Мне мало бактерий, давайте конструировать растения!

Человек всегда пытался улучшить природу. Он хотел получить растения с самыми красными помидорами и самой сочной клубникой. Сначала он это делал неосознанно — например, отбирал для посева наиболее крупные семена пшеницы. Затем уже сознательно — скрещивал растения одного вида, затем отбирал экземпляры, которые обладали полезными качествами, и скрещивал уже их. Это селекция. А что если комбинировать гены на молекулярном уровне? Не надеяться на слепой случай, а целенаправленно выращивать растения с уже заданными свойствами?

Запрограммируйте мне розу с голубыми лепестками, пожалуйста!

И еще фиолетовую картошку — хочу необычным пюре мужа удивить.

Казалось бы, в чем проблема, давайте по аналогии с трансгенными бактериями получим трансгенные растения. Но не все так просто. Одно дело, одноклеточная микроскопическая бактерия, у которой даже ядра нет. Совсем другое — сложно устроенное многоклеточное растение. Как же нам ввести новый ген в каждую его клетку? Ведь дополнительные трудности создает наличие плотной клеточной оболочки. Но тут генетикам повезло. Растения в этом плане имеют одно важное преимущество перед животными — им свойственна тотипотентность (от лат. totus — весь, целый; и potentia — сила). Это страшное слово означает способность отдельных клеток к развитию в целое растение [5]. То есть можно встроить ген другого организма только в одну клетку, а затем вырастить из нее целое растение.

Перед учеными встала новая задача — найти подходящее «такси» (вектор) для доставки нужного гена в растительную клетку. И тут на помощь дерзким демиургам пришла сама природа. Наверняка вы видели галлы, образующиеся на деревьях, — выросты своеобразной формы на листьях, стеблях, почках. Вызвать эти образования могут вирусы, бактерии, грибы, клещи. Но биотехнологов интересовали именно корончатые галлы (рис. 2а и 2б), которые впервые описали еще древние греки. Это настоящие злокачественные опухоли, которые образуются на стеблях или листьях многих двудольных растений. Клетки корончатых галлов приобретают способность неограниченно размножаться, оставаясь недифференцированными [6].

 

 

Только в ХХ веке выяснили, что причина образования корончатых галлов — инфицирование растений почвенной бактерией Rhizobium radiobacter (ранее известной под именем Agrobacterium tumefaciens). Как и другие бактерии она содержит плазмиды. Одна из них — Ti-плазмида (от англ. tumor inducing — опухолеиндуцирующая). В Тi-плазмиде есть Т-ДНК — участок, который переносится в клетку зараженного растения и встраивается в ее хромосому за счет гомологичной рекомбинации. Причем гены Т-ДНК в самой бактерии не работают, они могут «читаться» только в клетках эукариот. Слева и справа от Т-ДНК располагаются одинаковые последовательности ДНК, которые называют «фланкирующими» (англ. flank — бок, сторона, фланг) — это несовершенные прямые повторы по 24–25 пар нуклеотидов. Они очень важны, так как любая последовательность ДНК, находящаяся между ними, может быть внедрена в ДНК растений как часть Т-ДНК. Остальные части этой плазмиды отвечают за ее переход из клетки в клетку бактерий и встраивание Т-ДНК в хромосому растительной клетки [6], [8].

Ученым осталось только воспользоваться этим механизмом. Ti-плазмида оказалась идеальным природным вектором для введения чужеродных генов в клетки растения. В 1978 году Дж. Шелл показал, что Тi-плазмиду можно использовать как переносчик любых генов, надо только вставить их в область Т-ДНК на место онкогенных участков]. В растительную клетку переносится Т-ДНК, ограниченная фланкирующими последовательностями нуклеотидов (рис. 3). Если вставить между ними, например, один из генов скорпиона — этот ген встроится в хромосому растительной клетки. Только надо не забыть вырезать из Тi-плазмиды онкогены. Мы же не хотим, чтобы в другие организмы с нашей помощью попали гены, вызывающие рак? Наоборот, нам надо, чтобы ДНК, кодирующая новый признак, передавалась потомкам.

Рисунок 3. Трансформация растений с помощью Rhizobium radiobacter (Agrobacterium tumefaciens).