Любимый инструмент генных инженеров: волшебная палочка

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. Межвидовые гибриды в природных условиях образуются постоянно, время от времени они дают начало новым видам. Эти же 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. А люди, в отличие от природы, не могут 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. Главный недостаток традиционных способов селекции — то, что с их помощью практически невозможно получить растения с принципиально новыми свойствами. А с помощью генной инженерии — можно.

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.

Ввести в хромосомы клеток растений гены, кодирующие нужный белок, 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 заменяют целевыми и вспомогательными генами. Это намного сложнее, чем обстрел из генной пушки, но 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 «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 содержатся отрезки ДНК — часть из них проникнет в ядра некоторых клеток. А наиболее удобный способ доставки чужих генов в хромосомы растений подсказала сама природа.

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.

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). 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. Правда, при этом микробы просто обмениваются копиями плазмид — и никакой романтики!

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 в 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. 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.

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, лишь зря отнимая ресурсы у клетки при 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 несколько целевых и не менее двух маркерных, которые позволят отобрать сначала клетки кишечной палочки, а потом растительные, 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 точные копии 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 молекулярно-генетического языка на 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 на этом трудности только начинаются.

Еще один подарок генным инженерам от микробов — Cry-белки (они же — Bt-токсины), выделенные из спор почвенной бактерии Bacillus thuringiensis. Часть работы за селекционеров сделали микробиологи: 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 малотоксичными для насекомых. Чтобы бактериальный ген как следует заработал в клетке растения, его пришлось модернизировать. Во-первых, ген обрезали почти вдвое — так, что закодированный в нем белок стал состоять из 646 аминокислот вместо 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 не очень нужного ему белка. После этого «родной» бактериальный промотор в начале гена заменили на 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 — чтобы те же аминокислоты кодировались понятными для ферментов растений кодонами. Заодно ученые внесли в ген изменения, предотвратившие скручивание молекулы матричной РНК в трехмерный клубок и прикрепление к ней типичного для м-РНК растений «хвоста» из молекул аденина. В растениях с такой моделью гена количество токсина стало в 100 раз больше, чем у первых трансгенных растений, модифицированных геном дикого типа.

При создании трансгенных растений приходится решать еще кучу проблем. Синтез любого белка проходит в несколько этапов, для каждого из них 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 все эти проблемы решаемы.

Лишь 8% трансгенных растений устойчивы к насекомым за счет Bt-токсинов и других инсектицидных белков. 70% способны 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 или долго не портящиеся при хранении. Именно таким было первое из трансгенных растений, разрешенное к применению в США еще в 1994 году, — помидоры сорта FLAVR SAVR.

Разрешения на коммерческое использование дожидаются 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 часть ненужного человеку лигнина заменена полезной целлюлозой — и растут они вдвое 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.