Сумма биотехнологии. Руководство по борьбе с мифами о генетической модификации растений, животных и людей

Панчин Александр

Современные попытки использовать растения для промышленного создания биотоплива имели определенные нежелательные эффекты, такие как рост цен на продовольствие. Проиллюстрировать эту проблему нам поможет отрывок из романа Томаса Майн Рида «Квартеронка». Еще сто пятьдесят лет назад автор предвидел не только появление биотоплива, но и последствия попыток его массового применения.

«К сожалению, должен сказать, что теперь уж нет надежды обогнать „Магнолию“. Мы с ней в неравном положении. Она бросает в топки копченые окорока, которые заготовила на этот случай, а я после того, как обещал вам не участвовать в гонках, не погрузил ни одного. Бессмысленно начинать гонку только на дровах…» — так описывал гонку двух пароходов Майн Рид. Положение отстающего парохода спасла пассажирка, которая везла груз окороков. «Окорока были куплены для моих людей на плантации, но они им пока не нужны», — заявила дама. Реальность такова, что переход на выращивание технических культур для выработки

биотоплива приводит к увеличению цен на продовольствие. Сцена с гонкой пароходов примечательна и своей концовкой: «Раздался треск, во все стороны посыпались доски, люди с пронзительными криками взлетели вверх, дым и пар застлали все кругом, и ужасный вопль сотен голосов раздался во мраке ночи». Взорвался паровой котел.

Надежда на то, что производство биотоплива можно сделать эффективным и выгодным, возродилась вместе с созданием ГМ бактерий, обладающих искусственными метаболическими путями [331] . Продукты жизнедеятельности таких бактерий можно использовать для создания биотоплива разного качества, в том числе пригодного для запуска ракет [332] . Но и здесь возникает проблема налаживания эффективного промышленного производства.

Проблема при использовании многих существующих микроорганизмов заключается в недостаточной эффективности их метаболизма. У них слишком много лишних генов и слишком большие геномы, на воспроизводство которых уходит много энергии. Для того чтобы сделать по-настоящему эффективного производителя, было бы полезно создать «минимальный» организм, содержащий лишь самые важные гены. Впоследствии его можно было бы вооружать генами нужных метаболических путей в зависимости от того, что мы хотим производить.

331

Howard T.P. et al.: Synthesis of customized petroleum-replica fuel molecules by targeted modification of free fatty acid pools in Escherichia coli. Proc Natl Acad Sci USA 2013, 110(19):7636–41.

332

Sarria S. et al.: Microbial synthesis of pinene. ACS Synth Biol 2014, 3(7):466–75.

Для таких целей команда ученых из Венгерской академии наук разработала упрощенную кишечную палочку, из генома которой удалены многие ненужные фрагменты ДНК. В одной из первых работ они смогли сократить количество генов на 9,3 %, уменьшить размер генома на 8,1 %, в том числе убрав из него 24 из 44 мобильных элементов (транспозонов) [333] . Устранение последних особенно полезно при создании стабильных штаммов бактерий-производителей, так как транспозоны могут, перескакивая из одного участка генома в другой, создавать лишние мутации, нарушая работу встроенных в бактерию генов. Позже ученым удалось избавиться и от многих других элементов генома кишечной палочки, уменьшив его размер аж на 15 % [334] . Полученные бактерии имели целый ряд преимуществ с точки зрения их последующего направленного генетического улучшения — например, в них было легче переносить новый генетический материал.

333

Kolisnychenko V. et al.: Engineering a reduced Escherichia coli genome. Genome Res 2002, 12(4):640–7.

334

Posfai G. et al.: Emergent properties of reduced-genome Escherichia coli. Science 2006, 312(5776):1044–6.

Еще одна ключевая публикация в области создания новых форм жизни вышла в 2014 году в журнале Nature. Ученые из Исследовательского института Скриппса показали, что можно менять не только нуклеотиды в геноме, но даже «алфавит» молекулы ДНК. В своей работе под названием «Полусинтетический организм с расширенным генетическим алфавитом» [335] исследователи добавили к двум комплементарным парам нуклеотидов еще одну: в новой двойной спирали, которую получили ученые, нуклеотиды с названием dySICS стоят напротив нуклеотидов dNaM.

335

Malyshev D.A. et al.: A semi-synthetic organism with an expanded genetic alphabet. Nature 2014, 509(7500):385–8.

Кишечная палочка, в которую ввели такую необычную ДНК, не умеет синтезировать эти новые типы нуклеотидов, но если ее «подкармливать» ими, добавляя в питательную среду, бактерия успешно использует их при репликации ДНК. При этом нуклеотиды dySICS и dNaM внедряются ДНК-полимеразой друг напротив друга, как

если бы это была обычная комплементарная пара нуклеотидов. Такая новая ДНК может передаваться от родительских клеток потомкам, но на сегодняшний день она абсолютно «бесполезна». С нее не считывается какая-то особая РНК, она не кодирует никаких белков, но в будущем ей вполне может найтись применение. Во-первых, не исключено, что эта технология поможет создавать генетически модифицированные организмы, чьи гены будут сохраняться, только если подкармливать их «особыми» нуклеотидами. Такие гены заведомо не «убегут» в окружающую среду, не окажутся перемещены в результате горизонтального переноса и так далее.

Кроме того, имея 6 разных нуклеотидов, мы можем теоретически иметь для кодирования аминокислот не 64 кодона, а 216. Тут сразу возникает вопрос: если даже число имеющихся кодонов избыточно и ими кодируется всего 20 аминокислот, то зачем нам еще больше? Но допустим, что мы хотим создать в клетке белок, в состав которого входит какая-то нестандартная аминокислота. Использовать какой-то из уже имеющихся кодонов для кодирования этой аминокислоты нежелательно, ведь в геномах живых организмов встречаются все кодоны. Чтобы не испортить кучу белков, нам придется сначала какой-то кодон «освободить», заменив в геноме большинство таких кодонов на другие кодоны, отвечающие за ту же самую аминокислоту. А это технически достаточно сложная задача! Даже если мы будем синтезировать молекулы ДНК «с нуля», как это делал Вентер. Альтернативно можно использовать один из стоп-кодонов, но стоп-кодонов всего три, и они тоже нужны. Зато с новой нуклеотидной парой мы сразу получим уникальный кодон, которому можно приписать любую аминокислоту. При этом мы не затронем работу других генов и последовательности белков, которые они кодируют.

Что значит «приписать» кодону новую аминокислоту? Ранее мы разбирали, что важную роль в работе генетического аппарата клетки играют транспортные РНК (тРНК), которые, с одной стороны, несут аминокислоту, а с другой — имеют три нуклеотида, комплементарные кодону молекулы РНК. Такие тРНК по очереди связываются с рибосомой в процессе синтеза белка и привносят соответствующие кодонам молекулы РНК аминокислоты.

Какую аминокислоту несет та или иная тРНК — это, в свою очередь, определяется специальными ферментами, которые называются аминоацил-тРНК-синтетазами. Организму нужно как минимум 20 разных аминоацил-тРНК-синтетаз — по одной на каждую аминокислоту, кодируемую в рамках стандартного генетического кода. Каждая аминоацил-тРНК-синтетаза присоединяет одну-единственную аминокислоту к соответствующим тРНК.

Если мы хотим изменить генетический код клетки и приписать какому-то кодону новую аминокислоту, нам нужно внести в геном этой клетки новую пару тРНК и аминоацил-тРНК-синтетазы. Новой тРНК необходимо узнавать нужный нам кодон (но не другие кодоны). Кроме того, эту тРНК не должны распознавать уже имеющиеся в клетке аминоацил-тРНК-синтетазы. В свою очередь, новой аминоацил-тРНК-синтетазе нужно узнавать привнесенную тРНК, но не другие тРНК клетки. Наконец, нам необходимо как-то накормить клетку новой нестандартной аминокислотой, а для этого аминокислота должна проникать внутрь клетки. Но даже с этой нелегкой задачей ученые справились.

Создать кишечную палочку с измененным генетическим кодом удалось в 2001 году в лаборатории Питера Шульца все в том же Институте Скриппса. Ученые приписали одному из трех стоп-кодонов нестандартную аминокислоту L-метокситирозин [78] . Вы могли уже заметить, что для решения своих задач генные инженеры почти всегда обращаются за поиском готовых решений к природе. В данном случае пару тРНК и аминоацил-тРНК-синтетазы ученые позаимствовали из другого вида бактерий, немного изменили их с помощью генной инженерии и подвергли искусственному отбору, чтобы добиться хорошего и специфичного присоединения новой аминокислоты. Ученым удалось показать, что новая аминоацил-тРНК-синтетаза избирательно присоединяет именно L-метокситирозин в том месте, где у обычной бактерии срабатывал бы тот самый замененный стоп-кодон, и вставить новую аминокислоту в несколько важных белков.

78

Wang L. et al.: Expanding the genetic code of Escherichia coli. Science 2001, 292(5516):498–500.

Кто-то подумает, что это все лишь красивые игры ученых, не имеющие прямого отношения к нашей повседневной жизни, — и будет не прав. Уже сейчас мы умеем переносить готовые гены из генома одного организма в геном другого, создавать любые последовательности ДНК, менять саму ДНК и даже самые фундаментальные основы жизни — генетический код. Эти технологии в конечном итоге позволят исправить многие несовершенства окружающего нас мира: побороть голод, избавиться от наследственных заболеваний, от которых страдают взрослые и дети, продлить людям жизнь. «Играем ли мы в Бога?» — спросите вы. Не думаю, что мы конкурируем с ним в этих задачах. Во всяком случае, я не вижу, чтобы Бог решал за нас перечисленные проблемы. Вот мы и вынуждены справляться сами.