В этом номере нашего журнала мы продолжаем цикл публикаций, посвящённых генно-модифицированным организмам. Из статьи вы узнаете, зачем учёные изучают паутину и ДНК пауков, почему антитела хотят производить в растениях, как можно выращивать синие розы, а также о других интересных научных проектах, над которыми работают учёные-генетики по всему миру.
Как и зачем производить паутину
Возможно, в будущем генетически-модифицированные растения станут «фабриками» новых материалов. В них можно получать самые разнообразные белки, обладающие уникальными свойствами.
Один из таких белков – спидроин, выделяющийся из паутинных желез у пауков. Раствор белка выдавливается через специальное узкое отверстие. Благодаря вытянутой конформации, молекулы спидроина выстраиваются параллельно, секрет желез быстро сохнет, и образуется очень прочная нить – паутина. Она легко выдерживает вес паука. Нить паутины прочнее стальной проволоки того же диаметра, и при этом эластично растягивается еще на треть своей длины.
На особую прочность паутины человечество давно обратило внимание. Особенно широкое применение нити паутины нашли в тропических странах, где обитают крупные пауки (рис. 1). В Юго-восточной Азии из паутины пряли легендарную прочную ткань – тонг-хай-туан-тсе («сатин Восточного моря»). Видимо, именно из нее была сделана мантия, которую некогда привезли королеве Виктории в подарок китайские послы.
В XVII веке была попытка «одомашнить» европейские виды пауков. Президент Палаты счетов из города Монпелье представил доклад в Парижскую Академию наук, предложив технологию изготовления тканей из паутины. К докладу в качестве демонстрации были приложены особо прочные чулки и перчатки.
Рис. 1. В тропических странах обитают особо крупные пауки
Парижская Академия создала комиссию, которая подробно изучила рентабельность производства паутины. Оказалось, что на получение одного фунта паучьего шелка потребуется около 600 пауков. При этом количество мух, которое пошло бы им на корм, превышает полчища мух, которые летают над всей Францией! А чулки и перчатки из паутины решили подарить королю – Людовику XIV. Об оснащении флота парусами из паутины мечтал Наполеон, но его мечте также не суждено было сбыться.
В XXI веке к задаче получения паучьего шелка подходят совершенно по-другому. Уже удалось клонировать ген спидроина из ДНК пауков. Есть проект по пересадке этого гена в растения. Такие генетически-модифицированные растения можно широко выращивать на полях, а из их биомассы выделять и очищать спидроин. Дальше раствор белка нужно под давлением пропустить через тонкие отверстия, и после высыхания получится паутина.
Паутину планируют использовать, прежде всего, в скафандрах космонавтов, а также для изготовления композитных материалов с паутинной основой и пропиткой из синтетических полимеров. Эти композитные материалы по идее разработчиков должны со временем заменить титановые детали в корпусах самолетов. Может быть, и мы когда-нибудь будем носить особо прочную одежду из паутины.
Проект по производству антител в растениях
Антитела – белки, вырабатываемые в организме многих животных, которые обеспечивают точное связывание с какими-то чужеродными веществами, попавшими в организм (антигенами) (рис. 2). Связывание антитела с антигеном настолько специфично, что по этой реакции можно определять ничтожные количества антигенов в среде. В частности, антитела используют для производства разнообразных тест-полосок. Например, на старт наносят специфические антитела кролика, связанные с частицами золота (в водной среде эти частицы золота приобретают синюю окраску). На некотором расстоянии от старта к полимеру, из которого сделана полоска, химически пришивают специфические антитела кролика против того же антигена, а чуть подальше – антитела козы к антителам кролика.
Рис. 2. Схема строения антител. Синим цветом обозначен участок белка, отвечающий за специфическое связывание с антигеном (источник — http://ru.photaki.com/pictures-body-p1)
Если в среде присутствует искомый антиген, он сначала свяжется с антителами на частицах золота и вместе с ними по капиллярам достигнет неподвижных специфических антител. Здесь антиген опять свяжется с антителами, и движение частиц золота прекратится. Появится первая синяя полоска. Избыток частиц золота с антителами кролика, которые не связались с антигеном, с потоком жидкости достигнет вторых антител (антитела козы против антител кролика). Здесь одни антитела свяжутся с другими антителами, частицы золота остановятся, и проявится вторая полоска.
Если антигена в растворе нет, то частицы золота со специфическими антителами беспрепятственно пройдут мимо первых антител, и «завязнут» только на вторых. Вместо двух синих полосок проявится только одна.
Это – только одна из областей, где применяют антитела. Производить их традиционным способом (через культуру животных клеток) очень дорого. И возникла идея – пересадить гены соответствующих антител из клеток животных в организм растения. Причем от антитела, собственно, нужен только тот участок белка, который связывается с антигеном. Поэтому ген антитела можно даже несколько «укоротить», и получить мини-антитела.
Уже есть успешные попытки пересадить гены антител в ДНК растений. Но тут же возникла трудность. Дело в том, что антитела из животных клеток обычно выделяются наружу. У растений большинство белков, выделяемых наружу, снабжается «хвостом» из нескольких остатков углеводов (гликозилируется). Если антитело гликозилировано, то оно плохо связывает (или даже совсем не связывает) свой антиген. Поэтому ученые собираются вносить «дополнительные коррективы»: выключать гены растений, отвечающие за гликозилирование. После решения этой задачи технология производства антител может кардинально измениться.
Синяя роза и другие
Роза чистого небесно-синего цвета – давняя мечта садоводов. Все попытки селекционеров по выведению синих роз увенчались сортами с сиреневыми или сине-фиолетовыми цветками. Но чистый синий цвет все никак не получался.
За красную, лиловую и синюю окраску цветков отвечает особая группа растительных пигментов – антоцианы. Оказалось, что у роз нет собственного антоциана, окрашенного в синий цвет. Зато такие антоцианы есть, например, среди анютиных глазок (Viola wittrockiana). Японским исследователям удалось пересадить ген соответствующего антоциана из анютиных глазок в розы. Вскоре на рынке должны появиться букеты из генетически-модифицированных синих роз. Их производство планируют заранее ограничить, чтобы цена на них была постоянно высокой.
Но если синяя роза – это еще только разработка, то желтая петуния уже далеко не редкость (рис. 3). В природной гамме окраски лепестков петунии преобладают розовые, красные и фиолетовые тона. Чтобы сделать лепестки желтыми, в ДНК петунии встроили гены биосинтеза флавоноидов – растворимых в воде пигментов, которые придают желтую окраску. Теперь на основе этих желтых петуний поучены сорта с оранжевой окраской. Их широко применяют в озеленении городов, забыв о том, что такие петунии – типичные ГМО.
Теперь благодаря генетической инженерии есть принципиально новые возможности получить растения со сколь угодно богатой окраской лепестков. Если раньше селекционер был ограничен тем генетическим разнообразием, которое есть внутри вида, то теперь гены несвойственной для данного вида окраски можно «позаимствовать» у других растений.
Рис. 3. Желтая петуния получена путем генетической модификации с усилением биосинтеза флавоноидов
Гибриды F1 и мужская стерильность
Если проводить самоопыление одной и той же генетической линии растений в течение многих поколений, то часто они отстают в росте, дают меньший урожай по сравнению с теми, у которых было перекрестное опыление. Это явление было названо инбредной депрессией (инбридинг – близкородственное скрещивание). Но если две инбредные линии растений скрестить между собой, то получаются особенно мощные растения, урожай от которых выше, чем у обычных сортов. Потомков первого поколения в генетике принято называть гибридами F1 (рис. 4), а явление усиления роста – гетерозисом.
Рис. 4. Примеры современных особо урожайных гибридов F1. А – цветная капуста сорта ‘Graffity F1’. Б – кабачки ‘Goldline F1’
К сожалению, гетерозис ослабевает, если посеять семена, полученные от гибридов F1, и урожай, соответственно, падает.
Можно предложить и более сложную схему скрещиваний, где исходными будут четыре инбредные линии. Сначала нужно получить два разных гибрида F1, а затем скрестить эти гибриды между собой. У некоторых видов растений таким способом удается усилить эффект гетерозиса, который был у каждого из начальных гибридов F1.
На опытных делянках можно подобрать исходные инбредные линии для получения таких гибридов. Но когда дело доходит до промышленного получения гибридов F1. Представьте что на поле нужно сначала удалить все тычинки у одной из линий, причем часто цветки открываются не одновременно, и нужно успеть до созревания пыльцы! Кроме того, цветки, а тем более – тычинки некоторых растений очень мелкие (цветки моркови, например, не более 2–3 мм в диаметре!).
Именно поэтому один из очень востребованных проектов – получение растений со стерильной пыльцой (т.е., с мужской стерильностью). Такие растения могут давать только семена от перекрестного опыления другими линиями того же вида.
Идея этой программы состоит в следующем. Если бы в тычинках у одной из родительских инбредных линий синтезировалось какое-нибудь ядовитое вещество, которое убивает клетки растений, то тычинки не сформировались бы. Однако у полученных гибридов F1 тычинки должны быть нормальными (иначе урожая вообще не будет). Вторая родительская инбредная линия должна содержать какое-то «противоядие», которое не дает действовать ядовитому веществу.
И «яд», и «противоядие» были найдены у одного из видов бактерий – Bacillus amylolyquefaciens. В ее клетках синтезируется специфическая РНКаза – барназа (BaRNAse, от Bacillus amylolyquefaciens RNAse). Барназа разрушает чужеродные РНК и используется бактерией для защиты. Чтобы собственная РНК в клетке не разрушилась, в них синтезируется другой белок – барстар (Barstar). Этот белок образует с барназой прочный комплекс, и она перестает работать.
Чтобы получить растения с мужской стерильностью, нужно кодирующую часть гена барназы «пришить» к промотору какого-нибудь гена, работающего в тычинках. У трансгенной линии тычинки не разовьются. Для второй линии к такому же промотору нужно «пришить» кодирующую часть гена барстар. Тогда у гибридов F1 между этими двумя линиями в тычинках одновременно образуются и барназа, и барстар. Тычинки могут развиваться нормально, и мы получим хороший урожай.
Эта программа сталкивается с обеспокоенностью людей, что в геноме модифицированных растений в принципе будет содержаться ген биосинтеза какого-то потенциально опасного белка. Поэтому приходится искать другие пути получения мужской стерильности. В частности, было замечено, что у табака жизнеспособная пыльца не образуется, если поврежден один из генов азотного метаболизма, отвечающего за цитоплазматическую форму глутаминсинтетазы. В принципе у растений есть и другая форма этого фермента, которая находится в хлоропластах. Так что без глутамина растение в целом не останется. Однако для развития пыльцы почему-то важна именно цитоплазматическая форма.
Схема получения гибридов F1 теперь несколько изменится. Одна из инбредных линий будет дефектна по гену глутаминсинтетазы, а у второй он будет нормальный. Гибридам F1 достанутся две копии гена глутаминсинтетазы: дефектная и рабочая. В принципе в цитоплазме фермент заработает, и жизнеспособность пыльцы восстановится.
В современном мире каждая семеноводческая фирма старается с производства сортов переходить на производство семян гибридов F1. Дело в том, что сорт можно длительно размножать без потери качества урожая. Фермер только один раз придет на фирму для покупки семян, а дальше в принципе может сам высевать семена собственного сбора*. Если же фирма предлагает более урожайные семена гибридов F1, то закупать их придется ежегодно. Ведь эффект гетерозиса в следующем поколении теряется.
*Примечание. В России воспроизведение семенного материала регламентировано законом, защищающим интересы семенных фирм. Собственные семена без лицензии можно собирать не более 4 лет, причем каждый год подавать в налоговую службу об этом декларацию. Однако на практике этот закон в полной мере не работает.
Гибриды F1 позволяют фирмам-производителям семян сохранять свое know-how. Ведь нельзя воспроизвести «фирменный» гибрид F1, если нет родительских инбредных линий. Кроме того, фирмам-конкурентам трудно вовлекать гибриды F1 в свои программы скрещиваний с целью улучшить свои сорта за счет селекционных достижений конкурента. Таким образом, гибриды F1 очень выгодны фирмам-производителям.
Патентование достижений селекции
С производителями семян связана необычная область применение генной инженерии. Чтобы получить новый сорт, селекционеры часто тратят десятки лет. Подобирают родительские пары для скрещивания, если нужно – воздействуют мутагенами, отбирают среди потомков самые перспективные растения, размножают их и тестируют на урожайность, устойчивость к болезням и климатическим факторам в разных условиях. Только после этого сорт можно выпускать для широкого использования.
У конкурентов есть большой соблазн либо выдать чужое селекционное достижение за свое, либо, воспользовавшись достигнутым чужим результатом, скрестить новый сорт со своими, и получить что-то сходное, как бы «улучшенный вариант» нового сорта. Такая политика конкурентов снижает прибыль от продажи нового сорта.
Во многих странах селекционные достижения патентуют для того, чтобы хоть как-то защититься от подобного рода явлений. Чтобы доказать, что конкуренты использовали чужое селекционное достижение, предлагают путем генетической модификации ввести в ДНК каждого нового сорта определенную последовательность нуклеотидов (что-то вроде штрих-кода). У каждой фирмы, занимающейся селекцией, будет своя, отличающаяся от других, последовательность нуклеотидов. После этого анализируя пробы ДНК легко выявить, использован ли в скрещиваниях чужой генетический материал.
Рис. 5. Примерно так представляют защиту селекционных достижений современные карикатуристы (источник — http://www.claybennett.com/pages/patent_pending.html)
