Факторы, разрушающие кератин и ДНК
В природе волосы и шерсть (структура — на фото справа) разлагаются медленно. Из-за своего особого состава они способны противостоять микробам и дольше сохраняются, чем, например, клетки кожи.
Дело в том, что наружный слой волоса (кутикула) образован ороговевшими клетками. Эти клетки дифференцируются в луковице волоса из камбиальных клеток, и по мере роста волоса они продвигаются вверх, уплощаются и накладываются друг на друга роговыми чешуйками, словно черепица, при этом в них образуется очень прочный белок – кератин. Именно благодаря кератину для полного разложения волос в почве может потребоваться от двух до десятков лет.
Микроорганизмам сложно расщепить кератиновые структуры, такие как рога, когти, ногти, шерсть и волосы, поэтому микробы и насекомые предпочитают их не есть.
Это может создать иллюзию, что волосы и шерсть можно хранить в дома ящике или в холодильнике сколько угодно долгое время, и ничего с ними не случится и через несколько веков. Но все не так.
Действительно, в контролируемой или засушливой среде с минимальным воздействием кислорода волосы могут относительно сохраняться веками, как мы можем это наблюдать у египетских мумий. Также волосы мало разрушаются в воде, вследствие чего они часто становятся проблемой в канализационной системе.
Вместе с тем короткие и тонкие волосы, которыми является шерсть, намного быстрее разрушаются на открытом воздухе в теплой и влажной среде.[1]
Исследователи выяснили, что при pH=10 (водородный показатель (pH) — мера кислотности водных растворов.) плотность поперечных связей белка кератина уменьшается, а содержание воды и диаметр поперечного сечения волос увеличиваются. Увеличение поглощение воды и диаметра, а также снижение плотности поперечных связей белка облегчает проникновение активных веществ. [2]
Для справки:
Воздух тоже может быть кислотным или щелочным. Если pH воздуха ниже 7, то воздух является кислым, если pH выше 7, то щелочным, а если равен 7, то нейтральным. Определять кислотность воздуха можно с помощью специализированных приборов — метеостанций или газоанализаторов. Среднее значение pH женских волос составляет 6,78±0,16, а мужских волос — 5,60±0,93. И эта разница в значениях pH между волосами взрослых женщин и взрослых мужчин значительна. [3] При этом, например, средний уровень рН у собак равен 7.4.
Кератин подвержен и воздействию ультрафиолета, который является частью спектра солнечного света. Под действием солнечного света в белке происходит фотоокисление триптофановых остатков и свободного триптофана, расщепляется индольное кольцо и образуется N'-формилкинуренин. [4]
УФ-облучение вызывает повреждение кутикулы волоса, разрушает S-S и C-S связи, что приводит к повреждению и частичному распаду белковых волокон. [5]
Также волосы и шерсть восприимчивы к перепаду температур, потому что кератин все-таки белок, а в волосе (шерсти) он занимает главенствующую роль (около 90%). Поэтому, если хранить волосы в квартире с меняющейся температурой или в холодильнике, который нуждается в периодической разморозке, волосы будут повреждаться.
Важна и влажность среды. Кератин, как и другие белки, при охлаждении переходит из высокоэластичного состояния в стеклообразное. При относительной влажности окружающей среды 65–70% влажность кератиновых волокон составляет 18%, что приводит к стеклованию шерсти при температуре 33°С, а волоса при температуре 21°С. [6]
Это увеличивает риск деформации и при механическом воздействии может происходить изменение длин связей, валентных углов, и небольшие смещения отдельных атомов. [7]
А вот при температуре -70°С вода в кератине начинает образовывать эффективные связи в структуре волоса. Этот процесс продолжается до температуры -150°С, после чего вся вода фактически находится в состоянии жесткой решетки. Интересно отметить, что с увеличением содержания воды переход смещается в сторону более низких температур.
Таким образом, небольшое количество воды, присутствующее в волокне, значительно увеличивает механическую целостность структуры кератина, и при температуре -150°С образует важное механическое звено в структуре, выполняя роль поперечной связи и значительно увеличивая механическую когерентность молекулярной структуры кератина.
Исследования на волокнах шерсти в жидком азоте (-196°С) показали полное отсутствие ослабевания напряжения в течение нескольких часов при фиксированном растяжении, что указывает на отсутствие какого-либо молекулярного сегментного движения в структуре кератина. [8]
Ядерная ДНК в силу сочетания кислотных и основных функциональных групп чувствительна к рН среды, к присутствию в ней катионов металлов и УФ свету. Поэтому она устойчива только в среде с определённым содержанием ионов натрия и калия и в достаточно узком интервале значений рН.
Наиболее опасны для ДНК активные формы кислорода и вода. К сожалению, исключить воду трудно, потому что ДНК – обводненная молекула, и при 50% влажности на каждый нуклеотид приходится около 8 - 10 молекул прочно связанной с ним воды, тогда как полностью гидратированная ДНК содержит около 20 молекул воды на нуклеотид. При этом сухая ДНК все равно удерживает 3 - 4 молекулы воды на нуклеотид.
Самым распространенным способом долговременного хранения ДНК (не клеток!) является замораживание ее в водных растворах при -20°С. Однако многократные циклы оттаивания и замораживания отрицательно сказываются на ее структурной целостности.
Для длительного хранения рекомендуются температуры ниже -115°С, чтобы исключить повреждение биологических макромолекул кристаллами льда, поскольку при такой ультранизкой температуре лед сохраняет аморфную структуру, и его рекристаллизации не происходит. Но для такого ультранизкотемпературного хранения требуются специальные довольно дорогостоящие морозильные камеры, нуждающиеся в значительном питании электроэнергией. Или необходимы сосуды Дьюара с жидким азотом, получение которого тоже представляет собой энергоемкий процесс. [9]
То, что для целостного сохранения ДНК важны определенные температура, рН, влажность, концентрация кислорода - очевидно, но нам также нужно сохранить ее так, чтобы в ближайшей перспективе можно было извлечь из волос и шерсти чистую ДНК, соответствующую именно тому субъекту, которого мы рассматриваем.
И вот, в статье в Forensic Science International: Genetics сотрудники Университета Флиндерса опубликовано исследование о том, что не обязательно касаться рукой, чтобы оставить ДНК-след. Оказывается, ДНК может перелететь до предмета по воздуху.
В этой статье описывается эксперимент, при котором вокруг нескольких рабочих столов расставили специальные плашки для сбора ДНК. Плашки неприкосновенно стояли от одного дня до нескольких месяцев на расстоянии от полуметра до пяти метров. И выяснилось, что несмотря на то, что до плашек никто не дотрагивался, на них осела ДНК того человека, кто работал рядом с ними. Получается, ДНК просто перелетает на расстояние до 4-х метров из-за движения воздуха.
Разрушаясь, клетки на своем месте оставляют ДНК, которая тоже отчасти разрушается, но всё-таки не полностью. Мы постоянно сбрасываем с себя какое-то количество ДНК из отмерших клеток кожи, выдыхаем ДНК вместе с парами воды из лёгких и т. д., поэтому неудивительно, что и без прикосновений мы способны оставить какой-то ДНК-след. [10]
Поэтому при хранении шерсти и волос у себя дома, с приходом гостей, новых друзей и появлением новых родственников постоянно увеличивается риск загрязнения материала посторонней ДНК, что затруднит будущее клонирование именно той особи (животного, человека), которую мы ожидаем вернуть в нашу жизнь.
Литература
[1] How Long Does It Take For Hair To Decompose?
[2] Ernesta Malinauskyte 1, Paul A Cornwell 1, Louise Reay 2, Neil Shaw 2, Jordan Petkov. Effect of equilibrium pH on the structure and properties of bleach-damaged human hair fibers. Biopolymers, 2020 Nov;111(11):e23401.
[3] Shu Ping, Zheng Xingquan. Science of The Total Environment. Relationship between the elemental content and pH of human hair. Science of The Total Environment, Volume 128, Issues 2–3, 29 January 1993, Pages 151-156.
[5] M. V. Fedorkova, N. N. Brandt, A. Yu. Chikishev, N. V. Smolina, N. G. Balabushevich, S. A. Gusev, V. A. Lipatova, V. M. Botchey, G. E. Dobretsov, E. V. Mikhalchik. Photoinduced formation of thiols in human hair. J Photochem Photobiol B, 2016, Nov:164:43-48.
[6] Crisan Popescu. The Thermodynamics of Trichocyte Keratins. Review Adv Exp Med Biol, 2018:1054:185-203.
[7] Стеклообразное состояние полимеров
[8] M. Druhala, M. Feughelman. Mechanical properties of keratin fibres between -196 оС and 20 оС. Kolloid-Z.u.Z. Polymere, 248, 1032-1033 (1971)
[9] Гарафутдинов Р.Р., Сахабутдинова А.Р., Чемерис А.В. долговременное хранение молекул днк при комнатной температуре. Биомика, 2020, Том 12, № 4, С. 552-563 ISSN 2221-6197
[10] Lucas Puliatti, Oliva Handt, Duncan Taylor. The level of DNA an individual transfers to untouched items in their immediate surroundings. Forensic Sci Int Genet. 2021 Sep:54:102561.
Автор: Мария Васильцова (Федоркова)
