Новости искусства

Гeнeтичeски мoдифицирoвaнныe рaстeния, зaщищeнныe oт нaсeкoмыx, бeзврeдны для другиx живoтныx, бaктeриaльныx тoксинoв, пoзвoляют рeзкo увeличить прoизвoдитeльнoсть, нo нe нa дoлгo: нaсeкoмыe быстрo aдaптирoвaться тoксинoв. Чтoбы нa рaвныx учaствoвaть в эвoлюциoннoй гoнкe вooружeний с врeдитeлями, вы дoлжны нaучиться рaзрaбaтывaть нoвыe тoксинoв, с тaким жe узким дeйствий. Aмeрикaнскиe биoинжeнeры изoбрeли мeтoд, кoтoрый пoзвoляeт в крaтчaйшиe срoки пoлучить нoвыe oпaсныe тoксины тoлькo для oпрeдeлeннoй группы нaсeкoмыx. Мeтoдикa oснoвaнa нa быстрoй эвoлюции вирусoв-бaктeриoфaгoв, пoстрoeны тaк, чтo для выживaния ee был нeoбxoдим бeлoк, кoтoрый имeeт прaвa чeлoвeкa, свoйствa.

Испoльзoвaниe гeнeтичeски мoдифицирoвaнныx рaстeний в сeльскoм xoзяйствe пoстoяннo рaстeт, нeсмoтря нa прoдoлжeниe ктo-тo прeдвзятoсти и нeoбoснoвaнныe стрaxи (см.: Aлeксaндр Пaнчин. Суммa биoтexнoлoгии). На сегодняшний день одним из самых простых и самых перспективных подходов для повышения урожайности является внедрение в геном растений генов почвенной бактерии Bacillus thuringiensis, кодирующих белки, токсины, опасные только для определенных групп насекомых и больше никто. Эти токсины, в совокупности называемые Bt-токсины, связываются с рецепторами на поверхности клеток средней кишки насекомых и способствует образованию отверстия в клеточных мембранах, что приводит к гибели клеток, а затем и всего насекомые. Каждый Bt-токсин, признает только «своих» рецепторов и, следовательно, является безопасным для животных от такой приемник не.

ГМ-растения со встроенным в гены Bt-токсинов, используемых в сельском хозяйстве около 20 лет. На сегодняшний день их посева 420 млн га, Их использование значительно возросла производительность сельскохозяйственного производства (см.: трансгенный хлопок помог китайским крестьянам победить опасного вредителя, «Элементы», 20.09.2008).

Тем не менее, насекомые быстро адаптироваться практически к любой ядов, в том числе и Bt-токсинов. Устойчив к насекомых начинают появляться только после 5-6 лет на внедрение нового трансгенного сорта, а иногда даже быстрее. Для того, чтобы не проиграть в эволюционной гонке вооружений, необходимо разработать «прикладная биология эволюционная» (см.: Насекомые-вредители защищаются от биологического оружия, «Элементы», 08.10.2007).

Уже разработаны несколько стратегий, которые позволяют замедлить распространение резистентности в популяциях вредителей. Один из подходов — возделывать небольшие участки незащищенные растения, потому что на этих сайтах, отбор благоприятствовал насекомых, не имеют средств защиты от яда. Тот факт, что производство устойчивость к яду, как правило (хотя не всегда) сопровождается негативных побочных эффектов, следовательно, в конкуренции, чтобы не быть отравлены растения, устойчивые к насекомым теряют неустойчивым. Но это требует от фермеров до определенного уровня грамотности и даже альтруизма: не все согласны с тем, чтобы превратить часть их положить в питомник для вредителей. Другой подход состоит в том, чтобы заставить растение производить больше различных токсинов, направленные против тех же вредителей. В конце концов, можно просто часто менять токсинов. Но где взять столь различных токсинов, каждый из которых также должен иметь узконаправленным действием и не наносят вреда никому, кроме определенной группы насекомых?

Американские биоинженеры Гарвардского и Корнелльского университетов и Monsanto опубликовала в журнале Nature статью, в которой они описывают новый хитроумный метод, который позволяет, с помощью искусственного быстрое развитие получают новые модификации Bt-токсинов, характеризуются свойства.

На поверхности клеток кишечного тракта насекомых есть много целей для Bt-токсинов (различных белков-рецепторов), но не все из них используются существующие в природе Bt-токсинов. Таким образом, вы можете попробовать, чтобы изменить ту часть аминокислотной последовательности токсина, который служит для распознавания рецептора-мишени, так, что токсин начал общаться с любой другой приемник. В остальном, токсин может оставить без изменений. В результате, мы, вероятно, будем иметь новый токсин, который будет так же эффективно разрушает мембраны клеток кишечника, но и взять и он будет на других мелких белков этих клеток. Известно, что устойчивость насекомых к Bt-токсинов, как правило, развиваются за счет мутаций, меняющих соответствующий поверхностный белок или вообще не отключающих его выражение (без белков-рецепторов может жить, но, с продырявленными клетки эпителия кишечника — нет). Таким образом, изменяя специфичность токсина (что делает его, чтобы признать, другой приемник), может быть преодолена, вызванного насекомыми сопротивления.

Но как изменить специфичность токсина? Для этого необходимо не один и не два, а много аминокислотных замен. К сожалению, современные знания о связи последовательности аминокислот белка и функциональность по-прежнему недостаточно, чтобы просто взять и разработать требуемый белков на бумаге или на компьютере. Таким образом, лучшим методом остается «дарвиновская эволюция в пробирке», то есть случайные мутации и отбор. Природа также не могли изобрести что-то лучшее. Тот же общий принцип использует и иммунной системы позвоночных для производства антител, избирательно связывающихся с определенным антигеном (см.: мутагенез в лимфоцитах — результат целенаправленной, изменения ДНК и последующей «неточной ремонт», «Элементы», 03.09.2007).

Для того, чтобы получить новые токсинов, авторы изменена недавно изобретенную технологию «постоянно развивается, с помощью фагов» (фаговая технология continuous evolution, МИР, см: Kevin M. Esvelt, Jacob C. Carlson & David R. Liu, 2011. System for the continuous directed evolution of biomolecules). Суть метода МИРА в том, что бактерии дополнить небольшой дополнительной хромосомы (плазмиду, в рис. 1 обозначается буквами НС), который содержит ген вирусные белки pIII (M13 генов III). Этот белок необходим для размножения вируса-бактериофага. В этом регуляторную область гена конструируют таким образом, что ген тревоги только при наличии в клетке белков, которые обладают определенными свойствами (Evolving протеин на рис. 1). Затем заражает бактерии бактериофагами (СП), которые не имеют свой собственный ген pIII. В геноме фагов представил поставки: ген этого «эволюционного белка», которые исследователи хотят изменить путем искусственной эволюции (Evolving генов). Все происходит в проточном аквариуме с постоянным войти новые бактерии, которые вымываются оттуда быстрее, чем успевают размножиться. Фаги, однако, размножаются быстрее бактерий, поэтому в системе МИРА, эволюция только гены вирусные, а не бактериальные, а не плазмиды. Селективное преимущество получают те фаги, которого «эволюционирующий ген» предлагает наиболее эффективные производства белка pIII, закодированы на плазмиде AP. Для регулирования скорости мутагенеза в клетках бактериальных добавить еще плазмиды, МП. Она содержит генетический дизайн, который позволяет регулировать темп мутирования, изменяя концентрацию сахара арабинозы в среде.

Главное преимущество этой технологии заключается в том, что она позволяет эволюции в автоматическом режиме, в течение нескольких поколений подряд. На сегодняшний день, развитие новых белков методом искусственной эволюции, как правило, требовали вмешательства человека на каждом шагу: сначала нужно размножить исходный ген, внося в него случайные мутации, затем синтезировать белки, подальше от них лучшее, отсеквенировать ген, опять же, умножается на мутации и так далее Процесс кажется очень трудоемким, и, следовательно, дело чаще всего ограничивалось только несколько поколений репликаторов. Между тем, более серьезные эволюционные изменения необходимо, как правило, много поколений. Ранее, удалось частично автоматизировать эволюции рибозимов (см.: Эволюция под управлением компьютера, «Элементы», 12.04.2008), но в эволюции белков эта технология переносит тяжело. То, что биологи теперь могут делать вирусы более быстро эволюционирующие репликаторы в природе — в автономном режиме «изобретать» нужные человеку белки, это, безусловно, впечатляющее достижение.

Тем не менее, система МИРА до сих пор не был использован для получения белков, избирательно связывающихся с другими белками.

Авторы поставили целью получения новой модификации широко используются в генной инженерии Bt-токсин Cry1Ac, которая связывалась бы с приемником TnCAD бабочки металловидки серый (Trichoplusia ni, см: Капуста looper) — опасный вредитель. Природный токсин Cry1Ac, доступна из бактерии Bacillus thuringiensis, не связывается с рецепторами TnCAD, а бабочки T. мы уже успели развить устойчивость к этому токсину.

Система МИРА была изменена следующим образом (рис. 1). В бактериофаг (СП), в качестве «эволюционный ген» введен ген белка, который представляет собой поле токсин Cry1Ac, служащий для распознавания рецепторов хозяйской клетки, к которому подключен один из частей (подразделений) бактериальной РНК-полимеразы. В плазмиду AP перед геном белка pIII (которые, как мы знаем, является необходимым для размножения вируса) введена регуляторную зону, которая содержит участок ДНК (синий прямоугольник на рис. 1, а), признал, специальные ДНК-связывающих белков (он описывается как четыре синий и голубой-круги на рис. 1, а). В плазмиде также ген, кодирующий ДНК связывается с белками, в сочетании с «целевой» (target) — фрагмент рецептора TnCAD бабочек вредителей. Таким образом, для запуска выражение pIII, белка Cry1Ac, закодированные в геноме фага, должны присоединиться к «цели». Затем, на пришитом к нему фрагмент РНК-полимеразы соберется все многокомпонентная бактериальной РНК-полимеразы, который будет раз в нужном месте для выполнения перерегистрации pIII и производить белок, необходимый для размножения вируса. В итоге размножиться будут только вирусы которых Cry1Ac немного прилипает к TnCAD. Более мощный, он будет придерживаться, тем быстрее будут размножаться вирусы.

Однако рецепторы TnCAD так мало похожи на натуральные целевой токсин Cry1Ac, что последний к нему вообще не прилипает, так что выбор в начале, не поймать. Попытки использовать сразу TnCAD в качестве мишени не увенчались успехом: ни один вирус не успел размножиться. Затем, авторы изготовлен «промежуточной ступени» для синтетической эволюции: модифицированный вариант TnCAD, в котором три аминокислоты были заменены так, чтобы ключевое поле белка, распознаваемый Bt-токсинов, стала больше как природные целевой Cry1Ac.

Это помогло, и 276 часов эволюции (что соответствует то же количество поколений фагов, потому что смена поколений у них происходит примерно каждый час) удалось вывести несколько вариантов, Cry1Ac, уверен, прилипающих к modified TnCAD. После этой цели был заменен на нормальный TnCAD, и позже еще 252 часов были получены функции Cry1Ac, связывающиеся эффективно с этим приемником.

От источника Cry1Ac нас различные токсины, 10-12 аминокислотными заменами. Это много: чтобы получить такие белки, без помощи МИРА, руководство для размножения генов и выбор белка на каждый шаг, было бы чрезвычайно трудно.

Однако, это не было еще окончательной победы. Полученные белки, связанные с TnCAD, но и сохранили ли они его смертоносность для бабочки-вредителя? Как оказалось, не. Эксперименты показали, что новые белки и потеряли устойчивость к проблемы ферментам гусениц: они просто разрушаются в кишечнике и почти не имеют токсического действия.

Этот результат был вполне ожидаем. Поскольку в ходе искусственной эволюции выбор был только на способность Cry1Ac, чтобы связываться с рецепторами TnCAD, а также и все другие свойства белка игнорировались. Чтобы все-таки получить эффективный токсин, авторы были вынуждены «списать» закрепились мутации по одной и смотреть, как это будет влиять на токсичность. В конечном итоге было установлено, что на ранних стадиях синтетической эволюции, когда в качестве мишени был использован еще не настоящий TnCAD и модифицированный вариант, эволюционный Cry1Ac на якоре две аминокислотные замены, которые и сделали белка уязвимы пищеварительных ферментов гусениц. Когда ученые удалили эти замены (то есть восстановить работоспособность соответствующих аминокислот в исходное состояние), доказали свою эффективность токсин, убивающий любого гусеницы Т. ni: как устойчивы к код Cry1Ac, так и неустойчивых. Смертоносность новый токсин, к устойчив бабочек была сопоставима с токсичностью источник Cry1Ac к — бабочек, еще не выработавшим устойчивость к Cry1Ac. Таким образом, приобретенную вредного сопротивления удалось успешно преодолеть. Новый токсин убивает только гусеницы Т ni и ряд близких видов бабочек, который похож на телефон, но безвредные для остальных животных.

Исследование показало, что, в вечной битве человека с насекомых на урожай, мы-все-таки есть, что противопоставить быстро эволюционной вредителей. Предоставляя услуги быстро эволюционирующие вирусы, человечество сможет, по крайней мере, на равных участвовать в эволюционной гонке вооружений с насекомыми-фитофагами. Вероятно, в настоящее время, производство ГМ-растений с новыми свойствами белков может быть поставлен на поток, который позволит значительно увеличить производительность сельского хозяйства на глобальном уровне. Учитывая, что население Земли, в середине этого века будет приближаться к отметке в 10 млрд. евро, стоимость новой технологии трудно переоценить.

Источник: Ahmed H. Badran, Victor M. Guzov, Цин-Хуай, Мелисса M. Kemp, Prashanth Vishwanath, Венди Каин, Autumn M. Резонанс, Artem Evdokimov, Фархад Moshiri, Keith H. Turner, Пинг Ван, Томас Malvar & David R. Лю. Continuous evolution of Bacillus thuringiensis toxins overcomes insect resistance // Природа. 2016. Ст. 533. P. 58-63.

См. также:

1) трансгенный хлопок помог китайским крестьянам победить опасного вредителя, «Элементы», 20.09.2008.

2) Насекомые-вредители защищаются от биологического оружия, «Элементы», 08.10.2007.

3) Б. В. Чуб. Растения-ГМО.

4) А. Ю. Панчин. ГМО — мифические опасности.

Александр Марков