Как вырастить трансгенную репку в домашних условиях

ГМО. Три буквы, пугающие обывателей и вдохновляющие ученых. Кто-то боится, что из-за трансгенной пищи мы станем бесплодными и вымрем, а кто-то грезит о возможности накормить весь мир и навсегда победить авитаминоз. Страхи эти большей частью необоснованны, а мечты - пока не реализованы. Но сделать первый шаг к воплощению жутких кошмаров или смелых фантазий можно уже сегодня - в продаже появились наборы для домашней генной инженерии. Самое время собирать рецепты в "Поваренную книгу юного биохакера"! Для начала опишем один сказочный рецепт использования биотех-набора, основанный на реальной истории создания трансгенной сои. Только наша история про репку трансгенную будет.

Зачем все это?

Стоит задавать этот вопрос перед началом любого более-менее осмысленного дела. А если дело - выведение генетически уникального организма, то и подавно. Хотите вывести розы, что сражают ядами - блокаторами дыхательной цепи каждого, кто укололся об их шипы, - да будет так. Подумываете вывести репу, без рыб рыбий жир производящую, - мы только поддержим. Поскольку редакция наша за мир во всем мире, остановимся на варианте с репкой.

Чьи гены пересаживать будем?

Чтобы репка наша рыбий жир производила, можно попробовать пересадить ей ген лосося, что кодирует белок, что омега-3 жирные кислоты* производит. Но, вполне возможно, у лососей производство полезного жира зависит от целого каскада белков и пересаживать придется сразу десяток генов. А возможно, и белки лосося несовершенно будут работать - слишком уж разная биохимия. Для поиска идеального донора генов придется прошерстить мириады страниц научных статей. И, как часто бывает, кто ищет, тот находит. Известны науке растения такие, что омега-3 жирные кислоты производят. Есть об этом статья, а в ней пишут, что у некоторых примул (широко известных под именем первоцвет) в цветках встречаются два белка, ответственных за производство омега-3 жирных кислот. Известны и гены, что кодируют в примулах эти белки. И встречаются эти гены еще у грибов рода нейроспора. Но примула репке более близкая родня, оттого и донором первостепенным ее выбрать стоит.

^{*Омега-3 ненасыщенные жирные кислоты - этим длинным словосочетанием химики называют органические кислоты, имеющие двойную связь после третьего с конца атома углерода. Омега-3 кислоты могут иметь двойные связи и в других позициях, тогда их называют полиненасыщенными. Эти жирные кислоты необходимы для здорового роста, развития и функционирования нашего организма. Их недостаток связывают с развитием клинической депрессии, отложением холестериновых бляшек, а регулярное потребление - с увеличением продолжительности жизни. Наши собственные клетки вырабатывать омега-3 жирные кислоты не умеют, поэтому их необходимо употреблять с пищей. В большом количестве они содержатся в жире морской рыбы.}

Экспедиция за генами

Донор генов для репки, что веганов мира всего рыбьим жиром нерыбьего происхождения снабдит, обитает в предгорьях Кордильер. Придется отправиться за генами в путешествие. Только не спешите паковать чемоданы - сначала посадите репку, чтобы было куда гены потом пересаживать. Посадили? Отлично, можно лететь за примулой-донором. Не забудьте вооружиться канцелярским дыроколом, маленькими стерильными пробирками-эппендорфами и 70%-ным раствором спирта. Этот набор можно назвать "starter pack юного генного инженера". Глобальная база биоразнообразия GBIF* расскажет нам, где донор генов прячется, где и когда его в последний раз заметили, - начните поиски с этой локации. И, о чудо - удача с первой попытки! Перед вами заветный первоцвет. Не теряйте самообладания: твердой рукой берите дырокол и хладнокровно дырявьте им лист. В листе осталась дырка, а в дыроколе - кружочек. Этот кружочек нужно положить в ту маленькую пробирку, что с собой захватили, да залить все спиртом.

^{*GBIF - база данных, в которой зафиксировано, какой вид организмов где и когда был встречен. С помощью GBIF можно найти хоть кашалота, хоть иерихонскую розу.}

Три волшебные буквы

Отобранный кружочек содержит несколько тысяч клеток. В каждой клетке - по копии заветного гена. Только как его оттуда извлечь? Для этого генетический материал отправляют на три нашумевших буквы - ПЦР*. Реакция эта позволяет сделать мириады копий любого фрагмента ДНК, нужно лишь правильно ингредиенты подобрать. Кидаем в котел правильно подобранные праймеры, фермент-полимеразу да нуклеотидов запас. Последний штрих - тщательно измельчаем кружочек из дырокола и отправляем в ПЦР-котел. Там происходит магия: праймер ищет в геноме донора комплементарный участок и связывается с ним, образуя этакую взлетно-посадочную полосу для ДНК-полимеразы. Полимераза видит праймер, садится на него и начинает клепать копию вожделенного гена. На разных стадиях процесса вы то нагреваете, то охлаждаете пробирку, в которой творится эта молекулярная алхимия.

^{*ПЦР - полимеразно-цепная реакция. Изобретение 1980-х, которое принесло своему автору Нобелевскую премию по химии. Эта реакция - один из самых быстрых и эффективных способов получить неограниченно большое количество копий нужного гена. Схема реакции достаточно проста. Сначала необходимо подобрать участок ДНК, начиная с которого необходимо "копировать" фрагмент ДНК и синтезировать праймер - короткий одноцепочечный фрагмент ДНК, комплементарный (помните школьную мантру А-Т, Г-Ц?) этому участку-мишени. С помощью праймера фермент ДНК-полимераза, отвечающий за копирование ДНК, "понимает", какой именно ген в длинной цепочке служит ее целью. Для наглядности можно представить, что ДНК - большая книга, ген - небольшой параграф, праймер - закладка, а ДНК-полимераза - копировальный аппарат. Не хватает только чернил (если угодно, бумаги), которые и составят копию. Ими служат нуклеотиды - структурные единицы (те самые А, Т, Г и Ц), буквы той самой ДНК-книги, копию фрагмента которой нужно сделать с помощью ПЦР.}

Волшебная палочка

Теперь настало время достать волшебную палочку. Не бузинную, а палочковидную бактерию Agrobacterium tumefaciens - главного союзника генного инженера. Строго говоря, эта бактерия тоже генный инженер. Она умеет встраивать в геном растений гены из своей плазмиды*, что вызывает образование опухолей, клетки которых производят питательные для этих бактерий вещества. Ученые научились подсовывать агробактериям в плазмиду гены, которые сами хотят встроить в растения. С помощью набора ферментов перекраиваем плазмиду: вставляем туда наработанный из примулы ген, подшиваем пару генов, обеспечивающих устойчивость к антибиотикам у бактерий, и еще один - устойчивость к третьему антибиотику у растений. После молекулярной кройки делаем множество копий нашей плазмиды с помощью кишечной палочки E. coli** (они это делают почти сами и весьма охотно). Затем подсовываем плазмиды тем клеткам Agrobacterium tumefaciens, что не успели обзавестись собственными плазмидами. Убиваем антибиотиками, резистентность к которым зашивали в плазмиду, бактерий, коих не удалось модифицировать. В результате выживут только устойчивые - те, которым пересадили ген рыбьего жира. Дальше можно пересаживать его в репку.

^{*Плазмида - это небольшая молекула ДНК, обособленная от основного генетического материала, заключенного в хромосоме. У людей их нет, а вот у бактерий частенько встречаются.}

^{**E. coli - излюбленный питомец микробиологов, биотехнологов, генетиков и представителей других отраслей биологии. Именуется эшерихией (лат. Escherichia) в честь Теодора Эшериха, микробиолога из тогда еще Австро-Венгрии. Сам Эшерих выделил ее из фекалий здоровых людей и окрестил Bacterium coli, то есть кишечной палочкой в переводе с латыни. За пределами научного мира ее до сих пор так частенько называют.}

Пересадка генов

У нас был донор гена - ХХХ. Вектором-посредником мы выбрали агробактерий. Теперь настала пора подготовить реципиента - репку. За время путешествий и молекулярных манипуляций она успела вырасти. Но нельзя просто так взять и пересадить ген в репку. Нужно выделить из нее каллус. Так называются стволовые клетки растений. Для этого берем стерильный скальпель и надрезаем стебель. Вскоре на нем появится зеленоватая вязкая жидкость - это и есть каллус. Его надо пересадить на питательную среду. А затем подсадить к культуре каллуса еще и агробактерий. И сделать это 20 раз подряд: высадить 20 чашек каллуса, да чтобы погуще, и подсадить бактерий во все. В засеянных чашках Петри рождается страсть, которой лучше не мешать.

Выждали. Если работали не слишком стерильно, то в некоторых чашках заведется плесень или еще чего странное - на утилизацию. Оставшиеся, с виду не заросшие чашки Петри обрабатываем всеми тремя антибиотиками. В нескольких чашках Петри все опять погибает - на утилизацию. Но в паре чашек жизнь продолжает теплиться - там-то, видимо, генная модификация прошла успешно. Пересаживаем трансгенные стволовые клетки на новые и новые чашки Петри, заставляем их делиться, а после трансформироваться в полноценное растение. Для этого им в чашку нужно подмешать немного гормонов - ауксинов и цитокининов*.

Вот потихоньку из бесформенной клеточной массы начинает вытягиваться трансгенной репы росток. Будет он большой да сильный, и рыбьего жира в нем станет и на дедку, чтобы сердечно-сосудистыми не болел, и на бабку, чтобы нервная система была в порядке, и болявой внучке для иммунитета. А жучка ГМ-репу вряд ли оценит, ибо хищница.

^{*Ауксины и цитокинины - у растений, как и у животных, существует гормональная регуляция. Две основные группы фитогормонов - это ауксины и цитокинины. Их действие сложно и многогранно, особенно в различных комбинациях, но если сильно упрощать, то первые (то бишь ауксины) способствуют апикальному росту (то есть побегов вертикально вверх, а корней - вниз), а вторые (то бишь цитокинины) росту вширь. Чтобы вырастить из аморфной массы трансгенных стволовых клеток нечто похожее на репку, клеткам нужно подсказывать, как и в каком направлении им делиться. Гормоны и будут посредником в этих переговорах.}

Сказки сказками, но в магазинах западных уже продают наборы для домашней генной инженерии. В них, как правило, включают и компактные центрифуги, вращающиеся с частотой 10 тысяч оборотов в минуту, и приборы для ПЦР с контролем температуры, и автоматические пипетки с набором разовых наконечников, и чашки для выращивания клеток, и культуры бактерий-векторов… И это лишь первые несколько позиций из огромного перечня оборудования, что включают эти наборы. Ценник, кстати, не слишком сказочный. Собрать домашнюю лабораторию обойдется в тысячу-другую долларов.