АСПЕКТЫ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ РЕКОНСТРУКЦИИ РАСТЕНИЙ
С незапамятных времен усилия человека были направлены на то, чтобы извлечь из всего, что растет, колосится и плодоносит как можно больше пользы. И мир заметно продвинулся в своих устремлениях. Особенно с тех пор, как в дело включились исследователи-генетики.
Л. Юдина, «НВС»
Интеграционный проект «Разработка генно-инженерной платформы нового поколения для экспрессии целевых генов в составе внеядерных геномов клетки» объединил коллективы из нескольких институтов СО РАН — Цитологии и генетики, Химической биологии и фундаментальной медицины, Физиологии и биохимии растений, Химической кинетики и горения. Координатор проекта — доктор биологических наук Е. В. Дейнеко, заведующая лабораторией биоинженерии растений ИЦиГ.
— Елена Викторовна, можно перевести название проекта на общедоступный язык? И обоснуйте необходимость обращения к данной проблеме.
— Давайте попытаемся. Но прежде придется остановиться на некоторых этапах развития биологической науки. Что такое трансгенез, знает сегодня, наверняка, каждый. Исследователи научились переносить чужеродные гены — вирусов, микроорганизмов, растений, грибов, насекомых, человека в другие системы. Например, в кишечную палочку. Кишечная палочка работает на человечество десятки лет. Если человеческий ген интерферона перенести в эту самую палочку, она начнет его экспрессировать, т.е. активировать. Ген будет работать, человеческий интерферон накапливаться.
— Какие цели при этом преследуются?
— Накопленный интерферон можно использовать в интересах фармакологии, например, как иммуномодулятор.
— И такая технология существует?
— Не одно десятилетие! Кишечную палочку заставляют работать в лабораторных условиях — в пробирках она способна производить различные белки, в том числе и человеческие. Но, к сожалению, в искусственных условиях палочка трудится несколько хуже, чем в кишечнике человека.
Все организмы, как известно, разделены на две большие группы: прокариоты — низшие, эукариоты — высшие, к коим относится и человек. Скажем так, в лабораторных экспериментах мы имеем прокариотический уровень. Может быть модификация белков «не дотягивает» до нужной планки, чего-то еще не достает. То есть структура совершенна для уровня простейших, но в данном случае требуется более высокий.
Вот и приходится искать более гибкие системы, предлагаются разные подходящие клетки. Клетки насекомых сейчас рассматриваются как наиболее перспективные для накопления фармакологических белков.
— А клетки человека?
— В принципе, они наиболее оптимальны для наработки фармакологических белков. Но процедура эта чрезвычайно дорогостоящая. Поддерживать клетки в условиях in vitro, в искусственной среде — труднейшая из задач. Эксперименты, разумеется, идут. Одновременно ведется поиск альтернативных вариантов. Нужны дешевые способы производства фармакологических белков в эукариотических клетках.
И тогда исследователи обращают свой взор на растения. В течение двух десятилетий весьма интенсивно разрабатывается направление по использованию растительных клеток для получения фармакологических белков. На сегодняшний день проработаны способы интегрирования в растения генов иммуномодулирующих белков — интерлейкинов 10 и 18 человека.
— То есть проблема решена?
— Как часто случается, решены одни вопросы, тут же встают другие. Представьте только: чужеродный ген внедряется в ядерный геном растения, в район, где властвуют собственные гены.
— «Хозяевам» это не нравится?
— Гены растения приводят в действие свои ответные механизмы, и внедренные гены могут попросту не проявиться. Моя докторская как раз и была посвящена столкновению интересов чужеродных и родных генов, функционированию в этих условиях последних. Иными словами, хотя направление по внедрению в ядерный геном растений чужеродных генов интересно и перспективно, нужны и альтернативные варианты.
Наш интеграционный проект как раз и ориентирован на иные подходы. Рассматриваются так называемые внеядерные геномы растений — геномы хлоропластов и митохондрий.
— Чем они привлекательны?
— Геном хлоропластов, например, состоит из множества копий. И если в один хлоропласт мы перенесем одну копию человеческого гена, то в итоге в одной растительной клетке можем одновременно иметь 10 тысяч копий гена. И все они, что очень существенно, будут работать.
— Данное направление получило развитие?
— Ведущие биотехнологические центры мира активно работают в этой области. Есть положительные примеры. Когда в геном хлоропласта были перенесены чужеродные гены, то количество белка, который в результате накапливается в таких растениях, составило 46,3 %!
Если бы подобная ситуация случилась, когда такой же ген был интегрирован в ядерный геном, то выход белка не превышал бы одного процента.
— Счет 46:1 в пользу внеядерных геномов?
— Видите, какая огромная разница! Мы можем иметь растения, способные в значительных количествах накапливать человеческие белки. По сути, получаем биореактор, фабрику медицинских белков.
— Так почему же такой выгодный способ не освоен в широком масштабе, не перенесен в практику?
— Методически процедура очень сложна, но, тем не менее, многие биологические центры, о чем я уже упоминала, взяли эти технологии на вооружение. В мире примерно два десятка растений с заданными свойствами получены таким способом.
— А в России?
— Пока о результатах не слышно. Исследователи как бы опасаются подступаться к теме.
— А ваша лаборатория биоинженерии растений?
— Как раз вынашиваем грандиозный проект, который, по всем предположениям, обещает быть удачным. В интеграционном проекте мы объединили усилия специалистов, каждый из которых смотрит на проблему под своим углом зрения. И живые клетки, с которыми работаем мы, предстают перед ними совсем в другом ракурсе.
— Что нового, необычного предлагает творческий коллектив участников интеграционного проекта?
— Мы решили модифицировать подход к переносу чужеродных генов в хлоропластный геном, миновав длительную стадию последующего отбора клеток на антибиотиках.
Исследователи в биологических центрах мира обычно пользуются именно системами селекции на антибиотиках. Но процесс зачастую сопровождается спонтанными мутациями. Мы тоже получили спонтанные мутации, которые дают возможность хлоропластам приспосабливаться к антибиотикам, как бы имитировать событие интеграции чужеродного гена. Затем возникла идея сделать процесс более экономичным и гибким. Клетки будем сортировать, используя специализированный прибор — биологический сортер.
С помощью генной пушки переносим фрагмент ДНК чужеродного гена в растительную клетку — выстреливаем. Фрагмент встраивается именно в хлоропластный (а не в ядерный) геном.
— Стреляете прицельно, в конкретный участок?
— Попадание случайное. Событие это само по себе редкое. Хлоропластов в клетке около 10 тысяч, а мы угодили в один. Попали в какую-то точку. Следующий этап — требуется осуществить длительный процесс отбора, удалить все прочие хлоропласты, оставив только «пораженный» нами объект. Этот хлоропласт и будем размножать. То есть, произвели интеграцию гена в хлоропласт, собрали в кювету только те клетки, в которые попали фрагменты чужеродной ДНК и где произошла трансформация. И вот мы имеем инструментарий для дальнейших манипуляций — набор клеток-продуцентов. Своеобразный банк нужных качеств.
— Немного фантастично звучит. Пока это все на стадии задумок, проектов, предположений?
— Уже существуют методики. Весьма важно, что клетки остаются живыми, затем их можно опять культивировать.
— Подчеркните главную мысль всех этих превращений…
— Возможность разделения клеток как бы на две группы, выделения именно той их части, которая нужна для дальнейшей работы. (Есть прибор сортер, так почему бы не посортировать материал!). А как затем из отдельных клеток восстанавливать растение — мы в лаборатории все это умеем.
Если все, что задумали, осуществим, будет здорово!
— Иными словами, в этом случае вы предложите свой подход к получению новой линии трансгенных растений?
— Я бы сместила акцент в вопросе. Нас, прежде всего интересуют фундаментальные выходы. Лаборатория очень много и давно занимается вопросами трансгенеза. На эту тему готовятся и защищаются кандидатские и докторские диссертации. С точки зрения науки, даже оставляя в стороне вопрос, насколько важны данные технологии, абстрагируясь от практического аспекта, мы прежде всего должны в деталях изучить сам механизм взаимодействия родных и чужеродных генов, изменения, происходящие в геноме, характер мутаций и т.д. Все документируем. Может ответить на вопрос, надо ли бояться трансгенных растений.
— Пожалуйста, ответьте: надо ли бояться трансгенных растений?
— Сейчас один наш студент взялся выяснять, могут ли генетически модифицированные растения оказывать влияние на организм животного. Модельных мышей кормим разной морковкой — с чужеродными генами и обычной. Потом тщательнейшим образом будем проверять, в том числе и на нескольких поколениях.
Человеку, считаю, ничто не угрожает, если даже какая-то часть генетически модифицированных продуктов попадет в организм. Мы же едим разнообразную пищу — с разными ДНК. Тем более, что в желудке и кишечнике все сортируется, обрабатывается, утилизируется. А уж в клетки, которые ответственны за воспроизводство, такие фрагменты ДНК вообще не попадают и на наследственность, естественно, не влияют.
Углубляясь в дискуссию о вредности генмодифицированных растений и продуктов, где они присутствуют, оппоненты упускают из вида все положительные моменты. А их немало, и главный, пожалуй, за счет расширения площадей таких культур представляется возможность решить продовольственные проблемы, снять многие вопросы защиты растений от вредителей.
Вот вам один из ярких примеров. На российские поля пришел колорадский жук. Как с ним бороться? Сейчас на вооружении химические препараты, которые, конечно же, не безвредны. Но если удастся получить трансгенный картофель, устойчивый к колорадскому жуку, представляете, какая выгода!
— А мы будем опасаться, что клубни — вредные…
— Генно-инженерными методами можно сделать так, что дельта-токсин будет накапливаться только в листьях. Существуют специальные регуляторы — промоторы, которые при использовании и будут давать соответствующий сигнал, где должен сосредоточиться «контр-реагент».
Во многих странах сегодня засевают трансгенными растениями огромные площади, в мировом масштабе достигнуты ощутимые успехи в этой области. А в России трансгенные растения запрещены, и мы можем здорово отстать. Технологии эти сложны, но очень перспективны, в чем мы, исследователи, убеждаемся постоянно.
— Елена Викторовна, ваш интеграционный проект тоже работает на данную тему. Все его участники — единомышленники?
— Коллектив у нас замечательный! Энтузиасты, одержимые одной идеей. Валерий Павлович Мальцев, завлаб из Института химической кинетики и горения, за ним физические аспекты проекта. Сергей Николаевич Щелкунов, автор учебника по генной инженерии. Он представляет Институт биологической химии и фундаментальной медицины. С.Н. курирует генно-инженерные работы, то есть, конструирование специальных векторов, фрагментов ДНК, которые мы будем переносить в хлоропластные геномы. Юрий Михайлович Константинов, завлаб из Института физиологии и биохимии растений. Кстати, Юрий Михайлович — единственный из специалистов, кто занимается внеядерным геномом митохондрий. Именно митохондрии он пытается сейчас трансформировать чужеродными генами.
Если хлоропластные геномы все-таки в мире как-то вовлечены в работу, то к митохондриям только присматриваются. Предпринимаются лишь отдельные попытки. Но здесь еще непаханое поле, системы не развиты, не отработаны, масса проблем. Думаю, что подход, который мы пытаемся использовать в сортировке на клеточном уровне, очень пригодится.
— Есть ли все необходимое оборудование?
— Абсолютно! В нашей лаборатории имеется даже специальная генная пушка, с помощью которой можем «выстреливать» фрагментами ДНК в хлоропласты.
— Что на сегодня удалось сделать по интеграционному проекту?
— Обсудили со всей тщательностью пути и варианты решения задач и сейчас находимся на стадии интенсивной проработки каждого из пунктов проекта, всех тонкостей эксперимента — каждый со своих позиций. Регулярно собираемся. Правда, Юрий Константинович, поскольку находится в Иркутске, общается с нами с экрана компьютера. Очень бурными бывают дискуссии. Важно не просто понять, что и как делать, а синхронизировать действия, настроиться на одну волну. Чтобы сердца стучали в унисон.
Фото В. Новикова
Источник: Официальный сайт института цитологии и генетики СО РАН