В научной среде геномное редактирование стало магнитом для грантов, публикаций и цитирований — святой троицы современной науки. Причина столь значительного интереса лежит в недавнем открытии и совершенствовании технологии CRIPSR/Cas9, простого средства, сделавшего геномное редактирование доступным для большей части биологических лабораторий по всему миру. За 4 года с момента дебюта CRIPSR применили для редактирования клеток человека, злаков, насекомых (например бабочек), дрожжей и многих других.
До CRIPSR было практически невозможно создать мутацию только в целевом гене и сделать это с относительной легкостью. Неспециалисту достаточно сложно объяснить насколько продвинут CRIPSR по сравнению с более ранними техниками редактирования генома; это можно сравнить с технологическим скачком от предков двигателей к ДВС. Конечно же весь этот разговор о целевых мутациях поднимает вопрос «а зачем бы нам вообще это делать?».
С того момента, как стал известен геном человека, биологам удалось узнать много нового о генетике болезней. Например мы знаем, что болезнь Хантингтона (неизлечимое генетическое расстройство) вызвана слишком большим количеством C-A-G оснований в последовательности гена HTT. Или что серповидно-клеточная анемия вызвана одной заменой A->T в гене гемоглобина (белка, делающего кровь красной и связывающего кислород). Однако сделать с этим особо ничего нельзя, за исключением диагностики и генетических консультаций. Представьте себе фрустрацию, которую должно быть чувствуют доктора, зная причину болезни и не имея возможности ничего сделать. А с CRIPSR мы, возможно, сможем понять как правильно отредактировать эти гены и исправить мутации, вызвавшие болезни. И это лишь малая часть возможностей редактирования — не говоря уже об онкологических и вирусных заболеваниях.
Как и в случае любых новых биоинженерных техник прежде всего CRIPSR стараются применить для медицины. Но, хотя эти возможности стремительно разрабатываются в лабораториях по всему миру, до реального применения им еще далеко. А вот отрасль, которая может быть практически сразу изменена CRIPSR и редактированием в принципе это агротехнология.
Природная вариабельность
История геномного редактирования в сельском хозяйстве должна начинаться с рассказа об естественной генетической вариабельности и её пределах. Большая часть растений имеют весьма значительный процент общей ДНК; этот факт выглядит очевидным если посмотреть насколько много базовых физиологических функций (от фотосинтеза до размножения) объединяют разные виды растений (да и вообще говоря большая часть живых существ имеют достаточно много общей ДНК). Однако те же самые гены, даже внутри одного и того же вида могут отличаться; это отличие может быть и таким малым как замена одного нуклеотида на другой, так и таким крупным как потеря целого куска гена. Гены могут быть представлены в виде одной или более копии в геноме или же вообще отсутствовать (что тоже по сути мутация, только крупнее). Что я тут пытаюсь донести, так это то, что хотя очень многие гены одинаковы внутри видов и между видами, большинство из них все же имеют небольшие различия или мутации. Эти мутации в основном — результат эволюции и эти разные версии одного и того же гена называются аллелями. Это разнообразие аллелей может изменить функции генов самым разным образом — от его выключения совсем до изменения того, что собственно делает этот ген.
В таком ключе вся история сельского хозяйства — это попытки выбрать наиболее подходящие и отбросить менее полезные аллели для селекционной работы.
Обычно фермеры и селекционеры делают это мучительным и не самым эффективным образом — изучают большие популяции растений и скрещивают их друг с другом до тех пор, пока не получат растение, имеющее правильную комбинацию «полезных» аллелей разных генов. И естественно, что хорошо для одной популяции, может быть плохим для другой, что делает доступность генетического разнообразия очень важной.
Сохраняем разнообразие
Существование большого разнообразия и изменчивости аллелей является фундаментальным для процесса скрещивания. Фактически, без большого набора разных вариантов генетического материала скрещивание вообще не имело бы смысла (получалось бы одно и то же прим. пер.). Радует то, что фермеры и ученые понимают важность биоразнообразия и в примерно 1300 специальных хранилищах размещены семена примерно 6 миллионов вариантов (сорта и виды) растений. При всем при этом, сохранение вариабельности это не то же самое, что и ее использование. Селекционеры часто используют «диких» родственников культурных растений и старые результаты скрещиваний как источник новых аллелей, в то время как большое количество материала в семенохранилищах остается неописанным и неиспользованным.
Новая инициатива DivSeek (возглавляемая учеными и экспертами в области биоразнообразия из 65 организаций по всему миру) направлена на решение этой проблемы. DivSeek предполагает описание генома и фенотипа (того, как этот генотип реализован в конкретном растении) образцов, представленных в хранилищах и представление полученных данных в открытом доступе. Это очень амбициозный проект, даже выбор того, какие из миллионов образцов тестировать уже трудный вопрос. Побочными продуктами выполнения этой задачи могут стать 1) снижение цены секвенирования ДНК 2) автоматизированные пайплайны для изучения фенотипов с большой пропускной способностью и 3) распространение и обмен информации между фермерами. Это недавняя инициатива рассчитана на длительный срок и начала работу совсем недавно, но её успех может означать новую эпоху в исследовании разнообразия культурных растений.
Новое сельское хозяйство
Селекцию растений даже сейчас описывают в учебниках как “искусство и наука”. Во многом потому что зависит от навыков специалиста по селекции для выбора различных свойств растений — так называемый breeder eye. Еще традиционное скрещивание требует огромного количество времени и ресурсов, так как использует переборные подходы к поиску новых свойств растений и созданию видового разнообразия.
Во многом все происходит именно так потому что у нас есть пробелы в биологии определенных свойств, эти пробелы будут заполнены уже следующими поколениями биологов но, несмотря на отсутствие таких знаний в прошлом, это не помешало проделать потрясающую работу селекционерам по созданию разнообразных растений и увеличению урожаев.
История селекции растений представляет собой развитие от “черного ящика” к более полному пониманию того, что делает растение и как лучше использовать их уникальные свойства. Наши предки поняли что высаживание семян растений, которые имели больше фруктов или меньше заболеваний, давало им больший урожай в следующем сезоне, но они оставались слепы в вопросах биологии размножения. Значительно позже, в 17 веке, мы поняли больше о том, как растения воспроизводятся и начали проводить искусственные скрещивания. Вскоре после этого пришли Дарвин и Мендель давшие нам идеи естественного отбора и законы генетики и все это в течение 50 лет! И теперь, с недавним распространением -omics технологий, мы можем читать ДНК растений, изучать как каждый ген отвечает на различные условия среды и предсказывать насколько эффективно растение может производить химические вещества ради которых мы их и едим. Эти знания становятся еще более полезными в случае с геномным редактированием.
Как только селекционер или ученый нашел полезную аллель, с помощью геномного редактирования они смогут перенести его в другой сорт или даже вид растений практические немедленно, без необходимости получения серии поколений.
В будущем геномное редактирование может изменить процесс получения новых свойств (аллелей) как таковой. Геномное редактирование на базе CRIPSR может быть использовано для одновременного редактирования каждого гена в геноме растений (или каждого гена определенного типа — например R-гены которые отвечают за устойчивость к заболеваниям) таким образом создавая множество информации и потенциально открывая полезные аллели, которые можно вставить обратно в уже применяющиеся сорта растений. Настоящая же вершина редактирования генома с помощью CRIPSR заключается в возможности создания различных аллелей, отделенного от полового размножения.
Геномное редактирование может, как мне кажется, обеспечить plug-and-play модель селекции растений.
Селекционный пайплайн будущего будет по моим прикидкам похож на современные конвейеры. Взяв на вооружение данные из 1000 научных статей и инициатив таких как DivSeek, исследователи будут тестировать различные комбинации аллелей в модельных сортах растений напрямую редактируя их геном, возможно с помощью специалистов по предсказательному анализу и математическому моделированию. После отбора аллелей на основе этих результатов, ученые смогут использовать эти изменения на большом количестве немодельных сортов растений, провести тесты в поле и приступить к производству семян новых сортов. Хотя факторов, влияющих на процесс достаточно много, наибольший эффект в сельском хозяйстве даст уменьшение количества требуемых поколений для теста нового сорта. Иными словами более быстрое создание продукта.
Студенты изучающие иммунитет растений, знакомы с зигзагообразной моделью коэволюции растений и вредителей. Эта модель описывает гонку вооружений между растением и патогенами, которые его атакуют, причем многие из них быстрее приобретают эволюционные изменения нежели растение. Задача современного сельского хозяйства на это похожа. Индустрии надо прокормить увеличивающуюся популяцию людей, справиться с влиянием изменений климата ( увеличивающееся количество экстремальных природных явлений в короткой перспективе и глобальное изменения климата в более далеких перспективах) помимо этого справляясь с быстро-изменяющимися вредителями и все это с требованием к устойчивости получившейся системе.
Источник: http://www.nanonewsnet.ru/
