Учёные нарезают ДНК яблок на миллионы фрагментов, перед тем, как вы их съедите
Яблоки, конечно — не учёных. Но зачем?
Генетическая расшифровка показывает, в какой последовательности расположены нуклеотиды — «кирпичики» в составе ДНК. Расшифровки не только расширили наше понимание мира, но и оказались полезны на практике — в том числе в сельском хозяйстве.
Рассказываем, как появилась эта технология и чего добилась селекция растений благодаря ей.
Как всё началось
Первые селекционные эксперименты поставили наши предки. Они подмечали, какие плоды были более сладкие или крупные, а затем выбирали семечки именно из них и сажали, чтобы новый урожай был лучше предыдущего. Затем долгое время растения пытались скрещивать «вручную»: например, подсаживая черенок одного вида к другому. Кардинально селекция изменилась, когда в 1953 году биофизик и рентгенограф Розалинд Франклин и молекулярные биологи Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик открыли структуру ДНК.
Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик с моделью двойной спирали ДНК
Учёные выяснили, что в ДНК содержится подробная генетическая информация об организме — это стало прорывным открытием. Но ДНК мало прочитать: чтобы код стал полезен генетикам, последовательность нуклеотидов ещё нужно расшифровать. Делать это научились лишь спустя 20 лет.
В 1977 году биохимик Фредерик Сенгер придумал расщеплять различными химическими веществами микроорганизмы в пробирках, затем он разделял содержимое и фотографировал получившиеся фрагменты. Учёный вводил в пробирку четыре стандартных и четыре модифицированных нуклеотида: он изменял их так, чтобы разбить связь между нуклеотидами. Содержимое пробирок он разделял электрофорезом в специальном полиакриламидном геле. Затем Сенгер фотографировал результат — и по снимку изучал последовательность нуклеотидов.
Свой первый эксперимент Сенгер провёл на расшифровке полного генома бактериофага φX174 — одноклеточного ДНК-вируса из 5 тысяч спаренных оснований. Он выбрал его неслучайно: это один из простейших организмов, так что его получилось расшифровать даже с технологиями 1970-х. Но это было только начало. Успешно протестировав метод на бактериофаге, учёные переключились на более сложные организмы.
Геном бактериофага φX174 — первый расшифрованный геном в истории науки
Позже метод Сенгера позволил расшифровать человеческую митохондриальную ДНК из 16 тысяч спаренных оснований. Это молекула, которая находится в «энергетических станциях» клеток и составляет 5% всего человеческого ДНК. В 1980 году за своё открытие Фредерик Сенгер получил Нобелевскую премию по химии.
Следующим значимым шагом стала расшифровка в 1996 году организма с клеточными ядрами — эукариота. Расшифровать смогли геном пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisiae — он состоял уже из 12 млн спаренных оснований. Расшифровка эукариотов позволила продвинуться в изучении растений и животных. Позже учёные расшифровали геномы овощей, фруктов и даже человека — он состоит из 3 млрд спаренных оснований.
Метод был трудоёмкий и неточный: образцы слипались, проанализировать их было сложно. С тех пор процесс сумели автоматизировать:
- Молекулу ДНК разрезают специальными молекулярными ножницами по технологии CRISPR/Cas9: она представляет собой комбинацию специальных белков и молекул РНК, которые распознают и «разрезают» ДНК.
- Частицы помещают в копировальное устройство, которое делает дубликат каждого сегмента. Из них составляют библиотеку ДНК.
- Библиотеку загружают в компьютер-расшифровщик. Он анализирует миллионы полученных фрагментов, а затем собирает их в разных вариациях, учитывая правила совместимости нуклеотидов (в ДНК их четыре типа, и они могут соединяться друг с другом только определёнными парами).
- Готовые вариации снова комбинируются — получается конечная последовательность.
Скорость такой расшифровки не слишком высока. И только в 2021 году учёные из Стэнфорда установили на тот момент мировой рекорд, расшифровав большую часть человеческого генома за 5 часов и 2 минуты.
В проекте «Геном человека» расшифровывали данные разных людей, поэтому готовая расшифровка — общая мозаика, не представляющая ни одного индивидуума. Польза проекта в том, что подавляющая часть человеческого генома одинакова у всех людей. Объём расшифрованного генома человека за 20 лет: жёлтым выделены 50% расшифровки, голубым — 90%, розовым — 99%, а чёрным — полностью расшифрованные сегменты.
Прогресс — заслуга нанопоровой расшифровки, открытой в 2021 году.
Образец помещают в специальное устройство с мельчайшими порами, и, пока фрагменты ДНК проскальзывают сквозь них, компьютер считывает их код. Таким образом прочитывается каждый нуклеотид.
Метод не требует расщепления ДНК и отдельного анализа нуклеотидов, а сама последовательность определяется всего по одной молекуле. Поэтому постепенно этот способ замещает прошлые.
Специалисты Стэнфордского университета за расшифровкой генома
При чём тут кукуруза
Детальки пазла из расшифрованных генов можно сочетать в необходимой последовательности, таким образом создавая новые — модифицированные — варианты растений. Специалисты могут вносить точечные изменения в геном растения — скажем, усиливать признаки, отвечающие за устойчивость к холоду и вредителям. Именно так уже улучшили кукурузу, сделав крупнее, слаще, сочнее и удобнее для чистки.
До изобретения генетической модификации растений селекция одного растения могла занимать сотни лет. Хороший пример — кукуруза.
Расшифровка геномов необходима и для профилактики заболеваний. Генетики также расшифровывают разные патогены. На их основе создали препараты для обработки растений: чтобы зёрна, овощи или фрукты при перевозке не портились от попадания на них вирусов и бактерий.
Но определение последовательности нуклеотидов — лишь первый шаг к модификации. После генетиков свою работу выполняют селекционеры: изучают расшифровку и экспериментируют с разными изменениями — не все попытки могут увенчаться успехом. Экспериментальные сорта всегда тестируют на земле, и пока новый сорт не начнёт отвечать заявленной цели, могут пройти годы.
Как менялись помидоры: слева — дикие томаты, в центре — одомашненный вариант, справа — более крупный генетически модифицированный сорт
Что уже улучшили селекционеры
В 2010 году итальянские учёные «расшифровали» яблоко и выяснили, что один из 57 тысяч его генов — MdMYB1 — делает плоды красными (он же заставляет краснеть и апельсины). В 2020 году появился новый сорт яблок — Люси: красный не только снаружи, но и внутри. Люси совмещает в себе всё то, что мы любим в яблоках: хрустящую оболочку и сочную сладость без кислинки.
Два вида Люси — бордовый и с оттенками белого
Полностью геном картофеля расшифровали лишь в прошлом году. С тех пор учёные пытаются создать новые сорта, способные выносить жару. Из примечательных можно выделить сорт Банан — это маленькие длинные клубни, которые можно есть вместе с кожурой.
Картофель сорта Банан не годится для создания картофельного пюре или картошки фри
В 2018 году группа учёных выяснила, что геном пшеницы в три раза длиннее человеческого, да и устроен сложнее. В этом году при расшифровке в нём обнаружили ген Zip4.5B, отвечающий за температурную устойчивость. И пока специалисты пытаются внедрить его в геном других злаковых, в африканских странах уже выращивают Джабаль — комбинацию дикой и генномодифицированной пшеницы.
Сорт Джабаль растёт, например, в Марокко
Расшифровка геномов и последующая модификация растений способны создать сорта, менее требовательные к объёму воды и почв, но при этом даже более урожайные. Они пригодятся фермерам, если температура на Земле продолжит расти такими же темпами, как сейчас.
Есть и другой возможный тренд — выращивание искусственного мяса в пробирке. Если специалисты сделают его дешевле, то человечество не только сможет перестать выращивать скот в качестве еды, но и получит свободное пространство, которое сейчас занимают животноводческие фермы.
Генетические расшифровки полезны и в селекции животных. Причём, чтобы применить технологию на практике, не обязательно быть учёным. На платформе Своё Фермерство агробизнесмены могут заказать расшифровку генома животного вместе с оценкой по специальной генетической базе. Так можно узнать потенциал любого животного из стада или всего поголовья: например, сколько молока и какой жирности оно будет давать. Такая информация поможет составить бизнес-стратегию.
А чтобы не пропустить новости и о других технологиях, которые могут быть полезны в агробизнесе, подписывайтесь на портал РСХБ в цифре и телеграм-канал.
Реклама, АО «Россельхозбанк»