Цивилизация
Примерно шесть тысяч лет назад наши предки осознали, что выращивать растения гораздо проще, нежели собирать плоды по лесам и степям: первые свидетельства возделывания зерновых злаков египтянами и риса азиатами датируются 4 тысячелетием до н. э. Самой же древней культурой можно считать сладкую кукурузу (маис) Zea mays, окультуренную в Центральной Америке более 9 тысяч лет назад.
За это время размер зерен и початков для большинства культурных видов вырос многократно даже без помощи законов Менделя. Что уж говорить о второй половине двадцатого века, подарившей нам теории рекомбинации и мутагенеза, позволившие направленно изменять геном организмов.
Достижение последнего десятилетия – трансгенные растения с заданными свойствами, будь то устойчивость к гербициду, невосприимчивость к засухе или повышенное содержание белка в зернах.
Проблема в том, что методы создания трансгенных растений пока ещё напоминают методы спонтанного мутагенеза, при котором сначала семена облучали в надежде на случайное возникновение полезной мутации, а потом проращивали и выбирали наиболее перспективные сорта.
Безусловно, современные биотехнологи обладают куда большим арсеналом – это и вирусные РНК и ДНК векторы, и плазмиды, и участки ДНК с «липкими» концами. Основных проблем две: во-первых, изменения необходимо закрепить в поколениях, то есть желательно, чтобы они произошли в геноме клетки. Во-вторых, частота той же рекомбинации настолько мала, что успех не превышает сотых долей процента.
На этой неделе сразу две исследовательские группы отметились в Nature публикациями, посвященными решению этой проблемы. Обе предложили использовать так называемые
«нуклеазы с цинковыми пальцами» — ферменты, связывающиеся с конкретными участками ДНК и вырезающие фрагмент, на место которого и вставляется интересующий нас ген.
Ключевое отличие этих полностью искусственных нуклеаз от природных в том, что в их составе есть две последовательности аминокислот, способные адресно и точно связываться с конкретными участками ДНК. За счет того, что ученые вольны сами синтезировать эти цепочки, они могут выбирать и участок разреза в геноме, куда потом и будет встраиваться отдельно вводимый ген. В результате вероятность рекомбинации значительно возрастает (до 50%).
Эту технологию уже удалось применить для клеток животных, что дало надежду для борьбы с врожденными заболеваниями. Даниэль Войтас из Университета Миннесоты и его коллеги применили тот же подход для маиса, составляющего основу кормового, да и немалую долю пищевого сельского хозяйства.
Им удалось превысить частоту в 2%, причем вставляемый ген располагался в предварительно заданном месте.
Фёдор Урнов из калифорнийской компании Sargano Biosciences и его коллеги пошли дальше: внедренный ими ген обеспечил царице полей устойчивость к гербицидам. Но встраивали они его не на пустой участок: «цинковые пальцы» были подобраны таким образом, что делали разрезы по краям гена IPK1, необходимого для синтеза фитата. Поскольку фитат не лучшим образом сказывается на пищеварении, то авторы статьи и решили убить сразу двух зайцев: вырезать один ген и создать тем самым площадку для другого.
Более того – поскольку IPK1 постоянно считывается в клетках обычного маиса, то вероятность, что любой встроенный на его место ген будет работать, гораздо выше, нежели при попытках вклиниться в малоизученный участок.
Тесты на перевариваемость, равно как и на безопасность полученных продуктов, ученые проводить не стали. Но даже если предположить, что вносимые генетические конструкции могут оказывать влияние на геном конечного потребителя, то новый метод гораздо безопасней всех предыдущих. Активная составляющая – «цинкопальцевые нуклеазы», вводимые в зародыш, не синтезируются в организме ни растений, ни животных, а потому и не могут никак вмешаться в работу генома на уровне целого организма.