Зачем расшифровывать гены яблок и сладкой кукурузы
(Нет, не только чтобы побыстрее вас накормить)
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.
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: каждый раз расшифровывали разные фрагменты генома. 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.
Мембраны с нанопорами
Метод не требует расщепления ДНК и отдельного анализа нуклеотидов, а сама последовательность определяется всего по одной молекуле. Поэтому постепенно этот способ замещает прошлые.
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
Предлагаем испытать удачу и принять участие в викторине. Пишите свои ответы в комментариях к статье, позже мы опубликуем ответы.
Викторина 1
Викторина 1: угадайте, это геном какого растения?
Апельсин
Банан
Яблоко
Ананас
Викторина 2
Викторина 2: что за овощ?
Картофель
Помидор
Лук
Сельдерей
Викторина 3
Викторина 3: чьё зёрнышко?
Рожь
Кукуруза
Ячмень
Пшеница
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.
