Химия и жизнь 2014 №7
.pdf
В течение 2013 года технологии CRISPR были опробованы почти на всех модельных видах, используемых в экспериментах. На бактериях комплексы Cas9-sgРНК проявили себя как высокоизбирательный «умный антибиотик» — с их помощью из смешанной культуры бактерий удаляли отдельные виды и штаммы; «скальпель» рассекал специфичные для них последовательности, не трогая остальных. Они показали себя простым и мощным инструментом генной инженерии в опытах с дрожжами, плодовыми мушками, рыбками данио. Появились на свет мыши, обезьяны, свиньи с прицельно выполненными мутациями. Инъекции матричной РНК Cas9 и sgРНК в клетки зародыша позволяют быстро, всего за одну стадию, получить свиней с модифицированным геномом и таким образом создавать модели для изучения генетических заболеваний человека и животных и тестировать на них новые методики лечения. Этот же метод можно применять и для улучшения пород сельскохозяйственных животных и сортов растений.
Программируемые РНК-гидом нуклеазы были использованы для целенаправленного редактирования генома в клетках человека («Nature Biotechnology», 2013, 31, 230—232). Понятно, что такая возможность внушает опасения. Но если говорить о реальных, а не фантастических применениях, подобное редактирование — прежде всего мощный инструмент исследования. Например, выключая с помощью CRISPR-Cas9 отдельные гены, можно идентифицировать те, что отвечают за выживание клеток при раке («Science», 2014, 343, 6166, 84—87). Более того: обнаружив в отдельных клетках организма мутации, которые ведут к развитию рака, можно будет, используя аналогичные методы, убрать их («Genome Medicine», 2014, 6, 5). За короткие сроки была синтезирована огромная библиотека РНК-гидов с различными последовательностями — 73 000 различных sgРНК («Science», 2014, 343, 6166, 80—84). С ее помощью можно направлять Cas9 на 80—90% всех последовательностей генома человека.
Резонный вопрос: неужели до 2013 года у молекулярных генетиков не было инструментов для разрезания ДНК в нужной точке? Были, но значительно менее удобные. Например, искусственные ферменты, получаемые путем слияния ДНКразрезающего домена нуклеазы с ДНК-связывающим доменом другого белка. Для каждой ДНК-мишени приходилось кропотливо конструировать новый фермент. По сравнению с этими конструкциями система CRISPR, где в качестве нуклеазы используется один и тот же Cas9, а менять приходится
а |
Cas9-никаза |
|
РНК-полимераза |
|
|
dCas9-репрессор |
|
|
|
|
|
5’ |
|
3’ |
|
3’ |
|
5’ |
в |
|
|
|
б |
|
Транскрипция подавлена |
Одиночный |
|
|
|
|
|
|
разрыв |
РНК-полимераза |
|
|
|
|
|
dCas9-активатор |
|
|
г |
Спаренные Cas9-никазы
Разрыв с «липкими» концами |
Транскрипция активирована |
|
5
Модификации белка Cas9:
а — Cas9, у которого активна только одна из его нуклеаз, а другая инактивирована, разрезает только одну нить ДНК, называется Cas9-никазой; б — две Cas9-никазы с разными sgРНК разрезают ДНК с образованием «липких» — одноцепочечных концов; в — мутантный белок dCas9, у которого инактивированы обе нуклеазы, можно использовать для выключения гена, регуляторному участку которого комплементарна sgРНК; г — подобным же образом можно избирательно активировать синтез определенных генов
Проблемы и методы науки
лишь sgРНК, оказалась намного проще и дешевле. То, на что уходили месяцы и годы труда, удается сделать за неделю.
Напоследок, для тех, кто еще не устал, — несколько слов о других применениях CRISPR-Cas9 (рис. 5). Наряду с обычным «природным» Cas9, который делает двухцепочечные разрывы в ДНК, ученые используют его измененные формы. Первой стоит упомянуть Cas9-никазу — белок, у которого активна только одна из его нуклеаз, а другая инактивирована. Такой фермент делает разрыв только в одной из двух цепей ДНК. Используя парочку таких никаз с разными sgРНК, можно значительно повысить точность генного скальпеля, а кроме того, вырезать большие участки ДНК (Cell, 2013, 154, 1380—1389).
У мутантного белка dCas9 инактивированы обе нуклеазы. Он находит ДНК-мишень и связывается с ней, но не способен ее разрезать. Казалось бы, какая польза от тупых ножниц? Однако из них можно сделать хороший зажим или прищепку. Белок dCas9 применяют для инактивации генов на стадии транскрипции — он блокирует продвижение РНК-полимеразы, того самого фермента, который синтезирует РНК на матрице ДНК. Этот способ называется CRISPRинтерференцией, или CRISPRi («Cell», 2013, 152, 1173—1183). Аналогичным способом можно не полностью выключать транскрипцию, а избирательно менять ее активность. Для этого к dCas9 добавляют домен белка — фактора транскрипции, который увеличивает или подавляет активность генов, а затем снабжают его sgРНК, которая доставит эту конструкцию на регуляторный участок — промотор нужного гена.
И еще один интересный инструмент — зажим с фонариком. Прикрепив к белку dCas9 зеленый флуоресцентный белок EGFP, можно пометить им определенный участок в хромосоме живой клетки и наблюдать под микроскопом за его судьбой в течение клеточного цикла либо визуально определять длину теломер («Cell», 2013, 155, 1479—1491).
Что впереди?
Крошечная молекулярная машина, защищающая бактерии от вирусов, а также изобретательность и находчивость ученых помогли совершить революцию в генной инженерии, существенно упростив и удешевив технику редактирования геномной ДНК. В перспективе эта технология может значительно ускорить темпы развития экспериментальной биологии и генной терапии, подарит медицине «умные антибиотики»; поможет в проектировании и создании генно-модифициро- ванных сельскохозяйственных животных и растений, а также промышленных микроорганизмов.
Но чтобы сделать технологию безопасной, надо исключить все возможные побочные эффекты — добиться, чтобы комплекс Cas9-sgРНК направлялся именно туда, куда мы хотим его направить, и делал именно то, что от него требуется. Для этого его нужно всесторонне проверить в самых разных условиях и детально прояснить механику его действий. Думается, что возможные применения CRISPR-Cas9-технологии не исчерпаны теми, о которых мы только что рассказали.
«Химия и жизнь», 2014, № 7, www.hij.ru
9
Борьба
митохондрий
Избавиться от дефектной материнской митохондрии не так-то просто.
Агентство
«AlphaGalileo», 17 июня 2014 года.
Вз а р у б е ж н ы х л а б о р а т о р и я х
Медики Великобритании недавно заявили, что дети от троих родителей появятся на свет года через два. Идея состоит в том, чтобы бороться с наследственным дефектом митохондрий. Эти органеллы, обеспечивающие клетку энергией, передаются потомству через яйцеклетку матери. Дефекты же в генах митохондрий (а у них есть собственный геном,
ведь митохондрии — потомки симбионтов клетки) встречаются с вероятностью один случай на десять тысяч и вызывают различные болезни, от диабета до сердечной недостаточности. Вот для того, чтобы от них избавиться, и предполагают брать яйцеклетку у здоровой женщины, заменять в ней ядро на взятое из оплодотворенной яйцеклетки, а потом эту конструкцию возвращать матери. Из такой яйцеклетки разовьется ребенок, который получит ядерные гены от родителей, а митохондрии — от донора. Схема выглядит элементарной, однако на практике могут возникнуть сложности.
Йорг Бургшталлер из Венского ветеринарного университета несколько лет работал с митохондриями мышей и заметил, что разные линии митохондрий в одной клетке имеют неодинаковые шансы на выживание. Чтобы проверить это, он специально создавал мышей с разными наборами митохондрий, и выяснилось: чем меньше эти органеллы сходны генетически, тем больше шансов, что выживет лишь одна линия. Поэтому когда проект «ребенок от троих родителей» начнет воплощаться в жизнь, нужно тщательно следить, чтобы пересаживаемое ядро было чистым. Иначе попавшие вместе с ним дефектные материнские митохондрии могут вытеснить своих здоровых конкурентов, и операция будет напрасной.
Восстановление
связей
Лекарство от сонной болезни на время сняло у мыши симптомы аутизма.
Агентство
«NewsWise»,
11 июня 2014 года.
Вз а р у б е ж н ы х л а б о р а т о р и я х
Клетка, поврежденная вирусом, бактерией или химическим воздействием, включает защитные механизмы. Следствием может стать нарушение коммуникаций с другими клетками: между ними устанавливается нечто
вроде вооруженного перемирия, никто никому не доверяет. В частности, когда это происходит с нейронами, число их связей с соседями может стать слишком малым или слишком большим. Результат — замедленное умственное развитие у ребенка: когда нейроны молчат, молчит и он. Есть мнение, что именно такой недостаток связей приводит к некоторым расстройствам аутистического спектра.
Группа исследователей из Калифорнийского университета (Сан-Диего) во главе с доктором Робертом Новё решила попробовать восстановить коммуникацию пострадавших нейронов. Они предположили, что все дело в веществах, выделяемых поврежденными митохондриями, — АТФ и других митокинах: попав в межклеточное пространство, они могут связываться с так называемыми пуриновыми рецепторами, и это воспринимается как сигнал опасности. На митохондрию нейронов воздействовать сложно, а вот вещество, блокирующее пуриновые рецепторы, известно: это синтезированный еще в 1916 году сурамин, средство от сонной болезни, вызываемой укусом мухи цеце. Если мышам, на которых моделируются расстройства аутистического спектра, дать сурамин, симптомы у них ослабевают. Правда, не навсегда — на пять недель, потом сурамин, видимо, исчезает из их организмов. «Мы собираемся этим летом провести небольшое клиническое исследование с детьми, страдающими такими расстройствами, чтобы проверить наши выводы, — говори доктор Новё.
— Длительный прием сурамина приводит к анемии и расстройствам надпочечников. Однако тот факт, что и однократный прием убирает на время саму причину болезни, обнадеживает: в эту паузу можно использовать другие, нелекарственные методы восстановления функций мозга».
Удаленный
магнит
Магнитное поле можно передавать по проводам
«Physical Review
Letters», 2014, 112, 253901; doi: 10.1103/ PhysRevLett.112.253901 (arXiv:1304.6300v2)
Вз а р у б е ж н ы х л а б о р а т о р и я х
Передача переменного электромагнитного поля на дальние расстояния никогонеудивляет.Авотпередатьстатическоемагнитноеполепопроводу, то есть поставить магнит у одного его конца, а притянуть, скажем, скрепку к другому, — это задача. Ее решила группа исследователей из Каталонии, Австрии и Германии во главе с Ориолом Ромеро-Изартом из Барселонского университета. Для этого им понадобилась конструкция, которая в одном направлении проводила бы магнитное поле, а в перпендикулярном — нет. Материалы с подобной анизотропией до сих пор не
были известны, но физики нашли выход.
Они взяли цилиндр из магнитного сплава и покрыли его оболочкой из высокотемпературногосверхпроводника.Сверхпроводникже,известныйспособностьювыталкиватьизсебямагнитное
поле, служит магнитной изоляцией. Расчет показал, что такая многослойная конструкция может передавать магнитное поле с одного своего конца на другой практически без потерь. В опыте она была сделана лишь с одним слоем сверхпроводника, но это не помешало передать поле на расстояние 10 см с потерей всего четверти мощности. Пока не очень понятно,гдеможноприменитьэтоудивительноеустройство;специалистыфантазируютнатемымагнитныхмикросхем, спинтроники или локализации сильного магнитного поля при магнитной томографии.
Пашня и потепление
Невспаханное поле охладит воздух.
Агентство
«AlphaGalileo»,
23 июня 2014 года.
10
Вз а р у б е ж н ы х л а б о р а т о р и я х
ВЕвросоюзе поля обычно запахивают сразу после уборки, так что светлая солома оказывается под слоем черной земли. Из-за этого лучи солнца поглощаются полем в два раза лучше, если считать только по отражательной способности и не принимать в расчет влажность. Иначе говоря, местный нагрев атмосферы усиливается. В периоды тепловых волн, когда устанавливается жаркая безветренная погода, жить рядом с таким горячим полем становится гораздо тяжелее, чем рядом с полем непаханым, покрытым соломой: разница может достигать двух градусов. Такую
картину рисуют исследователи из Высшей технической школы Цюриха во главе с Эдуардов Давидом.
Вывод же они делают такой. Хотя тепловые волны случаются в северных широтах не так уж и часто, нужно все-таки что-то предпринимать. Самое лучшее — увеличить площадь непаханых земель. В Евросоюзе сейчас так делать не принято, на эти страны приходится всего 2% полей, которые не подвергаются вспашке. А вот на США и страны Латинской Америки — 85%. Правда, авторы работы забывают добавить, что отказ от вспашки полей требует для борьбы с сорняками применения гербицидов сплошного действия и генно-модифицированных растений, устойчивых к ним (см. статью в этом же номере). А в Еврокомиссии на такие растения смотрят скептически.
Выпуск подготовил кандидат физико-математических наук С.М.Комаров
Дэвид П.Кларк
Микробы, гены и цивилизация Эксмо, 2011
На протяжении многих тысячелетий огромное количество враждебных микробов атакует человеческую популяцию. Однако некоторым людям благодаря необычному набору генов удаетсяизбежатьлетальногоисхо-
да.Именноихпотомствосоставляетбольшуючастьвыжившего населения. .
Уэллс Спенсер
Генетическая одиссея человека Альпина нон-фикшн, 2013
Около 60 000 лет назад в Африке жил человек. Все мы — его потомки. Как
же этот реально существовавший Адам стал нашим общим отцом, и какой путь проделали его дети и внуки, чтобы заселить практически все уголки
нашей Земли? Ответы на эти вопросы дают достижения генетики, ставшие доступными неподготовленному читателю благодаря остроумной, полной удивительных фактов книге известного генетика.
Вадим Левитин
Удивительная генетика Энас-Книга, 2013
Книга посвящена самым различным вопросам генетики и молекулярной биологии. Читатель узнает о тонкой структуре клеток разного типа, о работе молекул ДНК и об их мутационной изменчивости, о происхождении Homo sapiens и образовании
человеческих рас, а также о близких и далеких перспективах развития генно-инженерных технологий.
книги
Ричард Докинз
Расширенный фенотип: длинная рука гена АСТ, 2014
Ясность изложения, юмор и железная логика делают даже строго научные
труды Докинза доступными широкому кругу читателей. «Расширенный фенотип» развивает идеи его знаменитой книги
«Эгоистичный ген», в которой эволюция и естественный отбор рассматриваются «с точки зрения гена». «Расширенный фенотип» по праву считается одной из важнейших книг в современной эволюционной биологии.
Джаред Даймонд
Третий шимпанзе АСТ, 2013
жаред Даймонд — аме- |
|
|
риканский эволюцио- |
|
|
Днист, автор таких заме- |
|
|
чательных популярных книг, |
|
|
как «Ружья, микробы и сталь. |
|
|
Судьбы человеческих обществ» |
|
|
и «Почему нам так нравится |
|
|
секс? Эволюция сексуальности человека». «Третий шим- |
|
|
панзе» — неожиданный и парадоксальный взгляд на теорию |
|
|
Дарвина. История наших прапредков предстает в его книге |
|
|
такой, какой мы не могли ее вообразить никогда и ни при |
www.hij.ru7,№ |
|
каких обстоятельствах |
||
|
||
Эти книги можно приобрести |
20114, |
|
в Московском доме книги. |
||
|
||
Адрес: Москва, Новый Арбат, 8, |
жизнь», |
|
тел. (495) 789-35-91 |
||
|
||
Интернет-магазин: www.mdk-arbat.ru |
«Химия и |
|
11 |
Художник С.Тюнин
Восстание
сорняков
С.М.Комаров
Зеленый ужас
В знаменитой серии повестей Гарри Гаррисона про планету Пирр описан мир, где люди-колонисты находятся в жестком противостоянии с местной фауной и флорой. А флора, стремительно эволюционируя, создает чудовищные симбиозы: «Земля вспучилась сразу со всех сторон, из трещин петля за петлей выбиралась наружу невиданная тварь... С виду растение, а двигается как животное... И оно лопается, трескается!.. Появились какие-то трещины, отверстия. Словно разинутые пасти, они изрыгали полчища мертвенно-белых тварей, которые издавали пронзительный визг... Он увидел
страшные челюсти с множеством острейших клыков». Район ограждающего человеческое поселение Периметра кишит тварями и растениями, специально подготовленными для убийства людей: «Мальчик нагнулся над покрывающей землю шелковистой травой и тронул пальцем стебель. Тотчас голос из скрытых репродукторов пророкотал: «Ядовитая трава. Не снимать обувь». Язон опустился на колени и присмотрелся. Травинка заканчивалась блестящим твердым крючком... Зеленый газон был ковром смерти». Причиной же такой специализации оказываются исходящие изнутри Периметра волны ненависти, которые воспринимают способные к телепатии коренные обитатели планеты и реагируют таким же образом.
На Земле конфликт человека и природы не зашел так далеко, однако жесткий отбор, который действует на наших полях, обработанных средствами защиты культурных растений, уже приводит к пугающим последствиям. Не будем говорить о выкладках противников ГМО и сторонников «органической пищи». Результаты «гонки вооружений» между фермерами и дикой флорой обсуждали специалисты на симпозиуме по борьбе с сорняками, который прошел в рамках ежегодного собрания Американского химического общества в сентябре 2013 года. Вот что говорит его организатор Брайан Янг из университета Южного Иллинойса: «Сегодня более 200 видов сорняков выработали устойчивость по крайне мере к одному гербициду. И они растут на миллионах акров земли в США и
12
других стран. Фермеры не воюют с такими врагами приусадебной лужайки, как одуванчики. Их враг — сущий кошмар вроде щирицы Пальмера (Amaranthus palmeri, или pigweed, свиной бурьян), вырастающей на дюйм каждый день и достигающей высоты в три метра. Ее стебель настолько толст и тверд, что ломает уборочные комбайны. Такие жуткие монстры заполняют поля, угнетая культурные растения, вытягивая из почвы воду и питательные вещества. Устойчивые к гербицидам сорняки ныне процветают, несмотря на то что их обильно поливают убийственным глифосатом. При этом одно-единственное растение может дать миллион семян, отодвигая искоренение сорняков куда-то в вечность».
О масштабах проблемы можно судить по выступлениям участников симпозиума.
«В последние три года существование устойчивой к ГФПДгербицидам щирицы бугорчатой (Amaranthus tuberculatus, или waterhemp, водяная конопля) подтверждено на семенных кукурузныхполяхАйовы,НебраскииИллинойса.ВКанзасеобнаружена устойчивая к тем же гербицидам щирица Пальмера. Эти популяции продемонстрировали устойчивость и к блокаторам фотосистемыIвродеатразина»,—отмечаютспециалистыком- пании «Сингента», изготовляющей средства защиты растений.
«В Теннеси подтверждено существование шести видов сорняков, устойчивых к глифосату. Мелколепестник канадский (Erigeron canadensis, или horseweed, конский бурьян) и щирица Пальмера сегодня встречаются на каждом акре пахотных угодий, причем первый из них показал устойчивость к глифосату еще в 2001 году. В 2005 году проявила себя щирица Пальмера, и с тех пор именно она стала главной проблемой полей штата: дополнительные меры борьбы с этим сорняком обходятся в 20 долларов на акр. Щирица Пальмера полностью изменила правила игры, сложившиеся после открытия глифосата, когда можно было обработать посевы после всхода всех сорняков и избавиться от них до нового сезона. Причина в том, что она очень быстро растет: в день может прибавлять по пять сантиметров, а стебель бывает толщиной с руку. Фермеры, выращивающие сою, убедились: если этот сорняк вырос всего до семи сантиметров, его уже ничем не остановишь. Более того, не представляется возможным убрать урожай: такое поле надо заново пахать и пересеивать», — отмечает Лари Стекель из университета Теннеси.
«С 2002 года в Арканзасе зафиксированы шесть устойчивых к глифосату видов сорняков, а именно мелколепестник канадский, щирица Пальмера, обычная амброзия полыннолистая (Ambrosia artemisiifolia), гигатская амброзия трехраздельная (Ambrosia trifida), джонсова трава, или сорго аллеппское (Sorghum halepense), и итальянский райграс, он же плевел многоцветковый (Lolium multiflorum). При этом щирица устойчива еще и к АЛС- и динитроанилиновым гербицидам (ингибиторам образования микротрубочек), плевел
— к АЛС- и некоторым AКК-гербицидам. Это затрудняет не
Технологии и природа
только весеннее уничтожение сорняков, но и борьбу с ними на засеянных пшеничных полях (плевел — злаковое растение,
ина полях, засеянных злаками, для борьбы с ним нельзя применять селективные гербициды. — Примеч. ред.). В 2008 году трансгенные культуры, устойчивые к глифосату, занимали все поля Арканзаса, отведенные под хлопчатник, сою и кукурузу. А в 2010 году практически на каждом акре хлопчатниковых полей и на половине соевых росла устойчивая к глифосату щирица Пальмера. В 2012 году многим фермерам пришлось возвращаться к ручной прополке. Ситуация с устойчивыми к гербицидам сорняками обостряется также на рисовых полях из-за куриного проса Echinochloa crusgalli»,— рассказывает Боб Скотт из Арканзасского университета. Ему вторит коллега Джейсон Нортуорти: «Арканзасские хлопководы, отказавшиеся от вспашки, вынуждены применять гербициды по пять
— восемь раз за сезон. Один-два раза сорняки выжигают до посевной или одновременно с ней, третий — сразу после появления всходов, четвертый — когда всходы подрастут, и в пятый раз — чтобы сам хлопчатник сбросил листья. Вдобавок приходится вручную удалять устойчивую к глифосату щирицу Пальмера и другие сорняки, а это обходится в дополнительные 100 долларов на акр. Хлопководы признаются, что, если бы не высокие цены на хлопок, они попали бы в очень тяжелое положение».
«В Айове первые проблемы с гербицидной устойчивостью дали о себе знать в 80-х годах: щирица бугорчатая стала устойчивой к применявшимся на полях сои гербицидам семейства АЛС. После перехода на глифосат появление устойчивого к нему сорняка было вопросом времени. Так
ислучилось в 1997 году, когда были обнаружены первые экземпляры такого растения. Впрочем, те растения встречались кое-где на отдельных полях и не представляли опасности. С созданием трансгенных сои и кукурузы площади, обрабатываемые глифосатом, как и частота его применения, резко увеличились. В результате в 2008 году среди случайно выбранных популяций сорняка 16% показали устойчивость к глифосату. Нынешние растения щирицы бугорчатой в Айове
Некоторые классы гербицидов |
Класс 3. Ингибиторы формирования |
|
ствуют формированию микротрубочек |
||
|
|
микротрубочек. Эти вещества препят- |
|
|
внутри клеток, что затрудняет клеточное |
|
|
деление. Итог: корни прекращают расти |
Класс1.Ингибиторыацетил-КоА-карбок- |
Класс 2. Ингибиторы ацетолактат- |
в длину и растут в ширину, отчего про- |
силазы(АКК-ингибиторы).Ониблокируют |
синтазы (АЛС). Они нарушают син- |
ростокживетнеболеедвухнедель.Такие |
биосинтез жирных кислот, причем только |
тез аминокислот с разветвленными |
гербициды вносят непосредственно в |
у однодольных растений (к которым при- |
радикалами — валина, лейцина и |
почву, их применяют для уничтожения |
надлежат злаковые культуры), то есть |
изолейцина, которые организм чело- |
сорняковдопосевалибопользуютсятем, |
работают как гербициды выборочного |
века не синтезирует, то есть должны |
чтосеменакультурныхрастенийбольше, |
действия. А двудольные растения, как |
быть для человека безвредны. Сейчас |
чемусорняков,поэтомулегчепереносят |
культурные,такисорняки,отнегонестра- |
выявлено более 90 видов растений, |
действиегербицида.Этомужемогутспо- |
дают. Известно 35 видов, приобретших |
приобретших устойчивость к этому |
собствоватьнейтрализаторыгербицида, |
устойчивость к этой группе гербицидов. |
гербициду. |
вносимые во время посевной. |
«Химия и жизнь», 2014, № 7, www.hij.ru
13
выработали устойчивость уже к четырем классам гербицидов, а именно синтетическим ауксинам типа 2,4-Д и дикамбры, ГФПД-ингибиторам, блокаторам фотосистемы II и ППОингибиторам», — пишет Майкл Оуэн из университета Айовы.
«В Миссури исследование 2008—2009 годов показало, что устойчивостью к глифосату обладают 99 из 144 исследованных популяций щирицы бугорчатой. Позднее множественная устойчивость к глифосату, синтетическим ауксинам, ГФПД-, АЛС-, ППО-ингибиторам была обнаружена уже у 180 популяций этого сорняка», — рассказывает Кевин Брэдли, университет Миссури.
Как славно все начиналось
Химизация сельского хозяйства (благодаря которой, кстати, был учрежден журнал «Химия и жизнь») стала фактически второй зеленой революцией, позволившей за счет достижений НТР опровергнуть мрачные прогнозы Мальтуса и обеспечить едой многократно выросшее в XX веке население планеты. Использование средств защиты растений — пестицидов, фунгицидов и гербицидов — важнейшая составляющая интенсивного сельского хозяйства, то есть такого, которое дает постоянную прибавку урожая без увеличения площади полей.
Гербициды обеспечивают химическую прополку, и эффект от них велик: сорняки могут забрать до половины урожая, а то и весь. Ручная прополка стоит дорого, да и взрывная урбанизация, начавшаяся в середине XX века, в развитых странах сильно уменьшила численность сельского населения, а те, что развиваются, стремительно догоняют их на всех континентах, кроме Африки. Химическая прополка — решение проблемы малыми силами. В самом деле, полил весной поле гербицидом сплошного действия — убил ранние сорняки. Обработал селективным по всходам — избавился от поздних. Не всех — родственников культурного растения такой гербицид не возьмет, но можно еще пройтись по междурядьям. А на будущий год посеять вместо кукурузы сою или рапс и поубивать уже другим гербицидом всех родственников первой. В общем, сорных растений станет в разы меньше, соответственно урожая больше, а расход воды и удобрений снизится.
В конце же XX века случилась новая революция: появились генно-модифицированныерастения.Применительнокпробле- ме сорняков —такие,накоторыегербицидне действует. Пожалуй, наиболее знаменита в этой области разработка компании «Монсанто».Создаенноев1970-мгодустараниямисотрудника
ФотоКевинБрэдли,университетМиссури
Щирица бугорчатая теперь выдерживает не только обычную дозу глифосата (третий образец слева), но и в восемь раз большую
этой компании Джона Франца вещество — N-(фосфонметил)- глицин, он же глифосат, — оказалось способным блокировать 5-фосфо-3-енолпирувилшикиматсинтазу, EPSPS. Этот фермент участвует в синтезе аминокислот, содержащих бензольное кольцо, а те, в свою очередь, ответственны за синтез и гормона роста ауксина, и лигнина, придающего крепость стеблю, и пигментов и много другого. В общем, любое растение с блокированным ферментом погибает. А затем в опытах на Agrobacterium tumefaciens был найден ген устойчивости к глифосату, получивший название CP4 EPSPS. Его-то и удалось встроить в культурные растения, сделав их устойчивыми к глифосату, и вывести в 1996 году на рынок сорта серии RoundUp Ready — готовые к использованию гербицида «Раундап» на основе глифосата. После этого борьба за урожай резко упростилась: одна-две обработки поля за сезон, и никаких сорняков. Более того, многие привычные для земледелия приемы — глубокая вспашка, севооборот
— оказались ненужными. А это большое преимущество, ведь вспашка усиливает эрозию почвы и требует затрат на топливо для тракторов, обязательная же смена культур на поле усложняет сбыт продукции. С трансгенными растениями получается стабильное производство одного и того же продукта; главное условие — восполнять удобрениями выносимые растением из почвы питательные вещества. При этом глифосат еще и гораздо менее токсичен, нежели многие другие гербициды. Недаром он существенно потеснил все
Класс 4. Синтетические ауксины. Они |
он и для борьбы с маком и коноплей, |
производство 2,4-Д было налажено на |
имитируют действие растительного |
и как дефолиант для хлопчатника. За |
Уфимском химическом заводе, который |
гормона ауксина и вызывают чрезмерно |
десятилетия многие растения приоб- |
выпускает этот гербицид до сих пор. |
быстрый рост отдельных тканей: листья |
рели к нему устойчивость, поэтому его |
Классы5—7.Ингибиторыфотосистемы |
спутываются, старые корни отмирают, |
применяют теперь в смесях с другими |
II. У растений в мембранах хлоропластов |
стебли лопаются, и растение начинает |
гербицидами. В качестве микроприме- |
есть белковые комплексы двух типов, |
погибать уже через несколько часов |
сей производные хлорфеноксиуксус- |
ответственные за усвоение энергии сол- |
после обработки. Сейчас известно 25 |
ных кислот могут содержать печально |
нечного света. В порядке открытия они |
видов растений, приобретших устойчи- |
знаменитые диоксины — именно из-за |
были названы «фотосистема I» и «фото- |
вость к искусственным ауксинам. Имен- |
них «Эйджент Оранж» вызывал анома- |
система II», хотя логичнее было бы на- |
но к этой группе принадлежит один из |
лии беременности. Вредность самого |
оборот: расщепление молекулы воды с |
старейших гербицидов, называемый в |
2,4-Д не настолько высока, но и не |
поглощением фотона света и образова- |
народе из-за отвратительного запаха |
считаться с ней нельзя, поскольку он |
ниеммолекулы кислорода,электронови |
«24 дурака» (см. «Химию и жизнь», 2005, |
накапливается в растениях, попадает |
протонов происходит в фотосистеме II, |
№ 9), от сокращенного названия 2,4-Д |
в молоко, в общем, путешествует по |
а затем поток электронов направляется |
— 2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота. |
всей пищевой цепочке. Для крыс LD50 |
к фотосистеме I. Так вот, гербициды 5, 6 |
Этот гербицид открыли в 1941 году и с |
составляет 0,5 г на кг массы тела, для |
и 7 класса взаимодействуют с одним из |
тех пор применяли как в сельскохозяй- |
собак же опасны и впятеро меньшие |
белков фотосистемы II — с его участка- |
ственных целях, так и в военных — он |
дозы. Неудивительно, что от таких ве- |
ми, или сайтами, обозначаемыми А и В. |
входил в состав дефолианта «Эйджент |
ществ пытаются избавиться, заменив |
В результате нарушается поток электро- |
Оранж», использованного американ- |
чем-то менее вредным, однако пока |
нов, повреждаются клеточные мембра- |
цами против вьетконговцев. Послужил |
что этого сделать не удается. В СССР |
ны, начинается некроз тканей. Сначала |
14
остальные, а общее потребление гербицидов сократилось. В США самая большая площадь полей, занятая устойчивыми к глифосату культурами, — половина от мировых, что обеспечивает этой стране немалые конкурентные преимущества из-за снижения затрат на получение урожая. При этом генномодифицированная соя составляет 91% посевного клина, кукуруза — 85%, а хлопчатник — 88%. Помимо «Монсанто», и другие крупные биотехнологические компании создали свои генно-модифицированные линии, предназначенные для обработки гербицидами сплошного действия, которые выпускают те же компании.
Однако сразу же после появления трансгенной технологии взволнованная общественность стала задавать вопросы создателям новых растений: а что будет, если ген устойчивости возьмет да и перепрыгнет в дикое растение? Как потом бороться с такими сверхсорняками? «Ну что вы, этого не может быть, потому что не может быть никогда», — отвечали им специалисты (см. «Химию и жизнь, 2001, № 7—8). Во-первых, межвидовые гибриды возможны только в лысенковской биологии, а в вавиловской генетике это невозможно. Во всяком случае, получившиеся семена будут бесплодными, а значит, ген устойчивости попасть в дикое растение никак не может. Во-вторых, найденный путь обхода блокировки ЕРSРSфермента нетипичен для растений, вероятность того, что у какого-то сорняка он имеется, ничтожно мал, поэтому устойчивости к глифосату просто неоткуда взяться. А в-третьих, применение научных рекомендаций по севообороту и другие меры позволяют избежать закрепления такой устойчивости, даже если она и появится.
Как видно, расчеты специалистов оказались излишне оптимистичными. Не прошло и двадцати лет — ничтожный по меркам эволюции срок, — а жесткий отбор под действием антропогенного фактора сделал свое дело, и на полях всего мира появилось 19 устойчивых к глифосату видов сорняков, из них 10 — в США. Более того, многие сорняки проявляют множественную устойчивость, игнорируя, видимо, и другие, аналогичные монсантовской, системы борьбы с сорняками. В чем причина — специалисты точно сказать не могут. Одни подозревают, что дело в мутациях, пусть редко, но встречающихся. Все-таки в миллионе семян, что дает одно растение щирицы, генетическое разнообразие должно быть существенным. В нормальных условиях ген устойчивости к гербициду не нужен растению, а вот при постоянной химобработке он дает преимущество и закрепляется, воспроизводясь
Технологии и природа
в миллионах потомков. Другие исследователи отмечают, что передача генов все-таки возможна: например, культурный рис обменивается генами со своими диким родственником, сорняком красным рисом, с вероятностью в сотые доли процента. С учетом огромных посевных площадей этого может оказаться достаточным для того, чтобы искусственный отбор на устойчивость дал себя знать, тем более что этот сорняк — заамбарник; его семена собирают, хранят и высевают вместе с культурным растением. При этом, как отмечала профессор университета Огайо Эллисон Сноу («Nature Biotechonology», 2002, 20, 6, 542), надежных данных о перетоке генов мало, что связано с недостаточным государственным финансированием этой тематики. Она же доказала, что некоторые свойства трансгенных растений могут-таки передаваться гибридам с дикими родственниками. В опытах с китайскими коллегами доктор Сноу придавала рису устойчивость к глифосату не за счет модификации гена, кодирующего EPSPS, а добиваясь сверхпроизводства самого фермента — сверхэкспрессии гена. Гибрид с красным рисом оказался чрезвычайно живучим: он давал в полтора раза больше семян, чем обычные гибриды этих растений, у него была выше скорость фотосинтеза и всхожесть семян («New Phytologist», 23 сентября 2013 года). «Детали коммерческой технологии изготовления трансгенных растений не разглашаются, но, если там используют сверхэкспрессию генов, это свойство вполне может передаваться дикому родственнику», — считает Эллисон Сноу.
Некоторые специалисты винят самих фермеров, упрекая их в нарушении технологии — одновременном отказе и от вспашки, и от севооборота, да еще и применении сверхдоз гербицида. Расчет фермера понятен: если сорняк не погибает сразу, почему бы не полить поле не один-два, а пять-шесть раз за сезон: убить врага, может, и не убьешь, но ослабишь его
страдают старые листья, а по мере |
Гербициды, взаимодействующие с тем |
производное аминокислоты глицина |
передвижения гербицида от корней по |
же сайтом А, но по иному механизму (их |
(отсюда и название). Продают его под |
стволу — и молодые. Те гербициды, что |
обозначают как А2), менее подвижны в |
разными торговыми марками, наибо- |
блокируют сайт А, поражают некоторые |
почве, что сказывается на их избира- |
лее известная — «Раундап» Глифосат |
виды как однодольных, так и двудольных |
тельности. К ним нечувствителен 31 вид |
блокирует фермент, который участвует |
сорняков, особенно молодые побеги. |
растений. Блокатор сайта В действует |
в синтезе предшественников многих |
Обычно их применяютна посадках одно- |
только через листья и практически не |
ароматических соединений. Этот |
дольных растений, таких, как кукуруза, |
затрагивает однодольные растения. А |
синтез жизненно важен для растений, |
рис и прочие злаки, сахарный тростник, |
двудольные он губит быстро: за один- |
а у людей из таких аминокислот в ор- |
атакженагазонах.Ныневыявлено66ви- |
два дня. |
ганизме синтезируется лишь тирозин, |
дов растений, устойчивых к ним. Именно |
Класс 9. Ингибиторы синтеза аро- |
остальные мы получаем с пищей. По- |
к числу таких гербицидов принадлежит |
матических соединений, то есть со- |
этому глифосат считается малоток- |
изготавливаемый швейцарской ком- |
держащих бензольные кольца. Их в |
сичным. Его LD50 для крыс составляет |
панией «Сингента» атразин, вместе с |
растении множество — от антиок- |
5,6 г на кг веса (для сравнения, у по- |
глифосатом и паракватом входящий в |
сидантов, таких, как токоферол, до |
варенной соли 3 г/кг). К тому же на |
тройку самых популярных гербицидов. В |
аминокислот триптофана, тирозина и |
полях гербицид применяют в малых |
ЕС из-за подозрений в токсичности для |
фенилаланина. Именно к этому классу |
дозах, а разлагается он за несколько |
водных организмов атразин запрещен, |
принадлежит (и служит единственным |
месяцев. Глифосатом обрабатывают |
а в США, где его активно применяют, это |
его представителем) знаменитый гер- |
значительную часть полей, засаженных |
одиниз главных загрязнителей питьевой |
бицид сплошного действия глифосат, |
трансгенными культурами производ- |
воды. LD50 атразина для крыс при при- |
созданный в 1970 году компанией |
ства компании «Монсанто», и ныне это |
еме внутрь составляет 1,9 г на кг тела. |
«Монсанто» и представляющий собой |
самый массовый гербицид. |
«Химия и жизнь», 2014, № 7, www.hij.ru
15
изрядно. Получается очень жесткое давление на сорняки, но уж кто его выдержал, тому и десятикратные дозы гербицида не страшны. Отчаявшись побороть напасть (напомним, что от подросшей щирицы Пальмера спасает только перепашка, то есть потеря посеянных семян), фермеры стали поливать поля не одним гербицидом, а смесью. Часть сорняков не вынесла этого, но кое-кто опять выжил и приобрел множественную устойчивость. Так современная система борьбы с сорняками подошла к кризису. Например, по расчету специалистов компании «Сингента», использование одного монсантовского глифосата приводит к появлению устойчивых сорняков на 80% полей за тридцать лет. Если же применять еще и сингентовский гербицид паракват — неубиваемые сорняки останутся на 20% полей, зато с множественной устойчивостью.
Что делать?
Увы, перспектива не внушает оптимизма. Об этом прямо говорит Гарри Штрек из немецкой компании «Байер кроп сайнс», одного из лидеров биотехнологического рынка: «С созданием устойчивых к глифосату генно-модифицированных растений использование других методов контроля сорняков существенно сократилось. Однако появление устойчивости к глифосату у сорняков снизило эффективность такой, ставшей единственной, меры. Так вернулась потребность в наборе разных методов. Например, хлопководы вновь стали вручную уничтожать отдельные устойчивые растения сорняков с тем, чтобы не давать им осеменяться. Сейчас сельское хозяйство стоит на перепутье: компании разрабатывают новые продукты, но среди них нет и в ближайшее время не предвидится чего-то основанного на других принципах воздействия на сорняки. Поэтому надо развивать все традиционные технологии борьбы с сорняками».
Что же это за новые продукты? Компания «Монсанто», например, придумала платформу RoundUp Ready PLUS. Она предполагает использование устойчивых к глифосату культурных растений, обработку полей глифосатом, но также и применение дополнительных гербицидов. В частности, таких, которые сохраняют свое действие длительное время, будучи внесенными в почву. Общее число обработок поля гербицидами по этой схеме — четыре раза за сезон. Многократное внесение гербицидов рекомендуют и агрономы из университета Миссисипи, штата, славного тем, что на его полях устойчивые к глифосату сорняки расплодились в наибольшей степени. Один из самых злостных для этих мест — плевел, проявивший себя еще в 2005 году. С тех пор специалисты ищут способы борьбы с ним — предлагают, в частности, помимо глифосата обрабатывать поля гербицидами не менее трех раз в год. Первый раз осенью, запахивая гербициды длительного действия после сбора урожая, второй раз зимой
итретий — весной. Лучше всего на подобную процедуру отзывается кукуруза: применение этой схемы дает выигрыш в 13 долларов на каждый затраченный. Чтобы составить эту схему, ученые опробовали полсотни разныхгербицидов длительного действия и выбрали пять-шесть штук, пригодных для применения на полях штата. Впрочем, результаты исследований не мешают сорнякам заполонять поля Миссисипи, да и не все фермеры придерживаются рекомендаций, поскольку не хотят лишний раз тревожить землю.
Более радикально предполагает действовать компания «Доу агросайнс». Ее специалисты предполагают создать трансгенные растения с множественной устойчивостью, которые не боятся не только глифосата, но и синтетических ауксинов вроде дикамбры или 2,4-Д. Придуманная ими система называется Enlist Weed Control System. При этом устойчивые культурные растения столь живучи, что выдерживают двукратную дозу глифосата по сравнению с обычной дозой. Устойчивые к дикамбре, 2,4-Д и некоторым другим гербицидам трансгенные растения должны быть разрешены к применению в ближайшие пять лет. Их создателей не смущает, что устойчивые и к глифосату, и к ауксинам сорняки уже существуют. Предполагается, что, имея в своем распоряжении культуры с разной устойчивостью, фермер сумеет выбрать оптимальную комбинацию с учетом засоренности его полей.
Помимо массового применения разных гербицидов, агрономы советуют вспомнить о севообороте. Однако тут не все так однозначно. Например, если после трансгенной кукурузы посеять трансгенную сою, предварительно вспахав поле, от каких-то устойчивых сорняков избавиться удастся. Но вот как избавиться от самой кукурузы, которая не боится глифосата
икоторая на соевом поле будет сорняком? Значит, без применения селективно действующего на нее гербицида никак не обойтись.
Вот так все преимущества трансгенных растений сходят на нет: и поля пахать приходится, и гербицидов лить от души. Помимо загрязнения гербицидами окружаюшей среды и продуктов питания, наблюдаемый сбой в системе защиты растений имеет и долговременный экономический эффект. Наступление устойчивых к гербицидам сорняков неизбежно повышает стоимость урожая и снижает его объем. Конечно, химическая прополка — не единственный инструмент интенсивного сельского хозяйства, снижение ее эффективности можно пытаться компенсировать, но это дополнительные затраты. Нельзя забывать, что впереди у мирового сельского хозяйства, видимо, и другие неприятности, вроде появления устойчивых к трансгенным растениям насекомых или опустынивания из-за потепления климата. К ним надо готовиться.
Класс 14. Ингибиторы протопорфириногеноксидазы (ППО-ингибиторы). Вызываемые ими нарушения биосинтеза порфиринов, например хлорофилла, приводит к появлению супероксид-ра- дикала, который разрушает мембраны клеток и вызывает лизис.
Класс 22. Ингибиторы фотосистемы I тоже вмешиваются в перенос электронов при фотосинтезе — блокируют их перемещение от железо-серных комплексов через белок ферредоксин к коферменту НАДФ. В результате электроны достаются кислороду, и растет концентрация его активных форм:
супероксид-радикала, гидроксильного и перекисного радикалов. Естественно, они очень быстро разрушают мембраны, вызывая гибель листьев от окислительного стресса: растение может «сгореть» уже через час. К числу таких гербицидов принадлежит паракват, изготавливаемый швейцарской компанией «Сингента» и занимающий второе место в мире по объему применения. Его токсичность выше, чем у других гербицидов: LD50 — 0,11 г на кг тела крысы при потреблении внутрь, что сравнимо с кофеином и меньше, чем у никотина. В СССР паракват был запре-
щен к применению, не используется он и в РФ. Паракватом и подобными ему гербицидами сплошного действия обрабатывают поля перед посевом, а поскольку он действует только через листья — еще и междурядья.
Класс 28. Ингибиторы 4-гидрокси- фенолпируватдиоксигеназы (ГФПДингибиторы). Они блокируют синтез каротиноидов и токоферола, которые играют роль антиоксидантов. Из-за этого молодые листья быстро желтеют и отмирают. Эти гербициды сохраняются в почве и могут действовать на многолетние сорняки.
16
Сорняк |
|
|
|
в кукурузе |
|
|
|
|
Фотоинформация |
||
|
|
|
|
Хорошо известно, что одни растения |
Как оказалось, канатник, выращенный |
канатник выполоть на ранней стадии, |
|
способны угнетать или стимулировать |
вместе с кукурузой, чувствует себя от- |
когда у кукурузы выросло два — четыре |
|
рост других. Однако кто бы мог предпо- |
лично — он получается выше и мощнее, |
настоящих листа, продукция этих генов |
|
ложить, что культурное растение само |
нежели выращенный в одиночестве, и |
не возвращается к норме. При этом |
|
стимулирует своего врага? К сожале- |
быстро заглушает культурное растение. |
само растение кукурузы выглядит ни- |
|
нию, именно этот вывод следует из ра- |
Кукуруза же от такого соседства ис- |
чуть не пострадавшим. «Наши данные |
|
боты Шарон Клей (Университет Южной |
пытывает стресс: ее гены, отвечающие |
свидетельствуют: бороться с сорняками |
|
Дакоты). Она изучала взаимодействие |
за фотосинтез, рост и многое другое, |
надо как можно раньше», — говорит |
|
канатника и кукурузы на генном уровне. |
снижают активность. Более того, если |
Шарон Клей. |
|
«Химия и жизнь», 2014, № 7, www.hij.ru
17
Твари
из
лабораторий
Тема, открытая Франкенштейном Мэри Шелли и триумфально продолженная фантастами эпохи молекулярной генетики, — странные твари, которых создают хитроумные ученые в своих загадочных целях. Ученые это умеют. Они уже превратили в банальность некоторые самые смелые фантазии беллетристов. Светящиеся собаки, а также рыбки, кролики и другие существа? Нет проблем (правда, для активациисвеченияфлуоресцентныхбелковпокаещенужна ультрафиолетовая или синяя подсветка, но, если кому-то понадобится использовать свет полной луны, едва ли это окажется невозможным). Мыши и крысы, воспоминаниями которых можно управлять? Сделано, идем дальше. Клонированные млекопитающие? На выбор, кто вам больше нравится: олени, волки, буйволы... Увлеченного любителя науки этим уже не удивишь. Попробуем найти что-нибудь новенькое, пусть не подходящее для киносценария.
Безусловный лидер последних месяцев — кишечная палочка с шестью нуклеотидами в ДНК вместо
четырех. Не так эффектно на вид, как собака Баскервилей, но, по сути, куда более удивительно. ДНК — основа жизни, ее нуклеотиды у всех одинаковы: фосфатная группа, остаток дезоксирибозы и одно из четырех азотистых оснований — аденин, тимин, гуанин или цитозин. С другой стороны, многие
ираньше задавались вопросом, почему ДНК такая, а не иная. Может ли, например, на другой планете носитель наследственной информации вместо фосфатов содержать арсенаты
— анионы мышьяковой кислоты (см. «Химию и жизнь», 2012, № 3), почему в ДНК дезоксирибоза, в РНК — рибоза, а не наоборот, и вправду ли эти четыре азотистых основания такие особенные или на их месте могли быть какие-нибудь другие гетероциклы подходящего размера.
Опыты по созданию новых букв генетического кода делают несколько научных групп. В литературе уже стало привычным сокращение UBP, unnatural base pairs (искусственные пары оснований) — понятно, что проектировать их надо парами, чтобы соблюдать правило комплементарности. О D- и Z-нуклеотидах основателя «синтетической биологии» Стивена Беннера и его коллег см., например, статью в рубрике «Биогенез», «Химия
ижизнь», 2013, № 4 (там же можно прочитать и о преимуществах, которые имели на ранней стадии эволюции жизни A, T, G и C). Сложность задачи в том, что недостаточно химическим путем вставить новые нуклеотиды в молекулу ДНК и получить идеальную уотсон-криковскую спираль. С такой молекулой должна уметь работать ДНК-полимераза — фермент, который отвечает за репликацию ДНК, строит новые нити на матрице старых. Или, наоборот, придется изменить существующую ДНК-полимеразу, чтобы она могла работать с новыми нуклеотидами, — именно это сделала группа Беннера. А затем понадобится синтезировать РНК на матрице шестибуквенной ДНК, значит, нужны будут измененные рибонуклеотиды (в лаборатории Беннера такие рибонуклеотиды уже сделали) и ферменты, которые синтезируют шестибуквенную РНК... Аналогичными
исследованиями занимается в японском Центре систем и структурной биологии RIKEN группа под руководством Ичиро Хирао. Интересно, что с ДНК, содержащей японские UBP, «соглашается» работать ДНК-полимераза, которую используют в лабораториях для проведения полимеразной цепной реакции (ПЦР), число ошибок примерно такое же, что и для обычных нуклеотидов, и новые буквы никуда не исчезают даже после многократного копирования.
Ученые из Исследовательского института Скриппса под руководством Флойда Ромсберга, которым мы обязаны сенсацией этого года, пошли еще дальше. Они не только сконструировали свою UBP (их азотистые основания получили обозначения d5SICS и dNaM, или X и Y; впрочем, они не совсем «азотистые» — одно из них не содержит атомов азота, а другое содержит атом серы) и встроили эти нуклеотиды в ДНК — они внедрили эту ДНК в клетку кишечной палочки. Как известно, у бактерий, помимо собственно генома, есть внехромосомный генетический материал — кольцевые молекулы ДНК под названием плазмиды. Вот такое колечко ДНК с текстом, записанным шестью буквами вместо четырех, кишечная палочка успешно копировала в обычных условиях бактериальной клетки, обычными ферментами. Клетки нормально росли, странные нуклеотиды при копировании не исчезали, хотя бактерия могла бы избавиться от них при помощи механизмов репарации ДНК. Таким образом, впервые расширенный генетический код заработал in vivo, а не in vitro. По словам Ромсберга, они перепробовали около 300 вариантов дизайна нуклеотидов, прежде чем выбрали наиболее подходящий. Кстати, первый автор этой работы, опубликованной в журнале «Nature», Денис Малышев, — наш соотечественник.
Точности ради, бактерия была не совсем обычная. Чтобы синтезировать ДНК с новыми нуклеотидами, клетке нужны эти нуклеотиды, а синтезировать их самостоятельно она, естественно, не может. Пришлось добавлять их в питательную среду, а бактерию снабдить белком-транспортером нуклеотидтрифосфатов, заимствованным у клеток водорослей, — этот транспортер не делал различия между натуральными и искусственными нуклеотидами, заносил «строительный материал» в клетку, а дальше все шло естественным путем.
Зачем нужны новые буквы в генетическом коде? Например, чтобы многократно расширить набор аминокислот, из которых составляются белки, или создать особые сигнальные последовательности, активирующие ген по специфическому сигналу. Кроме того, фрагменты синтетической ДНК могут использоваться в качестве аптамеров — коротких молекул, которые связывались бы с белковой или нукле-
18