Любимый инструмент генных инженеров

Если скрестить ужа с ежом, получится метр колючей проволоки

Скрестить вишню с арбузом не позволяют законы природы, а если это и удастся, по закону подлости получится, скорее всего, арбуз размером с вишню. Но законы природы, как и законы из административного кодекса, часто противоречат друг другу.

Чтобы растение (или животное, или бактерия) приобрело новые свойства, в его ДНК должен появиться новый ген, кодирующий новый белок. Новые сорта и виды появляются в результате мутаций генов под действием радиации, химических веществ или ошибок в копировании ДНК при делении клеток. И межвидовые гибриды в природных условиях образуются постоянно и время от времени дают начало новым видам. Эти юридические уловки использует и природа, и селекционеры при выведении новых сортов. Но при искусственном опылении цветков растения одного вида пыльцой другого, даже близкородственного, в лучшем случае в одном из тысяч пестиков завяжется гибридное семя, одно из тысячи таких семян окажется жизнеспособным, одно из тысячи проросших растений будет нести нужные человеку свойства, еще одно из тысячи сможет сохранять эти свойства в следующих поколениях… И результатом многолетних трудов может оказаться что-нибудь высокоурожайное, но малосъедобное, или устойчивое к болезням, но с урожайностью полведра с гектара. К сожалению, мы, в отличие от природы, не можем ежедневно ставить миллиарды новых опытов и ждать результатов сотни или тысячи лет.

При скрещивании сортов одного вида (например, высокоурожайного, но болезненного с устойчивым, но малопродуктивным) потомство то получается ни в мать, ни в отца, то наследует от обоих родителей худшие свойства. Результаты искусственных мутаций – дело случая, и, как и в природе, чаще всего оказываются бесполезными или вредными. А главный недостаток традиционных способов селекции – то, что с их помощью практически невозможно получить растения с принципиально новыми свойствами. А с помощью генной инженерии – можно.



Свечение некоторых бактерий и светлячков обеспечивает система из нескольких белков, закодированных в связанных между собой генах. Два из этих белков, объединившись, образуют сигнальную молекулу – автоиндуктор. Он присоединяется к промотору – участку в начале гена, который запускает процесс синтеза матричной РНК, что приводит к синтезу и самих вспомогательных белков, и фермента люциферазы. Молекула люциферина под действием люциферазы меняет свою конфигурацию, испуская фотон.
Комплекс таких lux- или luc-генов, выделенных соответственно из бактерий или светлячков, используют в качестве маркеров – присоединяют к целевым генам, кодирующим нужные признаки, и для дальнейшей работы отбирают клетки, которые светятся в питательной среде с добавкой люциферина.
Чтобы вырастить новогоднюю елку, которая сама себе служит гирляндой, осталось только научить ее синтезировать люциферин – и побольше, чтобы свечение было заметно не только с помощью сцинтилляционного счетчика, но и невооруженным глазом.

Законы нельзя нарушать, но можно обойти

Растения хорошо размножаются вегетативным путем. Целое растение можно вырастить и из черенка, и из кусочка листа или корня, и даже из одной-единственной клетки. Культуры растительных клеток уже больше полувека применяются для выведения новых сортов: обработать мутагенами целое поле намного сложнее, чем одну чашку Петри. И пытаться скрестить разные виды с помощью опыления намного сложнее, чем напрямую слить в одну клетки растений разных видов (хотя это тоже очень сложно). А результат – мутантное или гибридное растение – будет так же непредсказуем, как при обычной селекционной работе. Если он вообще будет жизнеспособным.

Ввести в хромосомы клеток растений гены, кодирующие нужный белок (и, соответственно, нужный признак), можно разными способами. Бомбардировка клеток микрочастицами – это просто, дешево и не очень эффективно. Можно заразить растение модифицированными вирусами: в них оставляют только те гены, которые обеспечивают проникновение вирусной ДНК через клеточную оболочку и внедрение в хромосому, а остальные гены заменяют целевыми и вспомогательными генами. Это намного сложнее, чем обстрел из генной пушки, и тоже неэффективно. Микроинъекции генов в ядро клетки – надежный, но очень сложный способ: квалифицированный специалист вынужден обрабатывать клетки не миллионами сразу, а поштучно. Проникновению чужой ДНК в растительные клетки мешает их толстая оболочка, но ее можно разрушить ферментами и в культуру таких «голых» клеток – протопластов – добавить множество копий нужных генов, а чтобы они проникли в клеточное ядро и, может быть, встроились в хромосомы, – пропустить через раствор электрический ток. Можно обработать взвесь протопластов липосомами, в которых содержится отрезки ДНК – часть из них проникнет в ядра некоторых клеток.

А самый удобный способ доставки чужих генов в хромосомы растений подсказала сама природа.

От природы с любовью

К роду Agrobacterium относятся четыре вида почвенных микроорганизмов. Все они вызывают у растений корончатые галлы – опухоли, похожие на раковые. Именно поэтому их и изучали – с точки зрения борьбы с болезнями растений.

Корончатый галл может быть совсем маленьким,



но бывает и вот такой:



Оказалось, что агробактерии выработали уникальный механизм паразитирования, чем-то напоминающий вирусный. Как и у большинства других бактерий, часть их генома находится не в основной хромосоме, а в плазмидах – небольших, длиной в несколько сотен тысяч пар нуклеотидов, колечках ДНК. Ti-плазмиды (tumor-inducing, опухолеобразующие), найденные в Agrobacterium tumefaciens, оказались лучшим инструментом для генной инженерии.

В природе образование корончатого галла начинается с повреждения стебля растения у самой земли. Разрушенные клетки выделяют в почву промежуточные продукты обмена веществ – ацетосирингон и гидроацетосирингон. Под их действием в плазмидах оказавшихся поблизости агробактерий активируются гены vir (вирулентности, от лат. virulentus, ядовитый – степень болезнетворности микроорганизма). Белки этих семи различных генов обеспечивают отделение от Ti-плазмиды сегмента – Т-ДНК (от англ. transferred, переносимый). По бокам (на флангах) Т-ДНК находятся одинаковые фланкирующие последовательности из 25 пар нуклеотидов, которые обманывают ферменты растительной клетки, заставляя их принять Т-ДНК за родную и встроить ее в собственную хромосому.

После активации vir-генов в оболочке бактерии образуется разрыв, через который Т-ДНК переносится в растительную клетку. Примерно так же у бактерий происходит половой процесс, хотя на то, о чем вы подумали, это совсем не похоже. Микробы при этом просто обмениваются копиями плазмид – и никакой романтики!

Сайт инициации репликации обеспечивает удвоение плазмиды при делении клетки бактерии. В результате у дочерних клеток сохраняется «приданое» – собственно Ti-плазмиды.

Попав в хромосому, Т-ДНК за счет клеточных механизмов синтеза белков приступает к производству ферментов, которые обеспечивают синтез растительных гормонов: ауксина и цитокининов – нескольких веществ со сходной структурой.

И ауксин, и цитокинины можно купить в магазине для садоводов, развести одну каплю в ведре воды и полить садовые растения. От этого цветы (и овощи, если вам не жалко потратить на них дорогой препарат) растут быстрее. А когда гормоны действуют на клетки изнутри и больших концентрациях, вместо прибавки урожая получается местное разрастание тканей, на которое растение тратит изрядную часть своих ресурсов.

И, наконец, в работу включаются гены, ферменты которых обеспечивают синтез в зараженных клетках опинов – уникальных, встречающихся только в корончатых галлах соединений. Агробактерии могут использовать их как источник углеводов и азота. Каждый штамм агробактерий вызывает синтез только одного из опинов, а усваивает их за счет ферментов, которые тоже закодированы в Ti-плазмиде – в той ее части, которая осталась в бактериальной клетке. Некоторые другие почвенные бактерии тоже могут питаться опинами – скорее всего, эти халявщики позаимствовали нужный ген у соседей: у микробов обмен генами между разными видами – дело житейское.

Подробно пересказывать этапы синтеза гормонов и опинов я не буду – только намекну, что, например, ген iaaM кодирует фермент триптофан-2-монооксигеназу, которая катализирует превращение аминокислоты триптофана в индолил-3-ацетамид. А один из опинов, нопалин, образуется из аргинина и альфа-кетоглутаральдегида. Некоторые этапы синтеза всей этой биохимии происходят за счет собственных ферментов растительной клетки – паразитировать, так паразитировать.



Ti-плазмиды оказались прекрасным инструментом для переноса генов в хромосомы растений. Правда, этот инструмент пришлось «заточить» под нужды генных инженеров:

– убрать гены фитогормонов – иначе из клеток, живущих в культуре, вырастают комки опухоли, а не целые растения;
– удалить ген опина – им могут питаться только агробактерии, а растениям и людям опины не нужны;
– удалить всю лишнюю ДНК, которая является балластом даже для агробактерии, а тем более не нужна при клонировании ДНК (получении множества ее копий с помощью полимеразной цепной реакции) и только зря отнимает ресурсы у клетки при ее делении;
– добавить сайт инициации репликации, вырезанный из плазмиды еще одного любимого инструмента генетиков – кишечной палочки Escherichia coli. В ней наращивать плазмиды легко и просто, но чужой сигнал «копируй меня!» ее ферменты не понимают.

После этого осталось вставить в Т-ДНК нужные гены (один или, реже, несколько целевых и не менее двух маркерных, которые позволят отобрать сначала клетки кишечной палочки, а потом растительные клетки, в которых перенос генов прошел удачно – ген устойчивости к определенному антибиотику, кодирующий светящийся белок и т.п.). Модифицированную плазмиду вводят в клетки кишечной палочки, дают им размножиться и выделяют из культуры бактерий множество точных копий нужной плазмиды. Теперь можно заражать ими клетки растений.

Есть и более сложный способ модификации Ti-плазмиды, когда ее разрезают на два колечка, а потом снова сшивают их в одно, но перевод описания этого способа с русского молекулярно-генетического на русский популярный займет слишком много места. Прежде всего, никакие это не колечки, а коинтегративный вектор и неонкогенная Ti-плазмида-помощник, содержащие гомологичные последовательности, которые образуют сайт для гомологичной рекомбинации in vivo.

Но трудности только начинаются.

А кто обещал, что будет легко?

Еще один подарок генным инженерам от микробов – одни из первых белков, примененных для создания трансгенных растений, Cry-белки (они же – Bt-токсины) выделенные из спор почвенной бактерии Bacillus thuringiensis.

Часть работы за селекционеров растений сделали микробиологи: они установили, на какой из нескольких плазмид B. thuringiensis присутствует нужный ген, подобрали наиболее эффективные варианты строения молекулы белка и выяснили последовательность нуклеотидов в разных модификациях его гена.

Первые растения, модифицированные этим геном, были не очень токсичными для насекомых. Чтобы бактериальный ген как следует заработал в клетке растения, его пришлось модернизировать.

Во-первых, ген обрезали почти в два раза, так, что закодированный в нем белок стал состоять из 646 аминокислот вместо исходных 1156. Эффективность его от этого не изменилась: глотнув укороченного белка, насекомые откидывали лапки через те же 15 минут. А растение получило возможность тратить меньше сил на синтез белка, который ему не очень-то и нужен.

После этого «родной» бактериальный промотор в начале гена заменили даже не на растительный, а на еще более эффективный, полученный из вируса мозаики цветной капусты. Выработка токсина в клетках трансгенных растений увеличилась в 10 раз.

Еще одна проблема состояла в том, что растения и микроорганизмы говорят на разных диалектах одного и того же языка нуклеиновых кислот. Например, аминокислота лизин в ДНК бактерий в 75% случаев кодируется последовательностью AAA, а в 25% – AAG (аденин-аденин-гуанин), а в растениях – ровно наоборот. Программа синтеза матричной РНК, на которой потом синтезируется белок, на непривычном кодоне немного «подвисает» – примерно так же, как курортник задумывается, услышав на базаре слово «синенькие», и в уме переводит его в привычное «баклажаны». Чтобы растение не тратило время на раздумья, активную часть гена Cry синтезировали заново, заменив в нем примерно пятую часть нуклеотидов – так, чтобы те же аминокислоты кодировались самыми понятными для ферментов растений кодонами. Заодно ученые внесли в ген небольшие изменения, которые предотвратили скручивание молекулы матричной РНК в трехмерный клубок и прикрепление к ней типичного для м-РНК растений «хвоста» из сотен молекул аденина. В растениях с такой моделью гена количество токсина стало в 100 раз больше, чем у самых первых трансгенных растений, модифицированных геном дикого типа.

Для человека Bt-токсины совершенно безопасны – хоть ложкой ешь, а в кишечнике насекомых превращаются в смертельный для них яд, причем разные модификации этого белка, выделенные из разных штаммов бактерии, могут быть ядовитыми только для бабочек, или только для жуков, или только для двукрылых – комаров и мух. Зачем бактериям этот белок, остается загадкой: никакой пользы от того, что в их спорах образуются кристаллики Bt-токсина, микробы не получают. А люди уже более полувека пользуются инсектицидами, полученными из этих бактерий (из расчета несколько миллиардов спор на квадратный метр). И уже десять лет сажают кукурузу, хлопок, рапс, сою, картошку и десятки других растений, в хромосомы которых встроен один из генов семейства Cry.

При создании трансгенных растений приходится решать еще кучу проблем. Синтез любого белка проходит в несколько (а то и несколько десятков) этапов, для каждого из которых нужны свои ферменты. В целевом растении они могут отсутствовать, а вводить в хромосомы не один, а несколько генов – значит усложнять работу в геометрической прогрессии. Если в растение вставляют ген не из другого растения, а из микроба или животного (например, суперморозоустойчивые помидоры получили с помощью гена, кодирующего белок-антифриз из камбалы), приходится решать не только проблемы вроде описанных выше. Например, белок может вообще не превратиться в активную форму из-за различий в биохимии растительных, животных и микробных клеток. Но всё это – решаемые проблемы.

И это еще не всё

На восьмидесяти с лишним миллионах гектаров мирового трансгенного поля растения, устойчивые к насекомым за счет Bt-токсинов и других инсектицидных белков, занимают всего 8%. 70% – растения, способные разлагать молекулы различных гербицидов. На борьбу с сорняками при этом требуется вчетверо меньше ядовитой «химии», чем на обычных полях. Остальное – это растения, устойчивые к вирусам, грибкам, нематодам и другим вредителям, холоду, жаре, засухе и засолению или долго не портящиеся при хранении. Именно таким было первое из трансгенных растений, разрешенное к применению в США еще в 1994 г. – помидоры сорта FLAVR SAVR.
Разработаны и дожидаются разрешения на коммерческое использование сотни сортов десятков видов пищевых растений с измененными свойствами – с улучшенным составом жиров, повышенным содержанием белков и витаминов, сладкие без сахара и накапливающие меньше вредных для здоровья нитратов. На опытных делянках растут сотни пород деревьев, у которых заметная часть ненужного человеку лигнина заменена полезной целлюлозой – и растут они в два раза быстрее обычных. Трансгенные растения производят вакцины и лекарства, очищают почву от химического и радиоактивного загрязнения, синтезируют биодеградируемые полимеры для производства упаковки и белок паутины, из которого можно делать колготки и бронежилеты повышенной прочности. Скоро все это и многое другое выйдет из лабораторий на поля.

О растениях-саперах, картошке, которая светится, когда ее пора поливать, золотом рисе, голубых розах и джинсовом хлопке читайте в следующей статье.

Александр Чубенко, интернет-журнал «Коммерческая биотехнология» http://www.cbio.ru
Журнальный вариант статьи опубликован в «Популярной механике», № 10-2005