Анастасия Волчок – От пробирки до кастрюли: Как ученые разрабатывают продукты, которые мы едим каждый день (страница 3)

Рис. 2. ДНК состоит из двух цепей, каждая из которых представляет собой последовательность четырех нуклеотидов, где в роли азотистых оснований представлены гуанин, цитозин, аденин и тимин. Каждые три нуклеотида в цепочке кодируют одну аминокислоту в составе белка. В молекуле РНК тимин заменен урацилом

В обычном состоянии ДНК упакована очень плотно, как моток ниток. Если клетке вдруг понадобился какой-то белок, часть ее ДНК расплетается, а двойная спираль раскрывается, будто застежка-молния на куртке, чтобы с нее удобно было сделать запись: синтезировать матричную РНК на основе нужного гена (РНК похожа на ДНК, но цепочка у нее не двойная, а одинарная: сахар – рибоза, а вместо азотистого основания тимина – урацил). Затем эта мРНК отправляется к рибосоме, где происходит синтез белка: 20 аминокислот выстраиваются в цепочку, раз за разом сменяя друг друга согласно переданной инструкции. Бусы, собираемые из этих аминокислот, получаются самые разные, примерно как из одних и тех же кубиков лего удается построить и гоночный автомобиль, и цветок, и за́мок для принцессы. Так и белки: одни короткие, другие длинные, из одних получаются мышцы, а другие нужны для защиты от инфекций или внутреннего управления.

То, каким будет конечный белок, как и в случае с лего, полностью зависит от используемых «правил сборки». Вот только инструкция к конструктору – вещь стабильная, она не изменится, сколько копий ни печатай, а о генетическом коде такого сказать нельзя. Во всех организмах, и у растений тоже, ДНК может повреждаться, например из-за солнечного излучения, или копироваться с ошибками во время деления клеток. Отдельные нуклеотиды могут выпадать или заменяться на другие. Так ДНК мутирует. Чем старше организм, тем больше мутаций в нем накапливается.

Так как ДНК очень большая и далеко не вся заполнена информацией о белках, большинство мутаций в ней могут быть относительно «нейтральными». Но из-за некоторых ошибок гены начинают кодировать новые белки или вообще ломаются. Если мутация происходит в половых клетках, передается потомству и оказывается выгодной для растения, оно приобретает эволюционное преимущество, а если невыгодной – потомки такого растения, скорее всего, погибнут, не выдержав конкуренции с другими видами.

Выходит, все растения на земле (как и все живые существа) – это генетически измененные потомки своих «прабабушек» и «прадедушек», которые когда-то обзавелись полезными для них свойствами. Классическая же селекция, в свою очередь, меняет ДНК в угоду людям: методом отбора сохраняет экземпляры с нужными нам мутациями. Жаль только, делает это слишком медленно.

Поняв, как в живых клетках работает передача генетической информации, и научившись ее расшифровывать, или секвенировать[7], человек закономерно задался вопросом: а есть ли способ как-то повлиять на ДНК растений, чтобы ускорить изменение их свойств и получить новые суперсорта? Ответ оказался положительным. На самом деле еще в 1960-х гг. провоцирование мутаций в растительных клетках шло полным ходом. За последние 70 лет люди получили более 3000 новых сортов растений, облучая традиционные формы и посыпая их химическими реагентами, чтобы вызвать спонтанные мутации в геноме. Ионизирующее излучение мы должны благодарить, например, за ярко-красные грейпфруты. В то время, когда они создавались, мутагенез не считался получением ГМО (как не считается таковым и до сих пор), растения не делились на «натуральные» и «искусственно полученные в лаборатории», биологи не боялись рисковать, а трава была зеленее. Сегодня все иначе. У современного селекционера в арсенале куда больше инструментов для того, чтобы улучшить растительную ДНК (табл. 1), но делает он это с гораздо большей осторожностью, а иногда не делает вообще.

От ненаправленного мутагенеза, где мутации происходят сами собой, а человек просто отбирает удачные экземпляры, ученые со временем перешли к более тонкой работе. Они научились вставлять в клетки растений тщательно отобранные чужеродные гены в составе специально созданных генетических конструкций – векторов. Такие векторы традиционно делают на основе бактериальных плазмид – небольших кольцевых молекул ДНК.

Таблица 1. Некоторые методы современной селекции растений и степень их воздействия на растительную ДНК

Вводят плазмиды в растения разными способами. Один из самых известных – агробактериальная трансформация. Здесь курьером, доставляющим выбранный учеными ген, становится почвенная бактерия Agrobacterium tumefaciens (она же Rhizobium radiobacter). В природе она занимается тем, что заражает копиями участков своих Ti-плазмид стебли растений. Фрагменты Ti-плазмид встраиваются в растительную ДНК и начинают производить для бактерий питательные вещества – опины. Биологи же берут у бактерий плазмиды, делают их более компактными, заменяют в них бактериальные гены на целевые (которые должны наделить растение новыми свойствами) и вводят им обратно, после чего Agrobacterium tumefaciens делает за ученых оставшуюся работу. Нужно только смешать эту бактерию с растительными клетками, и ее плазмиды доставят в них вместо собственных генов подсунутый человеком «ценный груз» (рис. 3), а растения смогут лучше плодоносить, выдерживать засуху или накапливать витамины[8]. Это как если бы кто-то взял троянского коня, вытряхнул из него ахейских воинов, а на их место положил новенькие винтовки, чтобы царю Приаму и его любвеобильному сыну было чем обороняться.

Рис. 3. Агробактериальная трансформация растений

С помощью агробактериальной трансформации, например, швейцарец Инго Потрикус и немец Питер Бейер в 1999 г. создали «золотой рис», богатый предшественником витамина А – бета-каротином[9]. По их замыслу, этот улучшенный злак должен был помочь в борьбе со слепотой в странах третьего мира, где рис составляет основу рациона населения. Впоследствии сорт был доработан в сотрудничестве с химическим гигантом Syngenta (сейчас принадлежит китайскому холдингу Sinochem). Чужеродные гены нарциссов в нем были заменены на гены кукурузы, а концентрация витаминов стала еще выше. Узнать «золотой рис» легко, он отличается от обычного ярко-оранжевым цветом. Выращивают его пока только на Филиппинах[10].

Методы доставки генов в растения все время дорабатывают. Например, более новый и более быстрый – с использованием растительных вирусов. Для этого в их геном помещают нужные ученым гены, лишают вирусы некоторых способностей, чтобы не нанести растению вред, и только после этого заражают ими зеленого подопытного[11]. Вирусный геном начинает встраиваться в ДНК хозяина, а вместе с ним встраивается и «посылка» в виде собранной биологом последовательности нуклеотидов. Некоторые современные вакцины, включая первую в мире вакцину против коронавируса SARS-CoV–2 (это он вызвал злосчастную пандемию в 2020–2022 гг.), созданную в российском Исследовательском центре имени Н. Ф. Гамалеи, действуют схожим образом. Разница лишь в том, что аденовирус, выбранный медиками вакцинным почтальоном, в ДНК человека встроиться не может, а вот доставить нужный ген для выработки коронавирусного белка – пожалуйста. В ответ на этот белок клетки уже сами производят антитела, благодаря чему вакцина и работает.

Когда генетически измененным рисом стало трудно кого-либо удивить, биологи начали экспериментировать с точным редактированием генома, которое позволило бы настраивать свойства растений с большей эффективностью. Плазмида – это отлично, но как сделать так, чтобы ген встраивался в ДНК в точно заданном месте или в гене происходило только какое-то маленькое изменение? Вообще говоря, добиться этого не так-то просто. Для этого нужно уметь расщеплять и соединять молекулы ДНК не где попало, а в спланированных местах.

С этой целью сперва использовались специально синтезированные нуклеазы – ферменты, которые прикреплялись к ДНК-цепи в нужном месте, а потом разрезали ее (про ферменты и их значение для пищевой отрасли мы поговорим подробнее в главах 3 и 4, а сейчас скажем только, что это белки, ускоряющие различные химические реакции в живых организмах). Однако они нередко делали ошибки, вшивая чужеродные гены не по адресу. Нуклеазный сайт-направленный мутагенез, таким образом, был неидеален.

И вот наконец в 2012–2013 гг. научный мир взорвался, когда на базе еще одного бактериального феномена генетиками была создана технология CRISPR/Cas9. Пришедшая вместе с ней возможность вносить в геном контролируемые изменения с небывалой до этого точностью стала настоящим прорывом и повлекла за собой глобальные преобразования как в медицине, так и в селекции (рис. 4).

Рис. 4. Развитие генетики и эволюция методов редактирования растительного генома

CRISPR/Cas: как бактерии научили биологов разрезать ДНК

Все началось даже не с бактерий, а с архей – одноклеточных организмов, которые похожи на бактерии, но имеют свою эволюционную историю. Как и у бактерий, у них нет ядра, а сами они такие же маленькие, но некоторые другие характеристики архей принципиально отличаются, из-за чего в конце XX в. учеными было решено выделить их в отдельный домен. Особенностью архей считается их пристрастие жить в экстремальных условиях, например в горячих источниках и соленых озерах.