Если вдуматься, растения — это самовоспроизводящиеся биологические фабрики, работающие на солнечной энергии. Они получают энергию от солнца, извлекают сырье из воздуха и почвы и производят всевозможные полезные молекулы. В основном мы используем их для производства съедобных молекул (продуктов питания), а также для производства текстиля, топлива и лекарств. Их использование для производства биотоплива по-прежнему вызывает споры из-за стоимости и масштабирования производства. Можем ли мы выделить достаточно земли для выращивания достаточного количества сырья для производства биотоплива, чтобы изменить ситуацию к лучшему? В остальном растения являются незаменимым методом производства.
Это может стать еще более актуальным по мере развития наших биоинженерных технологий. Недавнее исследование демонстрирует, насколько мощной становится эта технология – Настраиваемый контроль биосинтеза феромонов насекомых у Nicotiana benthamiana. Конкретное применение в данном случае — производство феромонов — на самом деле не является реальной историей. Это всего лишь одно из возможных применений. Но давайте рассмотрим, что сделали исследователи.
Целью исследования была биоинженерия одного из видов табачных растений для получения феромонов самок моли. Растения табака часто используются в этих исследованиях, потому что это “модельный” организм, о котором мы знаем очень много, включая полный геном многих сортов. (Есть и много других причин – короткий цикл роста (3 месяца), благоприятен для культивирования тканей, дает много семян при скрещивании и т.д.) Интерес к феромонам моли связан с их потенциальным использованием для борьбы с вредителями. Идея состоит в том, чтобы воспроизвести феромоны, которые выделяют самки мотылька определенного вида для привлечения самцов. Это привлечет всех местных самцов и отвлечет их от самок, что значительно сократит размножение и популяцию вредителей. Потенциально это может быть одной из форм борьбы с вредителями, которая не предполагает применения пестицидов к самим растениям.
Производство феромонов с помощью обычных химических процессов может быть сложной задачей. Молекулы феромонов сложны, и часто они высвобождаются в виде комбинации молекул в определенных соотношениях, уникальных для каждого вида. Биоинженерия такого растения, как табак, для массового производства феромонов в нужных соотношениях могла бы сделать их использование в сельском хозяйстве более вероятным и экономически эффективным. Сельскохозяйственная отрасль огромна, ее рентабельность невелика, и поэтому любое, даже незначительное снижение затрат, оказывает значительное влияние.
Исследователи продемонстрировали, что они могут ввести трансгены феромонов моли в этот сорт табака, и растения начнут производить желаемые феромоны. Но это уже старые новости. Несколько новее то, что они смогли продемонстрировать высокий уровень настраиваемого контроля экспрессии этих генов. В биоинженерии недостаточно просто ввести чужеродный ген, чтобы начать производство соответствующего белка. Вам также необходимо ввести регуляторные компоненты – фрагменты ДНК, которые включают и выключают ген. Контроль экспрессии генов имеет решающее значение по нескольким причинам.
Во-первых, исследователи хотели иметь возможность внедрить несколько генов феромонов в одно и то же растение и контролировать количество каждого феромона, вырабатываемого растением. Это необходимо для получения правильного соотношения для целевых видов моли. Это требует высокого уровня понимания того, как работает регуляторная ДНК и как ее точно контролировать.
Во-вторых, им нужно было скорректировать общее количество вырабатываемых феромонов по сравнению со всеми другими генами растения. Они обнаружили, что когда они слишком сильно увеличивали экспрессию гена феромона, это замедляло рост растения, потому что оно не вырабатывало достаточного количества белков, необходимых для роста и процветания. Слишком много энергии и механизмов уходило на производство феромонов. Это привело к сокращению производства феромонов на фабрике. Поэтому они должны были найти «золотую середину» – максимальное количество феромонов, которое растения могли бы производить без замедления роста, чтобы увеличить чистый объем производства. Это также требует способности точно контролировать экспрессию генов.
Это также то, что они обнаружили:
Мы демонстрируем, что медь может быть использована в качестве недорогой молекулы для жестко регулируемой индуцируемой экспрессии. Далее мы покажем, как архитектура конструкции влияет на относительную экспрессию генов и, следовательно, на выход продуктов в мультигенных конструкциях. Мы сравниваем ряд синтетических ортогональных регуляторных элементов и демонстрируем максимальную эффективность конструкций, экспрессия которых опосредована синтетическими активаторами транскрипции на основе dCas9.
Здесь следует отметить две вещи. Во-первых, они смогли использовать медь (которая уже используется в качестве пестицида и безопасна и экономически выгодна для использования в сельском хозяйстве) в качестве внешнего триггера экспрессии генов – так называемой индуцируемой экспрессии. Таким образом, они не только контролируют экспрессию посредством самих генетических изменений, но и способны индуцировать экспрессию извне и контролировать сроки производства. Во-вторых, они обнаружили, что архитектура взаимодействия нескольких генов влияет на их экспрессию.
В результате применения этих механизмов контроля они смогли максимально увеличить количество феромонов. Это перспективное применение, но его необходимо протестировать в полевых условиях. Им необходимо на самом деле производить и очищать феромоны и применять их в полевых условиях для проверки их эффективности.
Но более важным, чем одно это применение, является технология, лежащая в основе. Хотя это и постепенный процесс, это свидетельствует о значительном прогрессе в нашей способности понимать и контролировать экспрессию генов сложных молекул в растениях. Это может расширить возможности биоинженерии, которые у нас уже есть для создания таких продуктов, как инсулин. Мы можем создавать бактерии или дрожжи, выращивать их в больших емкостях и получать из них лекарства, которые иначе трудно синтезировать или которые приходится получать от животных. Мы также можем делать это на растениях, но добавление настраиваемого контроля увеличивает мощность и полезность этой технологии.
Я не думаю, что какая-то одна из форм этой технологии по своей сути является превосходной. Каждая из них будет использоваться для тех целей, для которых она лучше всего подходит. Однако хорошо иметь больше возможностей. Растения могут производить определенные виды молекул лучше, чем дрожжи или бактерии.
Представьте, что огромные табачные фермы в мире были бы перепрофилированы (по крайней мере, частично) с производства вредного продукта, который убивает людей, на производство лекарств и продуктов, полезных для сельского хозяйства. Это не так уж и неправдоподобно. Значение имеет ценность этих растений как товарной культуры. Если растения табака, выделяющие феромоны, будут более ценными на рынке, чем табак, используемый для производства табачных изделий, у фермеров появится стимул перейти на них. Возможно, нам нужно найти биоинженерное коммерческое применение растениям коки.
