Ученые выяснили, что технология «генетической застежки-молнии», ранее разработанная в лаборатории для борьбы с вредителями, имеет аналог в природе. Так, растение смолосемянник выделяет на листья короткие последовательности ДНК, которые, подобно зубьям молнии, связываются с жизненно важными молекулами в клетках насекомого и убивают его. Открытие подтверждает, что существующие на сегодняшний день ДНК-инсектициды — не только эффективно работающий, но и естественный и безопасный для природы механизм борьбы с вредителями. Более того, природная «генетическая застежка-молния» может лечь в основу более простых в получении инсектицидов на основе ДНК. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в International Journal of Molecular Sciences.
В рамках этой технологии специалисты искусственно создают короткую последовательность ДНК, которая, попадая в клетки организма насекомого посредством прямого контакта, подобно зубцам молнии, прочно соединяется с рибосомальными РНК — молекулами, без которых невозможен синтез белков. Поскольку РНК, связанные с искусственными ДНК, больше не могут выполнять свои функции, вредитель гибнет. Такой подход уже используется в экспериментальных препаратах для борьбы с клопами, трипсами и клещами. Его преимущество состоит в том, что короткие ДНК специфичны — они убивают только насекомое, на которое их «нацелили» биологи, и оказываются безопасны для любых других организмов.
Исследователи из Крымского федерального университета имени В.И. Вернадского (Симферополь) с коллегами впервые обнаружили, что в природе существует механизм, очень похожий на искусственно созданную технологию «генетической застежки-молнии».
Сначала авторы заметили, что на листьях вечнозеленого кустарника смолосемянника обыкновенного (Pittosporum tobira) насекомые-вредители гибнут чаще, чем на других растениях. Поэтому биологи предположили, что растение имеет какой-то природный механизм защиты, и взяли этот вид для исследования.
Оказалось, что на листьях смолосемянника есть так называемая внеклеточная ДНК — небольшие молекулы генетического материала, которые растение хранит не в ядрах клеток, а выделяет на поверхность. Интересно, что эти короткие молекулы состоят всего из одной цепи, тогда как обычная ДНК растений представляет собой двойную спираль.
Поперечные срезы листьев смолосемянника. (А, В, С): ssNA (красный цвет) — слой одноцепочечной нуклеиновой кислоты; dsNA (зеленый цвет) — слой двухцепочечной нуклеиновой кислоты; D — обработанные РНКазой перед окрашиванием; E – обработанные ДНКазой перед окрашиванием; F — обработанные ExoI перед окрашиванием. Источник: Oberemok et al. / International Journal of Molecular Sciences.
Биологи нанесли раствор с этой природной ДНК на личинок ложнощитовки — опасного вредителя цитрусовых и декоративных растений. Препарат оказался сильным инсектицидом: спустя четыре дня после обработки погибло около 80% насекомых.
Затем авторы изучили механизм такого эффекта. Оказалось, что ДНК-инсектицид проникает в клетки вредителя и связывается с рибосомными РНК, что нарушает синтез белков, а также подавляет работу важных для жизнедеятельности ферментов. Таким образом, природные внеклеточные ДНК работают точно по принципу «генетической застежки-молнии».
«Одним из самых неожиданных открытий стало происхождение внеклеточной защитной ДНК. Оказалось, что ее последовательности взяты из ДНК хлоропластов — структур, отвечающих за фотосинтез. Можно предположить, что, когда растение "замечает" вредителя, оно "жертвует" хлоропластами, чтобы расщепить их генетический материал на мелкие защитные ДНК и уберечь листья от повреждения», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Владимир Оберемок, доктор биологических наук, заведующий кафедрой общей биологии и генетики Крымского федерального университета имени В.И. Вернадского.
Проведенное исследование позволило не только найти природную основу лабораторно созданной технологии, но и дало дополнительный инструмент для получения новых безопасных инсектицидов: используя последовательности защитных ДНК смолосемянника, специалисты смогут быстрее разработать ДНК-препараты с повышенной эффективностью.
«Пестициды на основе коротких последовательностей ДНК перспективны как в качестве самостоятельных средств контроля численности вредителей, так и в составе комплексных биопрепаратов, способных защитить урожаи сельскохозяйственных культур без вреда для природы и человека. Сейчас мы планируем зарегистрировать в стране и мире первый препарат для защиты растений, основанный на данной технологии. Это важно для внедрения инструмента в реальную практику, поскольку ранее предложенные препараты еще не были зарегистрированы, а потому используются только экспериментально», — подводит итог Владимир Оберемок.
Авторы отмечают, что разрабатываемый ими ДНК-инсектицид «нацелен» на связывание с рибосомной РНК вредителей, так как она составляет 80–85% всей РНК клетки, а потому служит удобной мишенью. Поскольку у каждого организма есть свои уникальные последовательности рибосомной РНК, используя их в качестве мишеней, можно создавать избирательные препараты.
В исследовании принимали участие сотрудники Никитского ботанического сада (Ялта), Цзилиньского сельскохозяйственного университета (Китай) и Университета Билькент (Турция).
Источник: пресс-служба Российского научного фонда.
На заглавном фото: участники исследовательского коллектива. Источник: Владимир Оберемок / КФУ имени В.И. Вернадского.
