Ученые с помощью технологии CRISPR/Cas9 хотят отключить гены сои, отвечающие за выработку белков-блокираторов, которые вызывают несварение желудка. Новое исследование направлено на создание легкоусвояемых соевых продуктов, однако ставит вопрос о выживании растений без их природной защиты.
Семена сои заслужили репутацию настоящих природных хранилищ высококачественного растительного белка. Но чтобы этот белок принес пользу организму человека или животного, он должен правильно расщепиться в желудке под действием особых пищеварительных ферментов — протеаз. Однако в процессе эволюции соя, как и многие другие растения, выработала хитрую систему самообороны. Она создала целый арсенал ингибиторов протеаз — специальных соединений, которые блокируют работу пищеварительных ферментов, не позволяя белку нормально усваиваться.
Сое абсолютно невыгодно, чтобы ее семена съели и полностью переварили. Если сочные плоды (например, яблоки или вишню) растения создают специально для привлечения животных, чтобы те съели мякоть, а твердую косточку выплюнули или перенесли в желудке в другое место для размножения, то с семенами злаков и бобовых все работает совершенно иначе.
Семечко сои — это не «приманка», а зародыш нового растения. В нем сконцентрированы все самые ценные питательные вещества и белки, которые родительское растение бережно накопило для того, чтобы весной этот зародыш смог прорасти, пустить корни и выжить. Если животное или человек съедает и полностью переваривает семя сои, зародыш погибает, а значит, с точки зрения эволюции, растение оставляет меньше потомства.
Главными выступают так называемые ингибиторы трипсина, которые сосредоточены в определенной белковой фракции семян.
Среди них выделяются два главных «виновника» плохой усвояемости: ингибитор Кунитца и ингибитор Боумена-Бирка. Обладая мощной антитриптической активностью, они буквально связывают ферменты в кишечнике. Именно из-за этого высокого уровня токсичной защиты сырую сою нельзя просто так употреблять в пищу или использовать как корм для скота. Прежде чем отправить бобы на стол или в кормушку, их приходится долго варить или обрабатывать другими сложными термическими методами.
Разумеется, ученые и аграрии давно мечтают избавить сою от этих нежелательных качеств, чтобы сделать ее изначально безопасной. Идея устранить или хотя бы снизить уровень вредных ингибиторов с помощью селекции выглядит крайне перспективно, но на этом пути биологи столкнулись с серьезной природной преградой.
Оказалось, что в существующем мировом генофонде сои просто нет растений, у которых бы полностью отсутствовал ингибитор Боумена-Бирка — природа не создала таких мутаций. Попытки выводить сорта, у которых отключен только ингибитор Кунитца, не дают нужного практического эффекта, ведь второй защитный белок продолжает исправно выполнять свою блокирующую работу.
Сегодня канадские исследователи рассматривают два параллельных пути для решения этой проблемы.
Первый — классическая селекция, где ученые проводят скрещивание определенных перспективных линий сои, известных в каталогах под номерами IT105782 и PI 547656. Чтобы не действовать вслепую, селекционеры применяют современные молекулярные маркеры и высокоточный ПЦР-анализ, который помогает быстро выявлять нужные гены в потомстве растений.
Второй, гораздо более технологичный путь — использование системы генетического редактирования CRISPR/Cas9, знаменитых «молекулярных ножниц». Генетическое редактирование дает ученым значительное преимущество. С помощью этой технологии можно одновременно «нокаутировать», то есть выключить, ключевые гены обоих вредных ингибиторов прямо в ДНК растения. Классическим скрещиванием добиться такого результата невозможно, так как природного донора без ингибитора Боумена-Бирка не существует.
Кроме того, точечное редактирование позволяет избежать неприятного эффекта «генетического сцепления», когда вместе с полезным признаком от донора к новому сорту случайно переходят другие, вредные и ослабляющие растение гены.
Тем не менее, задача остается сложнейшим вызовом. Семейства генов, отвечающих за эти ингибиторы, обладают высокой функциональной избыточностью и способностью компенсировать работу друг друга — если отключить один, его функции тут же берет на себя соседний ген. Ситуация усложняется тем, что последовательности этих генов очень похожи между собой. Из-за этого «молекулярным ножницам» трудно работать ювелирно, возникает риск задеть другие важные участки ДНК.
Наконец, сам процесс внедрения новых генов в сою с помощью специальных агробактерий сильно зависит от конкретного сорта, и далеко не каждая линия сои поддается такой процедуре.
Для того чтобы успешно контролировать результаты работы и точно измерять уровень активности ингибиторов в новых поколениях сои, ученые используют современные микротитровальные планшеты по международным стандартам. Эта лабораторная методика признана одной из самых практичных и точных для масштабных селекционных программ.
Вместе с тем, создавая «идеальную сою», ученые призывают к осторожности. Лишая растение его естественной химической защиты, мы можем сделать его уязвимым перед болезнями, вредителями и климатическими стрессами. Изучение этих потенциальных рисков и поиск разумного компромисса между питательностью белка и выживаемостью самого растения станут главными задачами для будущих научных исследований по сое, так как раньше этому аспекту уделялось незаслуженно мало внимания.