Учёные нарезают ДНК яблок на миллионы фрагментов, перед тем, как вы их съедите

Яблоки, конечно — не учёных. Но зачем?

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.

Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик с моделью двойной спирали 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.

Геном бактериофага φX174 — первый расшифрованный геном в истории науки

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:

  1. Молекулу ДНК разрезают специальными молекулярными ножницами по технологии CRISPR/Cas9: она представляет собой комбинацию специальных белков и молекул РНК, которые распознают и «разрезают» ДНК.
  2. Частицы помещают в копировальное устройство, которое делает дубликат каждого сегмента. Из них составляют библиотеку ДНК.
  3. 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).
  4. 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.

Прогресс расшифровки генома человека в течение 20 лет

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: 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.

Мембраны с нанопорами

Метод не требует расщепления ДНК и отдельного анализа нуклеотидов, а сама последовательность определяется всего по одной молекуле. Поэтому постепенно этот способ замещает прошлые.

Специалисты Стэнфордского университета за расшифровкой генома

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.

До изобретения генетической модификации растений селекция одного растения могла занимать сотни лет. Хороший пример — кукуруза.

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.

Как менялись помидоры: слева — дикие томаты, в центре — одомашненный вариант, справа — более крупный генетически модифицированный сорт

Что уже улучшили селекционеры

Угадайте: это геном какого растения?
апельсина
банана
яблока
ананаса
Показать результаты
Переголосовать
Проголосовать
Содержание скрыто
Показать

В 2010 году итальянские учёные «расшифровали» яблоко и выяснили, что один из 57 тысяч его генов — MdMYB1 — делает плоды красными (он же заставляет краснеть и апельсины). В 2020 году появился новый сорт яблок — Люси: красный не только снаружи, но и внутри. Люси совмещает в себе всё то, что мы любим в яблоках: хрустящую оболочку и сочную сладость без кислинки.

Содержание скрыто
Показать
А это что за овощ?
картофель
помидор
лук
сельдерей
Показать результаты
Переголосовать
Проголосовать
Содержание скрыто
Показать

Полностью геном картофеля расшифровали лишь в прошлом году. С тех пор учёные пытаются создать новые сорта, способные выносить жару. Из примечательных можно выделить сорт Банан — это маленькие длинные клубни, которые можно есть вместе с кожурой.

Содержание скрыто
Показать

Картофель сорта Банан не годится для создания картофельного пюре или картошки фри

А это чьё зёрнышко?
рожь
кукуруза
ячмень
пшеница
Показать результаты
Переголосовать
Проголосовать
Содержание скрыто
Показать

В 2018 году группа учёных выяснила, что геном пшеницы в три раза длиннее человеческого, да и устроен сложнее. В этом году при расшифровке в нём обнаружили ген Zip4.5B, отвечающий за температурную устойчивость. И пока специалисты пытаются внедрить его в геном других злаковых, в африканских странах уже выращивают Джабаль — комбинацию дикой и генномодифицированной пшеницы.

Содержание скрыто
Показать

Сорт Джабаль растёт, например, в Марокко

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.

Генетические расшифровки полезны и в селекции животных. Причём, чтобы применить технологию на практике, не обязательно быть учёным. На платформе Своё Фермерство агробизнесмены могут заказать расшифровку генома животного вместе с оценкой по специальной генетической базе. Так можно узнать потенциал любого животного из стада или всего поголовья: например, сколько молока и какой жирности оно будет давать. Такая информация поможет составить бизнес-стратегию.

А чтобы не пропустить новости и о других технологиях, которые могут быть полезны в агробизнесе, подписывайтесь на портал РСХБ в цифре и телеграм-канал.

Реклама, АО «Россельхозбанк»

0
12 комментариев
Написать комментарий...
Олег Шаманов

Спасибо за статью, читал с огромным интересом

Ответить
Развернуть ветку
Полина Кузьмина

Очень интересная статья,спасибо!

Ответить
Развернуть ветку
Anastasia Degtyareva

Интересно, спасибо за статью.

Ответить
Развернуть ветку
Карина Авернина

Время вновь заинтересоваться биологией :)

Ответить
Развернуть ветку
Сергей Борисов

Меня больше интересуют гены бананов и их объяснение.

Ответить
Развернуть ветку
Reagent

Как дела с ГМО обстоят в РФ?

Ответить
Развернуть ветку
unknown

Гмо не скрепно же.

Ответить
Развернуть ветку
Дмитрий Астахов

интересная наука для изучения ,довольно колоссальная работа проделана за столько лет

Ответить
Развернуть ветку
Stanislav Barkov

прочитал статью и осталось только чувство того,что какая большая работа проделана и как человеческий мозг может додуматься до вот таких открытий ,

Ответить
Развернуть ветку
Миронов Константин

Пойду учить биологию

Ответить
Развернуть ветку
Azo

Спасибо

Ответить
Развернуть ветку

Комментарий удален модератором

Развернуть ветку
Ольга Сенникова

Статья очень интересная,я думаю это уже широко внедряется в нашу жизнь,ассортимент семян и садовых растений прямое подтверждение тому что селекция идёт в ногу со временем.

Ответить
Развернуть ветку

Комментарий удален модератором

Развернуть ветку
9 комментариев
Раскрывать всегда