Микробиом как биологическая основа перспективной биометрической технологии криминалистической идентификации человека

Введение . Динамичный процесс научнотехнического прогресса оказал положительное, конструктивное воздействие на все сферы научной деятельности, как в области методологии, так и в эмпирической аппаратно-программной, технологической сфере, открывшей для исследования и анализа области ранее недоступные для реализации познавательных процессов, в т.ч. и в связи с отсутствием технических средств и другой высокоточной и иной аппаратуры, позволяющей проводить исследования и обработку информации в большинстве наукоемких научных проектов.

Применительно к теме настоящего исследования, такой областью научных знаний являются генетика, микробиология и другие смежные профильные отрасли.

Для решения криминалистических задач, исследования в названных сферах, преимущественно, представляют интерес в связи с методологическим оформлением и прикладной реализацией различного рода биометрических технологий в области идентификации (отождествления) человека.

Результаты анализа профильных научных исследований и их достижений, показывают, что одним из наиболее значимых, как в теоретикометодологическом, так и в эмпирическом плане, направлений в названной сфере, как на современном этапе, а на перспективу, является изучение свойств и возможностей микробиома человека, обладающего большим научнопознавательным потенциалом (в т.ч. и в сфере криминалистики).

При этом под микробиомом человека автором предлагается понимать сообщество самостоятельных биологических объектов (форм жизни) -микробиоту: бактерий, археев, эукариот, нематод, вирусов, грибов, простейших микроорганизмов и др., обобщенно называемых virome, населяющую организм (биологическое, генетически обусловленное, тело) человека, находящуюся с ним в неразрывном симбиозе (но не являющуюся его генетической составляющей), имеющую ряд индивидуализирующих ее признаков и свойств, позволяющих использовать ее для решения криминалистических задач по идентификации (отождествлению) личности в процессе уголовного судопроизводства и иной профильной деятельности.

Состав микробиома (микробиоты) индивидуален (уникален) у каждого человека и зависит:

– от генотипа хозяина, внешних и внутренних факторов, а также от влияния окружающей среды (этнической принадлежности;

– пола;

– возраста;

– региона, места и условий проживания (температурный режим, количество солнечной энергии, воздействующей на кожу и организм в целом, специфика микробиома окружающей среды конкретной местности – воды, воздуха, почвы и т.п.);

– характера (структуры рациона, интенсивности и периодичности) питания;

– уровня физической активности;

– сферы и характера трудовой деятельности;

– специфических привычек, увлечений;

– наличия различного рода заболеваний (кожи, желудочно-кишечного тракта, крови и др.), принимаемых лекарственных препаратов (например, антибиотиков) и т.п.).

С учетом изложенного, научно-практическим путем установлено, что микробиом человека обладает такими необходимыми для биологической идентификации (отождествления) свойствами, как всеобщность (имеется абсолютно у всех людей), индивидуальная уникальность (наряду с базовым составом, не менее его одной трети по видовому разнообразию, степени концентрации и объему, индивидуальны для определенного, конкретного человека) и, что очень важно, измеряемость (наличие этого свойства позволило определить границы нормальной микробной вариации у людей; выделить отдельные геномы, генотипы и энтеротипы микробиома, классифицировать их, а в итоге создать их биологические архивы и оцифрованные базы данных для их эмпирического использования, в т.ч. и для производства сравнительного анализа образцов). При этом результаты проведенных исследований показывают, что имеется возможность криминалистической идентификации конкретных личностей по их индивидуальному мик-робиомному следу, который имеет биологическое происхождение, но является производным не непосредственно от организма человека (его компонентов: жидкостей – крови, слюны, слез, потожирового вещества и др.; твердых – кости, зубы, обрезки ногтей, волосы, ресницы, частички эпидермиса и др. и т.п.), а от симбиотичного ему субстанта (сообщества микроорганизмов, во всем их многообразии) – микробиома (микробиоты) человека.

Также, необходимо отметить, что профильные исследования в области биологии человека показывают, что основная популяция микроорганизмов, составляющих микробиом человека, находится в его желудочно-кишечном тракте и на коже (до 90 % от их общих видового разнообразия и массы, составляющей от 1,3 до 3,5 кг) [2].

Обсуждение .

Наиболее масштабные научные изыскания в области исследования микробиома человека проводятся в рамках:

– созданных для этих целей профильных консорциумов (в Европе – Metagenome of Human Intestinal Tract (MetaHIT); в США – Human Microbiome Project (HMP));

– деятельности Национального института здравоохранения США (начавшего финансирование проекта «Human Microbiome Project» (НМР – «Микробиом человека»);

– осуществления профильной программы исследований MetaHIT , совместно с учеными Beijing Genomics Institute (BGI, Китай);

– реализации через Институт инфекционных заболеваний и иммунитета Канады (под эгидой Международного консорциума микробиомов человека) «Канадской инициативы по анализу и характеристикам микробов» и др.

В настоящее время создан и функционирует Центр анализа данных и координации (DACC), который является центральным хранилищем для всей профильной информации [5].

В России данные научные исследования на современном этапе также стали вызывать повышенный интерес в связи с перспективностью внедрения их эмпирических результатов, однако, участие в них отечественных ученых носит, преимущественно, характер взаимодействия с коллегами в рамках профильных международных научных проектов. При этом имеются все основания для активизации данной научной деятельности в рамках национальных проектов в области медицины (с последующей адаптацией их результатов для нужд других сфер, в т.ч. и правоохранительной).

Программные задачи названных проектов продолжают реализовываться и в настоящее время (для примера, сформирован каталог из 3,3 млн бактериальных генов, преобладающих в метагеноме кишечника человека; опубликован список секвенированных геномов бактерий и архей, выявленных в микробиоте человека (что стало основой для исследований в области методов шот-ган-секвенирования, позволяющих производить более качественное исследование характеристик метагенома человека); ведется работа по определению 3000 геномов (как базовый результат) человека и созданию их упорядоченного каталога (как базы для проведения сравнительного анализа в ходе производства экспертных исследований) и др.) [8].

В данной сфере динамично разрабатываются и апробируются методики и инструменты исследования микробиомного профиля, микробиомной сигнатуры человека, с использованием инновационных достижений в области микробиологии, математических моделей и алгоритмов, анализа и обработки обширных массивов профильных данных и информации.

К названным инструментам можно отнести:

– RAPSearch2 (оперативный и эффективный метод поиска сходства с белком для данных секвенирования следующего поколения);

– Boulder Alignment Editor (ALE) (для выравнивания РНК);

– WebMGA (для быстрого анализа метагеном-ной последовательности);

– DNACLUST (для точной кластеризации филогенетических маркерных генов);

– модульные программы (AMOS) (для сборки следующего поколения) и др. [11].

Эффективными математическими моделями при исследовании микробиома являются, например:

– линейный дискриминантный анализ размера эффекта (LEfSe) (для выявления филогенетических предикторов);

– время-зависимая регрессионная модель отношения рисков Кокса (для выявления рисков нарушений микробиома);

– корректировка с помощью пенализированной вероятности Firth (используется в регрессионных моделях) [1].

Полученные в результате исследования массивы данных очень велики (big data), в связи с чем их обработка и анализ реализуются с использованием программного кода на языках R или Python. При этом регулярно ведется работа по переводу теоретических результатов геномных проектов в плоскость, решающую прикладные задачи [9].

Уже в настоящее время, для повышения оперативности и эффективности проводимых исследований, а также для решения задач прикладного характера, созданы микробиомные электронные базы данных и архивы биологических образцов, например:

– Integrated Microbial Genomes (IMG) (метаге-номные данные по микробным геномам); CharProtDB (аннотации белка);

– Genomes OnLine (GOLD) (общие результаты геномных и метагеномных проектов) и др. [6].

С криминалистической точки зрения, вышеизложенное обоснованно свидетельствует о том, что микробиом человека гарантированно обладает необходимыми для биологической идентификации человека свойствами, что уже в ближайшей перспективе, позволит реализовать проекты по микробиомной регистрации лиц и о судебной микробиомной экспертизе (идентификационного характера).

Результаты анализа биологической основы метода свидетельствуют о том, что исследования в области микробиома, преимущественно базируются на установлении последовательности вариабельных областей высококонсервативного гена, кодирующего 16s субъединицу рибосомальной РНК (16s рРНК) микроорганизмов (ген: есть в бактериях, но отсутствует у млекопитающих; имеет девять гипервариабельных областей от VI до V9, что позволяет идентифицировать исследуемые бактерии путем сравнительного анализа с эталонными геномами из международных баз данных. Результаты идентификации получаются путем реализации процесса мета-таксономики, заключающегося в установлении и описании таксономического состава бактериального сообщества имеющегося в конкретном биологическом образце.

С учетом изложенного, результаты изучения биологической основы метода, позволяют конкретизировать понятие «микробиом человека» с точки зрения его криминалистического идентификационного потенциала, до понятия микро-биомного профиля человека (как источника отдельного вида следов человека, биологического происхождения, но не относящихся к биологическим следам, непосредственно производным от биологического, генетически предопределенного тела человека и его систем жизнедеятельности).

Результаты изучения современных профильных исследований показывают, что самым большим органом человека является его кожа, средняя площадь которой для взрослого человека составляет 1,8 м кв. Кожа колонизирована (населена) довольно большим количеством различного вида микроорганизмов, наиболее характерными из которых, являются вирусы, бактерии, грибы, клещи и др. На коже относительно здорового человека определяются 19 таксономических рангов (филов) микроорганизмов. Большинство бактерий кожи относятся к четырем из них: Actinobacteria, Firmicutes, Bacteroidetes и Proteobacteria (при этом видовой состав бактерий очень разнообразен и зависит от физиологии участка кожи). Кожа реализует такие значимые для человеческого организма функции, как: непосредственного физического барьера; иммунологического барьера (ее клетки могут различать комменсалы и патогены и осуществлять адаптивный иммунный ответ за счет и посредством реакций на них населяющих ее микроорганизмов) [4].

В ходе исследования также установлено, что микробиота желудочно-кишечного тракта в организме человека является самой многочисленной по видовому составу и разнообразию геномных характеристик (при этом две трети ее субъективно индивидуальны, что позволяет решать криминалистические идентификационные задачи).

Количественные и качественные параметры микробиоты зависят от конкретного отдела пищеварительного тракта: желудок населен представителями родов Lactobacillus, Stomatococcus и Sarcina; двенадцатиперстная кишка и тонкий кишечник колонизированы бактероидами, энтерококками, лактобактериями, бифидобактериями и дрожжеподобными грибами; микробиота толстого кишечника представлена 17 семействами, 45 родами и более чем 1000 видами бактерий (90 % составляют анаэробные бактерии видов Lactobacillus plantarum, L. rhamnosus, L. fermentum, L. casei, L. brevis, Bifidobacterium longum, B. Adolescentis, которые обеспечивают колониальную резистентность и препятствуют колонизации его патогенной флорой).

Составляющие компоненты микробиома желудочно-кишечного тракта: реализуют барьерную функцию по защите пищеварительного тракта от заселения патогенными микроорганизмами; регулируют моторику функционирования кишечника и способствуют нормализации обмена веществ; принимают участие в процессе синтеза витаминов; выполняют определенные функции при формировании иммунитета и иммунного ответа организма [7].

Результаты .

В результате проведенного исследования установлено, что микробиом человека может оставлять и, в большинстве случаев, оставляет на предметах окружающей обстановки, с которыми взаимодействует человек (мебель, пол, стены, предметы личной гигиены, аксессуары, одежда, обувь, личные вещи, салон автотранспорта, оборудование ванных комнат, душевых, дверные ручки, письменные принадлежности, орудия преступления, похищенные вещи и предметы и т.п.) вполне отчетливый, с точки зрения криминалистики, микробиомный след биологического происхождения (имеются апробированные методики по его обнаружению, фиксации, изъятию, хранению и исследованию; первоначально профильные методики были заимствованы из сферы одорологии и производства судебных ольфакторных экспертиз по исследованию запаховых следов).

Применительно к теме настоящего исследования необходимо констатировать, что этот биологический след преимущественно оставляется микробиомом кожи. Микробиом желудочнокишечного тракта также может «принимать участие» в следообразовании, так как он в определенных пропорциях содержится в слюне, слизистых выделениях из носоглотки, в продуктах выделения жизнедеятельности человека и др.

С учетом изложенного, микробиом (микробиом-ный след) имеет все свойства и характеристики, необходимые для того, чтобы он стал основой новой биометрической технологии идентификации (отождествления) человека.

Заключение .

Подводя итоги настоящего исследования, необходимо констатировать, что анализ результатов научных изысканий и прикладной деятельности (в т.ч. по созданию аппаратно-программных систем и технических средств, повышающих доступность и эффективность метода для решения потенциальных задач, способствующих снижению его себестоимости, существенному уменьшению временных и трудозатрат на его реализацию и др.), проведенных в профильной сфере,