За биотехнологиями будущее

РНК и ДНКРНК и ДНК

Wikimedia Commons

По всему миру проводятся генетические эксперименты в результате которых получают улучшенные сорта сельскохозяйственных растений (горчица, бананы и пр.) и пород животных (безрогие коровы, свиньи с удвоенной мышечной массой и т.п.). В разных странах отношение к генетически модифицированным организмам и правила использования технологии редактирования генома отличаются. Роман Куликов, директор по акселерации проектов в сфере агро и промышленных биотехнологий Фонда «Сколково», прокомментировал Полит.ру состояние технологии в России, а также рассказал об эволюции селекции организмов и смеси биологии, математики и IT.

От классики до CRISPR

Редактирование генома является последним инструментом для селекции организмов с заданными свойствами, считает Роман Куликов. Еще 100 назад животных и растения выводили селекционеры: скрещивали особей или растения между собой, наблюдали, какое получается потомство, выбирали лучших, потом опять скрещивали. Сегодня же на смену занимавшей много времени классической селекции пришли активно развиваемые технологии редактирования генома.

Существенный прорыв в селекции животных и растений смогли обеспечить открытие структуры ДНК Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком в 1953 году и появившиеся впоследствии методы секвенирования ДНК – определения ее нуклеотидной последовательности. Когда исследователи приступили к «чтению» генома, появилась маркерная селекция. «Мы определяем в генотипе фрагменты ДНК, которые ответственны за интересующий нас признак. И если у данного организма мы видим эти фрагменты, то берем его для скрещивания, если у организма их нет – не берем. Это ускорило селекцию», – поясняет эксперт.

Затем появилась полногеномная селекция, в ходе которой отбираются организмы (микробы, растения), геном которых полностью секвенирован – «прочитан». Знание генотипа организма дает знание признаков, которыми он обладает, что делает селекцию еще более целенаправленной.

<small>Роман Куликов. Фото: Sk.ru</small>

Следующий этап развития селекции – генная инженерия – инструмент биотехнологий, позволяющий в том числе выделять гены из клеток организмов, изменять их и вносить в клетку млекопитающего или растения. Такие манипуляции позволяют получить у организма необходимый признак.

«Самая последняя ступень эволюции – это геномное редактирование без чужого генетического материала, – подчеркивает Роман Куликов. – Мы можем уже не вносить в генотип яблони генетическую информацию например, ежа или вируса, но можем отредактировать генотип яблони таким образом, чтобы нужные нам признаки у яблони реализовывались, а ненужные – нет».

Среди имеющихся на сегодняшний день методов редактирования геномов – системы TALEN (Transcription Activator-Like Effector Nucleases) и CRISPR (Clustered Regulatory Interspaced Short Palindromic Repeats)/Cas9.

«В России есть ученые и группы ученых, которые занимаются кусочками этих технологий, фрагментами разработки. Но нет ни института, ни компании, которые пытались бы сделать такую технологию целиком, – отмечает эксперт. – «Сколково» работает с этими институтами и учеными и готов стать площадкой для проведения и координации работы. Это большая межинститутская и государственная задача, которая требует участия нескольких институтов развития, нескольких научных институтов и научных групп».

В 2016 году президент РФ Владимир Путин подписал закон о запрете выращивания растений и разведения животных с использованием методов генно-инженерной модификации, исключение составляет только научно-исследовательская работа и проведение экспертиз. Таким образом, в России запрещено коммерческое использование генно-модифицированных организмов, но изучать растения, животных, микробы с измененными генами можно. 

«Несколько институтов в России (включая Всероссийский НИИ сельскохозяйственной микробиологии Российской академии сельскохозяйственных наук) умеют и успешно занимаются геномным редактированием в научных целях, но это пока только лабораторные эксперименты, а не коммерческие и не промышленные проекты – рассказывает Роман Куликов.

– Они умеют работать с генами разных организмов, например, в генотип растения могут добавить ген другого организма».

Один из известных примеров использования технологии редактирования генома заключается в том, что в растение вносят ген, который синтезирует, например, человеческий белок. Так разрабатываются противоопухолевые препараты: в растение австралийского табака вносится фрагмент ДНК, который кодирует определенный иммунный белок. «ДНК вносят в клетку растения в специальной, так называемой векторной конструкции, и растение начинает включать этот ген в свой генотип, начинает синтезировать иммунный белок», – уточняет эксперт. 

Синтезировать такие белки сложно и дорого, теперь же их можно получать в больших количествах от растений. По словам эксперта «Сколково», как несколько десятков лет назад человечество научилось получать витамины и аминокислоты, научив микробную массу синтезировать витамины, теперь исследователи так же учат растения синтезировать большие белковые молекулы, необходимые для лечения различных тяжелых заболеваний: дегенеративных, нервной системы, онкологических и многих других.

«Россия в этом направлении очень отстает, – констатирует Роман Куликов. – В Китае число биотехнологических компаний исчисляется сотнями, тысячами, в России таких компаний меньше 10. Проектов, которые этим занимаются – пара десятков, и носят они исключительно экспериментальный характер». В качестве причин отставания Роман называет 20-летний пробел после 90-го года, отъезд ученых, отсутствие преемственности поколений, научных школ, но и отмечает попытки наверстать упущенное и вернуть исследователей в страну.

Умное сельское хозяйство

Точкой концентрации передовых технологий и знаний в области селекции и генетики стала школа SmartAgro, проводимая Фондом «Сколково». Если первое мероприятие для молодых ученых в 2016 году носило общий образовательный характер: аспирантам-профессионалам рассказывали о популярных биотехнологиях, то в этом году акцент был сделан на прикладных методах селекции  и генетики растений.

«В этой области Россия тоже отстала и поэтому большинство коммерческих семян по ключевым культурам импортное. Мы решили собрать школу и преподавателей из тех, кто работает в этом направлении в России и россиян, которые работают в зарубежных университетах и владеют современными методами» – рассказывает о выборе темы  Роман Куликов.

Участниками школы стали 30 молоды ученых, генетиков и селекционеров нескольких крупных аграрных компаний. В течение трех дней они слушали лекции и выполняли большое задание: учились моделировать молекулярные признаки и работать с биоинформатикой.

«Сегодня любой новый организм создается прежде всего в компьютере: мы расшифровываем генотип, затем анализируем и подбираем пары для скрещивания. Это смесь биологии, математики и IT, – подчеркивает эксперт. – Этим и занимались слушатели. Так мы хотим инициировать образовательный процесс в области технологий генетики и селекции, показать российским молодым ученым, что эти технологии есть и что ими можно заниматься в России».

Директор по акселерации проектов в сфере агро и промышленных биотехнологий Фонда «Сколково»дал несколько советов начинающим агроинноваторам, подчеркнув востребованность и перспективность технологий генетики и селекции.

«За биотехнологиями будущее: производство пищи, производство лекарств, лечение заболеваний, окружающая среда, переработка мусора – это все биотехнологии.  Только с помощью биотехнологий мы будем получать новые вещества, – убежден Роман Куликов. – Мир становится более прикладным. Нужно находить актуальные тренды и работать в их рамках, нужно внимательно изучать все мероприятия, которые проходят в России, необходима связь с индустрией. Для того, чтобы начать работать в России, нужно найти бизнес или компанию, у которой есть политическая воля и финансовый ресурс, чтобы этим заниматься, потому что заниматься биотехнологиями изолированно крайне сложно».