من رواية الضحية الأصلية: لقد وصفت المعتدين عليها بأنهم قصيرون ونحيفون. كان آدامز 5 أقدام و 11 و 180 رطلاً. كان ساتون أطول بثلاث بوصات وأثقل بمقدار 25 رطلاً ، قائد فريق كرة القدم في المدرسة الثانوية.

كان من الصعب دحض دليل الحمض النووي. بعد مشاهدة ما يكفي من التلفزيون في أوقات الذروة للاعتقاد بأن اختبار الحمض النووي سيبرئهم ، وافق ساتون وآدامز ، أثناء الاحتجاز ، على تزويد الشرطة بعينات من الدم. تم إرسال الدم إلى مختبر الجريمة في هيوستن ، حيث قام محلل يدعى كريستي كيم باستخراج وتضخيم الحمض النووي من العينات حتى تظهر العلامات الجينية المميزة التي تسبح في كل خلية بشرية ، على شرائط الاختبار ، كخط متعرج من النقاط الزرقاء.

يوشيا ساتون مع والدته في عام 2003 ، بعد أسبوع من إطلاق سراحه من السجن. قضى ساتون أربع سنوات بتهمة الاعتداء الجنسي قبل تبرئته على أساس أدلة الحمض النووي المعيبة. (مايكل Stravato / AP)

ثم قارن كيم تلك النتائج بالحمض النووي الذي تم الحصول عليه من جسم الضحية وملابسه ومن بقعة السائل المنوي الموجودة في الجزء الخلفي من الرحلة الاستكشافية. احتوت المسحة المهبلية على مزيج معقد من مادة وراثية من ثلاثة مساهمين على الأقل ، بما في ذلك الضحية نفسها. كان على كيم تحديد ما إذا كان يمكن العثور على العلامات الجينية لـ Sutton أو Adams في أي مكان في نمط النقاط. تقريرها ، الذي تم تسليمه إلى الشرطة والمدعين العامين ، لم يورط آدامز ، لكنه خلص إلى أن الحمض النووي لساتون كان "متسقًا" مع الخليط من المسحة المهبلية.

في عام 1999 ، وجدت هيئة المحلفين أن ساتون مذنب بارتكاب جرائم خطف واعتداء جنسي. حُكم عليه بالسجن 25 عامًا. قال لي باتي: "كنت أعرف أن يوشيا بريء". "عرفت في قلبي. لكن ماذا يمكنني أن أفعل؟ " كتبت إلى الحاكم وممثلي الولاية ، لكن لم يثبت أحد استعداده للمساعدة. وكتبت أيضًا إلى المحامين في مشروع Innocence في نيويورك ، الذين أخبروها أنهم ، كقاعدة عامة ، لم يأخذوا القضايا التي تم فيها تحديد تطابق نهائي للحمض النووي.

بدأت باتي تعتقد أن ابنها لن يتم إطلاق سراحه أبدًا. لكن مقطع KHOU 11 ، الأول من سلسلة استقصائية متعددة الأجزاء في مختبر الجريمة في هيوستن ، شجعها. بعد وقت قصير من إرسال بريد إلكتروني للمحطة ، تلقت مكالمة من ديفيد رازق ، منتج تلفزيوني مخضرم مسؤول عن وحدة التحقيق في KHOU 11. في سياق عملهم على المسلسل ، كشف رازق وفريقه عن مكالمتين متقاربتين مع إدانة خاطئة - في إحدى الحالات ، تم اتهام رجل زوراً ، على أساس أدلة الحمض النووي التي تم تحليلها بشكل غير صحيح ، باغتصاب ابنة زوجته. لكن في تلك الحالات ، تمكن المحامون من إثبات المشكلات قبل تم إرسال موكليهم إلى السجن.

قامت باتي بتسليم الملفات من قضية ابنها يدويًا إلى رازق ، الذي أحالها إلى ويليام طومسون ، أستاذ جامعة كاليفورنيا في إيرفين. كان طومسون يدرس علم الطب الشرعي لعقود. لقد بدأ الكتابة عن أدلة الحمض النووي من منظور نقدي في منتصف الثمانينيات ، كمرشح لنيل درجة الدكتوراه في جامعة ستانفورد ، وكان قد حدد ما يصفه بأنه موقف "وحيد" كمتشكك في الحمض النووي للطب الشرعي. قال لي طومسون هذا الشتاء: "لقد تم قبول التكنولوجيا من قبل الجمهور كحلقة فضية". "تصادف أن أعتقد أنه لم يكن كذلك."

قام طومسون مع زوجته ، المحامية أيضًا ، بتفكيك الصندوقين اللذين يحتويان على ملفات محاكمة ساتون ونشرهما على طاولة المطبخ. أخذت زوجته النصوص ، وأجرى طومسون اختبارات الحمض النووي. على الفور تقريبًا ، وجد خطأً واضحًا: في إنشاء ملف تعريف الحمض النووي للضحية ، قام كيم بكتابة ثلاث عينات منفصلة ، اثنتان من الدم والأخرى من اللعاب. تباينت ملامح الحمض النووي الناتجة ، والتي كان ينبغي أن تكون متطابقة ، بشكل كبير. كان هذا وحده سببًا للقلق الشديد - إذا لم يكن من الممكن الوثوق بالتكنولوجيا للحصول على ملف تعريف ثابت للحمض النووي من شخص واحد ، فكيف يمكن أن نتوقع منها أن تفهم مزيجًا معقدًا مثل ذلك الموجود في المسحة المهبلية؟

كان الأمر الأكثر إثارة للقلق هو استنتاجات كيم حول أدلة مسرح الجريمة. بعد فحص نسخ من شرائط الاختبار ، رأى طومسون أن كيم فشل في إدراك حقيقة أن الحمض النووي لساتون لا يتطابق مع عينة السائل المنوي من المقعد الخلفي للبعثة. If the semen came from one of the attackers—as was almost certain, based on the victim’s account—then Kim should have been able to subtract those genetic markers, along with the victim’s own, from the vaginal-swab mixture. The markers that remained did not match Sutton’s profile.

“It was exculpatory evidence,” Thompson told me. “And the jury never heard it.”

KHOU 11 flew a reporter out to Irvine and taped a new interview with Thompson. Sutton’s case was taken up by Robert Wicoff, a defense attorney in Houston, who persuaded a Texas judge to have the DNA evidence reprocessed by a private testing facility. As Thompson had predicted, the results confirmed that Sutton was not a match. In the spring of 2003, more than four years after his arrest, Sutton was released from prison. His mother was waiting for him at the gates, her eyes bright with tears. “Going to prison, for me, was like seeing my death before it happens,” Sutton later told a local newspaper reporter.

In 2006, a cold hit in the FBI’s Combined DNA Index System, or codis , would lead police to Donnie Lamon Young, a convicted felon. Young confessed that in 1998, he and an accomplice had raped a Houston woman in her Ford Expedition. In January 2007, Young pleaded guilty to the crime.

Christy Kim was fired from the Houston crime lab, but reinstated after her lawyer argued that her errors—which ranged from how she had separated out the complex mixture to how she had reported the odds of a random match—were a product of systemic failures that included inadequate supervision. (Kim could not be reached for comment.) Sutton’s case became one of the central pillars of a public inquiry into practices at the lab. “The system failed at multiple points,” the head of the inquiry, Michael Bromwich, concluded.

Thompson was gratified by the overturning of Sutton’s conviction: The dangers he’d been warning about were obviously real. “For me, there was a shift of emphasis after Josiah,” Thompson told me. “It was no longer a question of whether errors are possible. It was a question of how many, and what exactly we’re going to do about it.” But as technological advances have made DNA evidence at once more trusted and farther-reaching, the answer has only become more elusive.

M odern forensic science is in the midst of a great reckoning. Since a series of high-profile legal challenges in the 1990s increased scrutiny of forensic evidence, a range of long-standing crime-lab methods have been deflated or outright debunked. Bite-mark analysis—a kind of dental fingerprinting that dates back to the Salem witch trials—is now widely considered unreliable the “uniqueness and reproducibility” of ballistics testing has been called into question by the National Research Council. In 2004, the FBI was forced to issue an apology after it incorrectly connected an Oregon attorney named Brandon Mayfield to that spring’s train bombings in Madrid, on the basis of a “100 percent” match to partial fingerprints found on plastic bags containing detonator devices. Last year, the bureau admitted that it had reviewed testimony by its microscopic-hair-comparison analysts and found errors in at least 90 percent of the cases. A thorough investigation is now under way.

DNA typing has long been held up as the exception to the rule—an infallible technique rooted in unassailable science. Unlike most other forensic techniques, developed or commissioned by police departments, this one arose from an academic discipline, and has been studied and validated by researchers around the world. The method was pioneered by a British geneticist named Alec Jeffreys, who stumbled onto it in the autumn of 1984, in the course of his research on genetic sequencing, and soon put it to use in the field, helping police crack a pair of previously unsolved murders in the British Midlands. That case, and Jeffreys’s invention, made front-page news around the globe. “It was said that Dr. Alec Jeffreys had done a disservice to crime writers the world over, whose stories often center around doubtful identity and uncertain parentage,” the former detective Joseph Wambaugh wrote in The Blooding, his book on the Midlands murders.

A new era of forensics was being ushered in, one based not on intrinsically imperfect intuition or inherently subjective techniques that بدت like science, but on human genetics. Several private companies in the U.S. and the U.K., sensing a commercial opportunity, opened their own forensic-DNA labs. “Conclusive results in only one test!” read an advertisement for Cellmark Diagnostics, one of the first companies to market DNA-typing technology stateside. “That’s all it takes.”

As Jay Aronson, a professor at Carnegie Mellon University, notes in Genetic Witness, his history of what came to be known as the “DNA wars,” the technology’s introduction to the American legal system was by no means smooth. Defense attorneys protested that DNA typing did not pass the Frye Test, a legal standard that requires scientific evidence to have earned widespread acceptance in its field many prominent academics complained that testing firms were not being adequately transparent about their techniques. And in 1995, during the murder trial of O. J. Simpson, members of his so-called Dream Team famously used the specter of DNA-sample contamination—at the point of collection, and in the crime lab—to invalidate evidence linking Simpson to the crimes.

Alec Jeffreys in 1987, a few years after developing the technique of DNA typing (Terry Smith / LIFE Images Collection / Getty)

But gradually, testing standards improved. Crime labs pledged a new degree of thoroughness and discipline, with added training for their employees. Analysts got better at guarding against contamination. Extraction techniques were refined. The FBI created its codis database for storing DNA profiles of convicted criminals and arrestees, along with an accreditation process for contributing laboratories, in an attempt to standardize how samples were collected and stored. “There was a sense,” Aronson told me recently, “that the issues raised in the DNA wars had been satisfactorily addressed. And a lot of people were ready to move on.”

Among them were Dream Team members Barry Scheck and Peter Neufeld, who had founded the Innocence Project in 1992. Now convinced that DNA analysis, provided the evidence was collected cleanly, could expose the racism and prejudice endemic to the criminal-justice system, the two attorneys set about applying it to dozens of questionable felony convictions. They have since won 178 exonerations using DNA testing in the majority of the cases, the wrongfully convicted were black. “Defense lawyers sleep. Prosecutors lie. DNA testing is to justice what the telescope is for the stars … a way to see things as they really are,” Scheck and Neufeld wrote in a 2000 book, Actual Innocence, co-authored by the journalist Jim Dwyer.

While helping to overturn wrongful convictions, DNA was also becoming more integral to establishing guilt. The number of state and local crime labs started to multiply, as did the number of cases involving DNA evidence. In 2000, the year after Sutton was convicted, the FBI’s database contained fewer than 500,000 DNA profiles, and had aided in some 1,600 criminal investigations in its first two years of existence. The database has since grown to include more than 15 million profiles, which contributed to tens of thousands of investigations last year alone.

As recognition of DNA’s revelatory power seeped into popular culture, courtroom experts started talking about a “CSI effect,” whereby juries, schooled by television police procedurals, needed only to hear those three magic letters—الحمض النووي—to arrive at a guilty verdict. In 2008, Donald E. Shelton, a felony trial judge in Michigan, published a study in which 1,027 randomly summoned jurors in the city of Ann Arbor were polled on what they expected prosecutors to present during a criminal trial. Three-quarters of the jurors said they expected DNA evidence in rape cases, and nearly half said they expected it in murder or attempted-murder cases 22 percent said they expected DNA evidence in كل criminal case. Shelton quotes one district attorney as saying, “They expect us to have the most advanced technology possible, and they expect it to look like it does on television.”

Shelton found that jurors’ expectations had little effect on their willingness to convict, but other research has shown DNA to be a powerful propellant in the courtroom. A researcher in Australia recently found that sexual-assault cases involving DNA evidence there were twice as likely to reach trial and 33 times as likely to result in a guilty verdict homicide cases were 14 times as likely to reach trial and 23 times as likely to end in a guilty verdict. As the Nuffield Council on Bioethics, in the United Kingdom, pointed out in a major study on forensic evidence, even the knowledge that the prosecution intends to introduce a DNA match could be enough to get a defendant to capitulate.

“You reached a point where the questions about collection and analysis and storage had largely stopped,” says Bicka Barlow, an attorney in San Francisco who has been handling cases involving DNA evidence for two decades. “DNA evidence was entrenched. And in a lot of situations, for a lot of lawyers, it was now too costly and time-intensive to fight.”

D NA analysis has risen above all other forensic techniques for good reason: “No [other] forensic method has been rigorously shown able to consistently, and with a high degree of certainty, demonstrate a connection between evidence and a specific individual or source,” the National Research Council wrote in an influential 2009 report calling out inadequate methods and stating the need for stricter standards throughout the forensic sciences.

The problem, as a growing number of academics see it, is that science is only as reliable as the manner in which we use it—and in the case of DNA, the manner in which we use it is evolving rapidly. Consider the following hypothetical scenario: Detectives find a pool of blood on the floor of an apartment where a man has just been murdered. A technician, following proper anticontamination protocol, takes the blood to the local crime lab for processing. Blood-typing shows that the sample did not come from the victim most likely, it belongs to the perpetrator. A day later, the detectives arrest a suspect. The suspect agrees to provide blood for testing. A pair of well-trained crime-lab analysts, double-checking each other’s work, establish a match between the two samples. The detectives can now place the suspect at the scene of the crime.

When Alec Jeffreys devised his DNA-typing technique, in the mid-1980s, this was as far as the science extended: side-by-side comparison tests. Sizable sample against sizable sample. The state of technology at the time mandated it—you couldn’t test the DNA unless you had plenty of biological material (blood, semen, mucus) to work with.

But today, most large labs have access to cutting-edge extraction kits capable of obtaining usable DNA from the smallest of samples, like so-called touch DNA (a smeared thumbprint on a window or a speck of spit invisible to the eye), and of identifying individual DNA profiles in complex mixtures, which include genetic material from multiple contributors, as was the case with the vaginal swab in the Sutton case.

These advances have greatly expanded the universe of forensic evidence. But they’ve also made the forensic analyst’s job more difficult. To understand how complex mixtures are analyzed—and how easily those analyses can go wrong—it may be helpful to recall a little bit of high-school biology: We share 99.9 percent of our genes with every other human on the planet. However, in specific locations along each strand of our DNA, the genetic code repeats itself in ways that vary from one individual to the next. Each of those variations, or alleles, is shared with a relatively small portion of the global population. The best way to determine whether a drop of blood belongs to a serial killer or to the president of the United States is to compare alleles at as many locations as possible.

Think of it this way: There are many thousands of paintings with blue backgrounds, but fewer with blue backgrounds and yellow flowers, and fewer still with blue backgrounds, yellow flowers, and a mounted knight in the foreground. When a forensic analyst compares alleles at 13 locations—the standard for most labs—the odds of two unrelated people matching at all of them are less than one in 1 billion.

With mixtures, the math gets a lot more complicated: The number of alleles in a sample doubles in the case of two contributors, and triples in the case of three. Now, rather than a painting, the DNA profile is like a stack of transparency films. The analyst must determine how many contributors are involved, and which alleles belong to whom. If the sample is very small or degraded—the two often go hand in hand—alleles might drop out in some locations, or appear to exist where they do not. Suddenly, we are dealing not so much with an objective science as an interpretive art.

A groundbreaking study by Itiel Dror, a cognitive neuroscientist at University College London, and Greg Hampikian, a biology and criminal-justice professor at Boise State University, illustrates exactly how subjective the reading of complex mixtures can be. In 2010, Dror and Hampikian obtained paperwork from a 2002 Georgia rape trial that hinged on DNA typing: The main evidence implicating the defendant was the accusation of a co-defendant who was testifying in exchange for a reduced sentence. Two forensic scientists had concluded that the defendant could not be excluded as a contributor to the mixture of sperm from inside the victim, meaning his DNA was a possible match the defendant was found guilty.

Dror and Hampikian gave the DNA evidence to 17 lab technicians for examination, withholding context about the case to ensure unbiased results. All of the techs were experienced, with an average of nine years in the field. Dror and Hampikian asked them to determine whether the mixture included DNA from the defendant.

In 2011, the results of the experiment were made public: Only one of the 17 lab technicians concurred that the defendant could not be excluded as a contributor. Twelve told Dror and Hampikian that the DNA was exclusionary, and four said that it was inconclusive. In other words, had any one of those 16 scientists been responsible for the original DNA analysis, the rape trial could have played out in a radically different way. Toward the end of the study, Dror and Hampikian quote the early DNA-testing pioneer Peter Gill, who once noted, “If you show 10 colleagues a mixture, you will probably end up with 10 different answers” as to the identity of the contributor. (The study findings are now at the center of the defendant’s motion for a new trial.)

“Ironically, you have a technology that was meant to help eliminate subjectivity in forensics,” Erin Murphy, a law professor at NYU, told me recently. “But when you start to drill down deeper into the way crime laboratories operate today, you see that the subjectivity is still there: Standards vary, training levels vary, quality varies.”

Last year, Murphy published a book called Inside the Cell: The Dark Side of Forensic DNA, which recounts dozens of cases of DNA typing gone terribly wrong. Some veer close to farce, such as the 15-year hunt for the Phantom of Heilbronn, whose DNA had been found at more than 40 crime scenes in Europe in the 1990s and early 2000s. The DNA in question turned out to belong not to a serial killer, but to an Austrian factory worker who made testing swabs used by police throughout the region. And some are tragic, like the tale of Dwayne Jackson, an African American teenager who pleaded guilty to robbery in 2003 after being presented with damning DNA evidence, and was exonerated years later, in 2011, after a police department in Nevada admitted that its lab had accidentally swapped Jackson’s DNA with the real culprit’s.

Most troubling, Murphy details how quickly even a trace of DNA can now become the foundation of a case. In 2012, police in California arrested Lukis Anderson, a homeless man with a rap sheet of nonviolent crimes, on charges of murdering the millionaire Raveesh Kumra at his mansion in the foothills outside San Jose. The case against Anderson started when police matched biological matter found under Kumra’s fingernails to Anderson’s DNA in a database. Anderson was held in jail for five months before his lawyer was able to produce records showing that Anderson had been in detox at a local hospital at the time of the killing it turned out that the same paramedics who responded to the distress call from Kumra’s mansion had treated Anderson earlier that night, and inadvertently transferred his DNA to the crime scene via an oxygen-monitoring device placed on Kumra’s hand.

To Murphy, Anderson’s case demonstrates a formidable problem. Contamination is an obvious hazard when it comes to DNA analysis. But at least contamination can be prevented with care and proper technique. DNA transfer—the migration of cells from person to person, and between people and objects—is inevitable when we touch, speak, do the laundry. A 1996 study showed that sperm cells from a single stain on one item of clothing made their way onto every other item of clothing in the washer. And because we all shed different amounts of cells, the strongest DNA profile on an object doesn’t always correspond to the person who most recently touched it. I could pick up a knife at 10 in the morning, but an analyst testing the handle that day might find a stronger and more complete DNA profile from my wife, who was using it four nights earlier. Or the analyst might find a profile of someone who never touched the knife at all. One recent study asked participants to shake hands with a partner for two minutes and then hold a knife when the DNA on the knives was analyzed, the partner was identified as a contributor in 85 percent of cases, and in 20 percent as the main or sole contributor.

Given rates of transfer, the mere presence of DNA at a crime scene shouldn’t be enough for a prosecutor to obtain a conviction. Context is needed. What worries experts like Murphy is that advancements in DNA testing are enabling ever more emphasis on ever less substantial evidence. A new technique known as low-copy-number analysis can derive a full DNA profile from as little as 10 trillionths of a gram of genetic material, by copying DNA fragments into a sample large enough for testing. The technique not only carries a higher risk of sample contamination and allele dropout, but could also implicate someone who never came close to the crime scene. Given the growing reliance on the codis database—which allows police to use DNA samples to search for possible suspects, rather than just to verify the involvement of existing suspects—the need to consider exculpatory evidence is greater than ever.

But Bicka Barlow, the San Francisco attorney, argues that the justice system now allows little room for caution. Techs at many state-funded crime labs have cops and prosecutors breathing down their necks for results—cops and prosecutors who may work in the same building. The threat of bias is everywhere. “An analyst might be told, ‘Okay, we have a suspect. Here’s the DNA. Look at the vaginal swab, and compare it to the suspect,’ ” Barlow says. “And they do, but they’re also being told all sorts of totally irrelevant things: The victim was 6 years old, the victim was traumatized, it was a hideous crime.”

Indeed, some analysts are incentivized to produce inculpatory forensic evidence: A recent study in the journal Criminal Justice Ethics notes that in North Carolina, state and local law-enforcement agencies operating crime labs are compensated $600 for DNA analysis that results in a conviction.

“I don’t think it’s unreasonable to point out that DNA evidence is being used in a system that’s had horrible problems with evidentiary reliability,” Murphy, who worked for several years as a public defender, told me. No dependable estimates exist for how many people have been falsely accused or imprisoned on the basis of faulty DNA evidence. ولكن في Inside the Cell, she hints at the stakes: “The same broken criminal-justice system that created mass incarceration,” she writes, “and that has processed millions through its machinery without catching even egregious instances of wrongful conviction, now has a new and powerful weapon in its arsenal.”

T he growing potential for mistakes in DNA testing has inspired a solution fitting for the digital age: automation, or the “complete removal of the human being from doing any subjective decision making,” as Mark Perlin, the CEO of the DNA-testing firm Cybergenetics, put it to me recently.

Perlin grew interested in DNA-typing techniques in the 1990s, while working as a researcher on genome technology at Carnegie Mellon, and spent some time reviewing recent papers on forensic usage. He was “really disappointed” by what he found, he told me: Faced with complex DNA mixtures, analysts too frequently arrived at flawed conclusions. An experienced coder, he set about designing software that could take some of the guesswork out of DNA profiling. It could also process results much faster. In 1996, Perlin waved goodbye to his post at Carnegie Mellon, and together with his wife, Ria David, and a small cadre of employees, focused on developing a program they dubbed TrueAllele.

At the core of TrueAllele is an algorithm: Data from DNA test strips are uploaded to a computer and run through an array of probability models until the software spits out a likelihood ratio—the probability, weighed against coincidence, that sample X is a match with sample Y. The idea, Perlin told me when I visited Cybergenetics headquarters, in Pittsburgh, was to correctly differentiate individual DNA profiles found at the scene of a crime. He gave me an example: A lab submits data from a complex DNA mixture found on a knife used in a homicide. The TrueAllele system might conclude that a match between the knife and a suspect is “5 trillion times more probable than coincidence,” and thus that the suspect almost certainly touched the knife. No more analysts squinting at their equipment, trying to correspond alleles with contributors. “Our program,” Perlin told me proudly, “is able to do all that for you, more accurately.”

Around us, half a dozen analysts and coders sat hunched over computer screens. The office was windowless and devoid of any kind of decoration, save for a whiteboard laced with equations—the vibe was more bootstrapped start-up than CSI. “I think visitors are surprised not to see bubbling vials and lab equipment,” Perlin acknowledged. “But that’s not us.”

He led me down the hallway and into a storage room. Row upon row of Cybergenetics-branded Apple desktop computers lined the shelves: ready-made TrueAllele kits. Perlin could not tell me exactly how many software units he sells each year, but he allowed that TrueAllele had been purchased by crime labs in Oman, Australia, and 11 U.S. states last year, Cybergenetics hired its first full-time salesman.

Four years ago, in one of its more high-profile tests to date, the software was used to connect an extremely small trace of DNA at a murder scene in Schenectady, New York, to the killer, an acquaintance of the victim. A similarly reliable match, Perlin told me, would have been very difficult to obtain by more analog means.

And the software’s potential is only starting to be mined, he added. TrueAllele’s ability to pull matches from microscopic or muddled traces of DNA is helping crack cold cases, by reprocessing evidence once dismissed as inconclusive. “You hear the word inconclusive, you naturally think, تمام. It’s done,” Perlin told me, his eyes widening. “But it’s not! It just means [the lab technicians] can’t interpret it. Let me ask you: What’s the societal impact of half a crime lab’s evidence being called inconclusive and prosecutors and police and defenders mistakenly believing that this means it’s uninformative data?”

His critics have a darker view. William Thompson points out that Perlin has declined to make public the algorithm that drives the program. “You do have a black-box situation happening here,” Thompson told me. “The data go in, and out comes the solution, and we’re not fully informed of what happened in between.”

Last year, at a murder trial in Pennsylvania where TrueAllele evidence had been introduced, defense attorneys demanded that Perlin turn over the source code for his software, noting that “without it, [the defendant] will be unable to determine if TrueAllele does what Dr. Perlin claims it does.” The judge denied the request.

But TrueAllele is just one of a number of “probabilistic genotyping” programs developed in recent years—and as the technology has become more prominent, so too have concerns that it could be replicating the problems it aims to solve. The Legal Aid Society of New York recently challenged a comparable software program, the Forensic Statistical Tool, which was developed in-house by the city’s Office of the Chief Medical Examiner. The FST had been used to test evidence in hundreds of cases in the state, including an attempted-murder charge against a client of Jessica Goldthwaite, a Legal Aid attorney.

Goldthwaite knew little about DNA typing, but one of her colleagues at the time, Susan Friedman, had earned a master’s degree in biomedical science another, Clinton Hughes, had been involved in several DNA cases. The three attorneys decided to educate themselves about the technology, and questioned half a dozen scientists. The responses were emphatic: “One population geneticist we consulted said what the [medical examiner] had made public about the FST read more like an ad than a scientific paper,” Hughes told me. Another called it a “random number generator.”

In 2011, Legal Aid requested a hearing to question whether the software met the Frye standard of acceptance by the larger scientific community. To Goldthwaite and her team, it seemed at least plausible that a relatively untested tool, especially in analyzing very small and degraded samples (the FST, like TrueAllele, is sometimes used to analyze low-copy-number evidence), could be turning up allele matches where there were none, or missing others that might have led technicians to an entirely different conclusion. And because the source code was kept secret, jurors couldn’t know the actual likelihood of a false match.

At the hearing, bolstered by a range of expert testimony, Goldthwaite and her colleagues argued that the FST, far from being established science, was an unknown quantity. (The medical examiner’s office refused to provide Legal Aid with the details of its code in the end, the team was compelled to reverse-engineer the algorithm to show its flaws.)

Judge Mark Dwyer agreed. “Judges are, far and away, not the people best qualified to explain science,” he began his decision. Still, he added, efforts to legitimize the methods “must continue, if they are to persuade.” The FST evidence was ruled inadmissible.

Dwyer’s ruling did not have the weight of precedent: Other courts are free to accept evidence analyzed by probabilistic software—more and more of which is likely to enter the courtroom in the coming years—as they see fit. Still, Goldthwaite told me, the fact that one judge had been willing to question the new science suggested that others might too, and she and her team continue to file legal challenges.

When I interviewed Perlin at Cybergenetics headquarters, I raised the matter of transparency. He was visibly annoyed. He noted that he’d published detailed papers on the theory behind TrueAllele, and filed patent applications, too: “We have disclosed not the trade secrets of the source code or the engineering details, but the basic math.”

To Perlin, much of the criticism is a case of sour grapes. “In any new development in forensic science, there’s been incredible resistance to the idea that you’re going to rely on a validated machine to give you an accurate answer instead of relying on yourself and your expertise,” he told me.

In 2012, shortly after Legal Aid filed its challenge to the FST, two developers in the Netherlands, Hinda Haned and Jeroen de Jong, released LRmix Studio, free and open-source DNA-profiling software—the code is publicly available for other users to explore and improve.

Erin Murphy, of NYU, has argued that if probabilistic DNA typing is to be widely accepted by the legal community—and she believes that one day it should be—it will need to move in this direction: toward transparency.

“The problem with all DNA profiling is that there isn’t skepticism,” she told me. “There isn’t the necessary pressure. Is there increasing recognition of the shortcomings of old-school technology? على الاطلاق. Is there trepidation about the newer technology? نعم فعلا. But just because we’re moving forward doesn’t mean mistakes aren’t still being made.”

Mark Perlin, the CEO of Cybergenetics, at the company’s headquarters in Pittsburgh, April 18, 2016 (Jeff Swensen)

O n April 3 , 2014, the City of Houston shut down its old crime lab and transferred all DNA-testing operations to a new entity known as the Houston Forensic Science Center. Unlike its predecessor, which was overseen by the police department, the Forensic Science Center is intended to be an autonomous organization, with a firewall between it and other branches of law enforcement. “I think it’s important for the forensic side to have that independence, so we can narrow it down without worrying about which side is going to benefit or profit from it, just narrowing it down to what we think is the accurate information,” Daniel Garner, the center’s head, told a local reporter.

And yet Houston has been hard-pressed to leave its troubled history with forensic DNA behind. In June 2014, the هيوستن كرونيكل reported that a former analyst at the old crime lab, Peter Lentz, had resigned after a Houston Police Department internal investigation found evidence of misconduct, including improper procedure, lying, and tampering with an official record. A representative from the county district attorney’s office told the Chronicle that her office was looking into all of the nearly 200 cases—including 51 murder cases—that Lentz had worked on during his time at the lab. (A grand jury declined to indict Lentz for any wrongdoing he could not be reached for comment.)

“It’s almost 20 years later, and we’re still dealing with the repercussions,” Josiah Sutton’s mother, Carol Batie, told me earlier this year. “They say things are getting better, and maybe they are, but I always respond that it wasn’t fast enough to save Josiah.”

Before entering prison, Batie said, Sutton had been a promising football player, with a college career ahead of him. After his exoneration, he seemed stuck in a state of suspended animation. He was angry and resentful of authority. He drifted from job to job. He received an initial lump-sum payment from the city, as compensation for his wrongful conviction and the time he spent in prison, along with a much smaller monthly payout. But the lump-sum payment quickly vanished. He fathered five kids with five different women.

Batie called the city to ask about counseling for her son, but was told no such service was available. “I did my best to put myself in his shoes,” Batie said. “I was annoyed, but I knew he felt like the world was against him. Everyone had always given up on him. I couldn’t give up on him too.”

Last summer, Sutton was arrested for allegedly assaulting an acquaintance of his then-girlfriend. He spent the better part of a year in lockup before posting bail and is now awaiting trial. (Sutton denies the charges.) Batie believes that her son’s problems are a direct result of his incarceration in 1999. “He had his childhood stolen from him,” she told me. “No prom, no dating, no high-school graduation. لا شيئ. And he never recovered.”

I wondered whether Batie blamed DNA. She laughed. “Oh, no, honey,” she said. “DNA is science. You can’t blame DNA. You can only blame the people who used it wrong.”


How long does it take for DNA to degrade - Biology

DNA: The molecular basis of mutations

Since mutations are simply changes in DNA, in order to understand how mutations work, you need to understand how DNA does its job. Your DNA contains a set of instructions for "building" a human. These instructions are inscribed in the structure of the DNA molecule through a genetic code. It works like this:

Protein-coding DNA can be divided into codons — sets of three bases that specify an amino acid or signal the end of the protein. Codons are identified by the bases that make them up — in the example at right, GCA, for guanine, cytosine, and adenine. The cellular machinery uses these instructions to assemble a string of corresponding amino acids (one amino acid for each three bases) that form a protein. The amino acid that corresponds to "GCA" is called alanine there are twenty different amino acids synthesized this way in humans. "Stop" codons signify the end of the newly built protein.