(Нет, не только чтобы побыстрее вас накормить)
Генетическая расшифровка показывает, в какой последовательности расположены нуклеотиды — «кирпичики» в составе ДНК. Расшифровки не только расширили наше понимание мира, но и оказались полезны на практике — в том числе в сельском хозяйстве.
Рассказываем, как появилась эта технология и чего добилась селекция растений благодаря ей.
Как всё началось
Первые селекционные эксперименты поставили наши предки. Они подмечали, какие плоды были более сладкие или крупные, а затем выбирали семечки именно из них и сажали, чтобы новый урожай был лучше предыдущего. Затем долгое время растения пытались скрещивать «вручную»: например, подсаживая черенок одного вида к другому. Кардинально селекция изменилась, когда в 1953 году биофизик и рентгенограф Розалинд Франклин и молекулярные биологи Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик открыли структуру ДНК.
Учёные выяснили, что в ДНК содержится подробная генетическая информация об организме — это стало прорывным открытием. Но ДНК мало прочитать: чтобы код стал полезен генетикам, последовательность нуклеотидов ещё нужно расшифровать. Делать это научились лишь спустя 20 лет.
В 1977 году биохимик Фредерик Сенгер придумал расщеплять различными химическими веществами микроорганизмы в пробирках, затем он разделял содержимое и фотографировал получившиеся фрагменты. Учёный вводил в пробирку четыре стандартных и четыре модифицированных нуклеотида: он изменял их так, чтобы разбить связь между нуклеотидами. Содержимое пробирок он разделял электрофорезом в специальном полиакриламидном геле. Затем Сенгер фотографировал результат — и по снимку изучал последовательность нуклеотидов.
Свой первый эксперимент Сенгер провёл на расшифровке полного генома бактериофага φX174 — одноклеточного ДНК-вируса из 5 тысяч спаренных оснований. Он выбрал его неслучайно: это один из простейших организмов, так что его получилось расшифровать даже с технологиями 1970-х. Но это было только начало. Успешно протестировав метод на бактериофаге, учёные переключились на более сложные организмы.
Позже метод Сенгера позволил расшифровать человеческую митохондриальную ДНК из 16 тысяч спаренных оснований. Это молекула, которая находится в «энергетических станциях» клеток и составляет 5% всего человеческого ДНК. В 1980 году за своё открытие Фредерик Сенгер получил Нобелевскую премию по химии.
Следующим значимым шагом стала расшифровка в 1996 году организма с клеточными ядрами — эукариота. Расшифровать смогли геном пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisiae — он состоял уже из 12 млн спаренных оснований. Расшифровка эукариотов позволила продвинуться в изучении растений и животных. Позже учёные расшифровали геномы овощей, фруктов и даже человека — он состоит из 3 млрд спаренных оснований.
Метод был трудоёмкий и неточный: образцы слипались, проанализировать их было сложно. С тех пор процесс сумели автоматизировать:
Молекулу ДНК разрезают специальными молекулярными ножницами по технологии CRISPR/Cas9: она представляет собой комбинацию специальных белков и молекул РНК, которые распознают и «разрезают» ДНК.
Частицы помещают в копировальное устройство, которое делает дубликат каждого сегмента. Из них составляют библиотеку ДНК.
Библиотеку загружают в компьютер-расшифровщик. Он анализирует миллионы полученных фрагментов, а затем собирает их в разных вариациях, учитывая правила совместимости нуклеотидов (в ДНК их четыре типа, и они могут соединяться друг с другом только определёнными парами).
Готовые вариации снова комбинируются — получается конечная последовательность.
Скорость такой расшифровки не слишком высока. И только в 2021 году учёные из Стэнфорда установили на тот момент мировой рекорд, расшифровав большую часть человеческого генома за 5 часов и 2 минуты.
В проекте «Геном человека» расшифровывали данные разных людей, поэтому готовая расшифровка — общая мозаика, не представляющая ни одного индивидуума. Польза проекта в том, что подавляющая часть человеческого генома одинакова у всех людей. Объём расшифрованного генома человека за 20 лет: каждый раз расшифровывали разные фрагменты генома. Жёлтым выделены 50% расшифровки, голубым — 90%, розовым — 99%, а чёрным — полностью расшифрованные сегменты.
Прогресс — заслуга нанопоровой расшифровки, открытой в 2021 году.
Образец помещают в специальное устройство с мельчайшими порами, и, пока фрагменты ДНК проскальзывают сквозь них, компьютер считывает их код. Таким образом прочитывается каждый нуклеотид.
Метод не требует расщепления ДНК и отдельного анализа нуклеотидов, а сама последовательность определяется всего по одной молекуле. Поэтому постепенно этот способ замещает прошлые.
При чём тут кукуруза
Детальки пазла из расшифрованных генов можно сочетать в необходимой последовательности, таким образом создавая новые — модифицированные — варианты растений. Специалисты могут вносить точечные изменения в геном растения — скажем, усиливать признаки, отвечающие за устойчивость к холоду и вредителям. Именно так уже улучшили кукурузу, сделав крупнее, слаще, сочнее и удобнее для чистки.
Расшифровка геномов необходима и для профилактики заболеваний. Генетики также расшифровывают разные патогены. На их основе создали препараты для обработки растений: чтобы зёрна, овощи или фрукты при перевозке не портились от попадания на них вирусов и бактерий.
Но определение последовательности нуклеотидов — лишь первый шаг к модификации. После генетиков свою работу выполняют селекционеры: изучают расшифровку и экспериментируют с разными изменениями — не все попытки могут увенчаться успехом. Экспериментальные сорта всегда тестируют на земле, и пока новый сорт не начнёт отвечать заявленной цели, могут пройти годы.
Что уже улучшили селекционеры
Предлагаем испытать удачу и принять участие в викторине. Пишите свои ответы в комментариях к статье, позже мы опубликуем ответы.
Викторина 1: угадайте, это геном какого растения?
Апельсин
Банан
Яблоко
Ананас
Викторина 2: что за овощ?
Картофель
Помидор
Лук
Сельдерей
Викторина 3: чьё зёрнышко?
Рожь
Кукуруза
Ячмень
Пшеница
Расшифровка геномов и последующая модификация растений способны создать сорта, менее требовательные к объёму воды и почв, но при этом даже более урожайные. Они пригодятся фермерам, если температура на Земле продолжит расти такими же темпами, как сейчас.
Есть и другой возможный тренд — выращивание искусственного мяса в пробирке. Если специалисты сделают его дешевле, то человечество не только сможет перестать выращивать скот в качестве еды, но и получит свободное пространство, которое сейчас занимают животноводческие фермы.
Комментарии (15)
Radisto
04.08.2023 08:16Боюсь, в 1953 году селекция кардинально не изменилась. Вы слегка преувеличиваете. И генные карты, и индуцированный мутагенез - то, что действительно кардинально изменило селекцию - было открыто и использовалось лет на двадцать - тридцать раньше. Именно эти данные и позволили предположить, что носителями генов являются крупные молекулы в противовес "ну что-то там распределено по всему организму" (сторонником чего был небезызвестный Трофим Лысенко)
rezedent12
04.08.2023 08:16Ну много что действительно распределено, это сейчас называется эпигенетикой. А Лысенко работал с культурными злаками, у которых этих эффектов очень много разных. Оппоненты Лысенко работали с плодовыми мухами, у которых эпигенетические эффекты сложнее различить. Конфликт с втягиванием в политику, начался с битвы за бюджет и попытки устроить травлю по партийной линии беспартийному (Лысенко в партии не состоял).
sim31r
04.08.2023 08:16Расшифровка геномов и последующая модификация растений способны создать сорта, менее требовательные к объёму воды и почв, но при этом даже более урожайные. Они пригодятся фермерам, если температура на Земле продолжит расти такими же темпами, как сейчас.
Тут отнесусь к этому скептично. Природа за миллиард лет эволюции уперлась в локальный или глобальный максимум оптимизации параметров. Селекция сводится к компромиссам. Улучшение одного параметра за счет неизбежного ухудшения других параметров. Скорее всего и тут достигнут максимум по оптимизации. Были же эксперименты на дрозофилах например, улучшить их без потери других качеств невозможно. Создавая более умную породу, что быстрее находит питание и лучше заботится о потомстве, теряется скорость роста, плодовитость, выносливость и т.п. в целом такая порода в естественных условиях уступит обычным мухам.
IvanPetrof
04.08.2023 08:16улучшить их без потери других качеств невозможно
Скорее - мы пока не нашли как. Мы умеем выделять гены, которые сильнее всего влияют на нужное нам свойство. Но проблема в том, что другие гены тоже оказывают влияние (пусть меньше, но влияют). Это похоже на регулирование температуры воды в умывальнике. Мы знаем, что крутя ручку горячей воды, меняется температура воды. Но одновременно с этим меняется и расход воды. Чтобы регулировать температуру и не затрагивать расход, мы должны крутить сразу две ручки (холодную и горячую).
В геноме таких ручек сотни. И их нужно крутить сразу несколько, если мы хотим изменить какое-то одно свойство, не затрагивая остальные. Мы пока умеем крутить по одной.
sim31r
04.08.2023 08:16Это всё нейросети умеют делать. Зная гены человека, предсказывают рост с точностью до 2 см.
Мы пока умеем крутить по одной.
При селекции обычной крутятся все сразу естественным образом. Только есть предел обусловленный ограничениями органической жизни к которому уже близко подобрались.
Radisto
04.08.2023 08:16+1Вряд ли подобрались. Есть много принципиально возможных, но нереализованных вещей, которые в ходе естественной эволюции были просто не нужны данному организму, ведь ему заботиться нужно было о самом себе, а не о двуногом примате, который будет его есть. Ничего принципиально не мешает расти злакам с более сбалансированным аминокислотным составом, только мы не знаем как, ничего принципиально запрещенного нет в рисе с С4-циклом углерода, только мы не знаем как, растениях, синтезирующих В12, только мы не знаем как, овощей и фруктов, нормально растущих в условиях невесомости, только мы не знаем как. Для всего этого не нужно подбираться к пределам возможного, внутри пределов еще достаточно нужного, чего еще не достигли.
sim31r
04.08.2023 08:16заботиться нужно было о самом себе
Заботится о себе оно набирая биомассу и накапливая энергию в плодах, для человека именно это и нужно.
По витамину B12 проблемы нет
https://habr.com/ru/companies/lifext/articles/491806/
Скорее всего, у вас нормальный уровень В12, если вы регулярно питаетесь животной пищей и чувствуете себя здоровым. Вегетарианцы и веганы могут обойтись без пищевых добавок, если будут ответственно подходить к подбору продуктов, обогащенных кобаламином. Однако такой «микроменеджмент» сложно поддерживать постоянно, поэтому мы рекомендуем принимать добавки приверженцам растительной диеты.
По поводу синтеза тоже проблема решена
Что по поводу растительной пищи: Наука не стоит на месте! Еду также можно ферментировать при помощи колоний этих бактерий. Соления полученые таким способом содержат в себе витамин B12. Разве это не круто? [11] Можно ли такую культуру купить? Автор статьи нашел! Вот например. Для ферментации подойдут бактерии: Lactobacillus plantarum, Lactobacillus acidophilus, Penicillium jensenii и Penicillium acidipropionici. А вот сами себя растения, увы, не ферментируют, а плотоядные виды пока еще не выведены. Так что людей, придерживающихся строгой веганской диеты спасут добавки и заботливо обогащенная витаминами пища!
мы не знаем как, овощей и фруктов, нормально растущих в условиях невесомости
Зачем? Пока не требуется. Кислород может хлорелла синтезировать. Растения нормально в невесомости растут на МКС, проблемы есть, но небольшие, семена например не понимают куда им прорастать, где верх, где низ
Radisto
04.08.2023 08:16Не все люди на планете могут позволить себе добавки и даже животную еду, к сожалению. Некоторые даже морковку к рису не могут себе позволить и страдают от дефицита витамина А (правда для них уже создали "золотой рис", но они его не едят, потому что боятся)
В космосе растения очень плохо растут, у них там все нехорошо с таксисом. Кормить космонавтов пока не получается. Биосфера замкнутого цикла не получается, потому что растения с земли хорошо приспособлены к биосфере Земли и плохо к чему-либо ещё. Ну и с фототаксисом неплохо бы что-то сделать: сейчас хлорофиллу нужен красный диапазон, а для нормального формирования растения под этот красный диапазон требуется синий. Понятно, что в условиях нашей планеты это было самое простое решение эволюции: свет только от солнца, а в нем всё равно есть всё. Теперь есть светодиоды, которые могут излучать в нужном диапазоне с гораздо большей эффективностью, чем во всем спектре, и вот эта синяя компонента отдельно не очень-то и нужна. Фототаксис на основе фотосинтетического красного ничего бы не ухудшил, но позволил бы растениям и в теплицах расти с меньшими затратами.
sim31r
04.08.2023 08:16Не все люди на планете могут позволить себе добавки и даже животную еду
Если причина перенаселение, то модифицированная еда не поможет, все равно при росте населения некоторых африканских стран по 30% в год они годом ранее или позднее попадут в ту же ситуацию. И наоборот, если бы в 1900 году всей планетой приняли бы программу как в Китае 1 семья, 1 ребенок, сейчас бы не было бы ни проблем с питанием, ни с потеплением, ни с похолоданием (ледниковым периодом что должен придти). Люди бы просто переезжали севернее или южнее, в климат где круглый год +21.
фототаксис на основе фотосинтетического красного ничего бы не ухудшил, но позволил бы растениям и в теплицах расти с меньшими затратами.
И что это даст? Повышение КПД на 20%? Принципиально это ничего не меняет. Вот клубнику зимой выращивают, стоит она не 300 руб как сезонная, а 2000 руб. Если сократятся затраты на освещения (сейчас светят светодиодами белыми, фитосветильники дороже и хуже для растений по опыту фермеров), то цена уменьшится на глазок на 1%, так как затраты энергии на освещение не основные. Там много ручной работы, есть затраты на отопление, опыляют шмелями специальными или вручную, лечат от вредителей клещами или пауками хищными, всё требует затрат денежных и ручного труда.
Вот еще вариант питания радиацией ))
...Учёные рассказали, что они держали грибки в условиях уровня радиации в 500 раз выше нормы и выяснили: прирост биомассы ускоряется втрое. А грибок из саркофага продолжает расти даже тогда, когда вокруг больше ничего питательного практически нет.
По мнению американских микробиологов, такое существование обеспечивает меланин — тот самый пигмент, от которого у нас загар, веснушки, розовые губы и так далее. Вот почему они чёрные. Учёные пояснили, что у молекул этого вещества много атомов с неспаренными электронами, то есть эти электроны вращаются не по два на одной орбитали, а по одному. Такие частицы — это свободные радикалы. А радиация — ионизирующее излучение, то есть оно выбивает из атома электрон, после чего он превращается в ион. Исследователи обнаружили, что под действием этого излучения от атомов меланина активно летят электроны, но это не приводит к гибельным последствиям — напротив, радиация превращается в другую, полезную энергию. Учёные даже сравнили этот процесс с фотосинтезом, за счёт которого растения питаются солнечным светом.
Antoxaxotna
04.08.2023 08:16Природа может и достигла своего "оптимума", но вам то этот "оптимум" не по вкусу. Небось, не предпочитаете грушу-дичку ? Потому что, у каждого свое видение оптимума. И если бы природа "хотела" создать сладкие и вкусные помидоры, или "лучших" дрозофил, то за сотню тысяч лет справилась бы, если б ей не мешали разные форс-мажоры. А раз форс-мажоров не избежать, то и выжили лишь те, кто к ним приспособился
sim31r
04.08.2023 08:16+1но вам то этот "оптимум" не по вкусу.
Может и по вкусу кстати. От сладких фруктов будет бросок сахара в крови, ожирение и риск диабета. Человек оптимизирован именно на такие дикие продукты. Вслед за оптимизацией фруктов, доступного сахара без ограничений, уже имеет смысл подумать об оптимизации человека. Хотя бы как в фильме Гаттака (1997 г.) показано. Если человек сам сможет вырабатывать витамин С (как собаки и кошки), требования к еде снизятся. Вплоть до пары ложек сахара и стакана белкового бульона в день.
А то что сладкие груши нам кажутся вкусными, это извращение вкуса. Организм пытается на уровне рефлексов наградить нас за получение сахара. Раньше это было основой выживания, сейчас путь к ожирению.
Radisto
04.08.2023 08:16+1К сожалению, человек не очень оптимизирован под дикие продукты. Мы родом из тропиков, и вокруг нас сейчас ужасающий дефицит того, подо что мы оптимизированы (нормальная еда приматов - это фрукты и насекомые, но вы вряд ли этим питаетесь), тем более что за прошедшие тысячелетия мы уже успели приспособиться под другую еду. Если вы принадлежите к белой расе, то ваша кожа - результат адаптации под бедную животной пищей (и бедную витамином Д) еду. А если вы нормально усваиваете молоко в зрелом возрасте, то у вас есть ещё одна совершенно не дикая адаптация к несвойственной приматам еде (для той же цели правда: уменьшить вероятность рахита в северном климате на скудной растительной диете, бедной животными продуктами). Не говоря уже о том, что основа питания большинства людей злаки, к потреблению которых у нас нет вообще никаких адаптаций и не было никогда ни в диком виде ни в недиком. Эта еда нееестествена полностью и без искусственной обработки (дробление, термическая обработка) малосъедобна. Если неандертальцы хотя бы могли самостоятельно разжевать ячмень (но даже они его вероятно варили), то у нас вообще все плохо в этом плане. Наша еда не вполне нееестествена, и мы к ней не очень хорошо приспособлены примерно с верхнего палеолита, а в неолите все стало примерно как сейчас
sim31r
04.08.2023 08:16Получается человек и прошел пол пути по оптимизации организма.
Только такой доступности еды ранее не было, и скорее всего в будущем никогда больше не будет, поэтому сейчас наблюдаем частые сбои в обмене веществ. Особенно на фоне гиподинамии.
К сожалению, человек не очень оптимизирован под дикие продукты.
Бананы человек может прекрасно есть. В Африке же продолжают жить собиратели, как древние люди по образу жизни.
Насекомых постепенно возвращают в рацион, они дешевые и питательные. Вот пример наши фермеры, растят Черную Львинку на корм животным, как добавка-витамин к пище. Перемолотую в муку можно и человеку добавлять, как белок, в колбасу например, по многим параметрам лучше мяса (гипоаллергенная, диетическая, легкая для усвоения, нет паразитов, антибиотиков и т.п.) Только мясо растет год, а Черная Львинка 9 дней.
rezedent12
Вирусы не являются организмами. У них нет своего обмена веществ.