Гены, сельское хозяйство и микробы

Руководитель Курчатовского геномного центра НИЦ «Курчатовский институт» Максим Владимирович Патрушев рассказал о самой большой в России коллекции микробов, генетических технологиях для сельского хозяйства и о промышленной микробиологии. 

― В Курчатовском институте работает крупнейший в стране геномный центр. Расскажите, пожалуйста, о нем подробнее.

― Наш геномный центр Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий был создан М.В. Ковальчуком в 2019 г. для технологического обеспечения сельского хозяйства и промышленной микробиологии в России. Эти две отрасли тесно связаны друг с другом, поэтому и развивать их нужно параллельно. Такой комплементарный подход стал основой нашего целеполагания при создании центра. Сельское хозяйство дает сырье для промышленной микробиологии, а та, в свою очередь, производит корма для животных, кормовые добавки, удобрения и другие полезные продукты.

Генетические технологии, которые мы развиваем в нашем центре, помогают создавать новые сорта растений ― это так называемая геномная селекция, позволяющая минимум в три раза сократить срок получения новой линии растений. Если раньше на создание нового сорта пшеницы с какими-то полезными признаками у ученых уходило 12-15 лет, то сегодня мы вполне укладываемся в три-четыре года! Аналогичные задачи мы успешно решаем и в животноводстве.

― Россия на протяжении многих лет закупает семена сельскохозяйственных растений за границей. Представлены ли технологии для развития семеноводства в вашем центре? Могут ли ваши наработки помочь исправить ситуацию?

― Действительно, в связи с недавними событиями для России особенно актуальным стало создание собственных технологий производства высококонкурентных семян. Поэтому круг наших интересов существенно расширился и стал включать в себя (помимо селекции пшеницы, ячменя и картофеля) развитие генетических технологий для семеноводства. Все семена за исключением, пожалуй, пшеницы Россия и правда закупает за рубежом. Дело не в том, что мы не умеем выращивать собственные семена, а в том, что зарубежные компании предлагали дешевые и удобные для наших фермеров технологии. Пришло время создавать такие же эффективные технологии в нашей стране. У нас есть все возможности для того, чтобы производить высококонкурентные семена, которые будут даже лучше зарубежных аналогов. Сегодня Курчатовский геномный центр работает с картофелем, соей, подсолнечником ― стратегическими культурами, востребованными во всем мире.

― Ваши установки мега-класса ― суперкомпьютер, синхротрон, «Белковая фабрика» ― как-то задействованы при создании технологий, которые мы обсуждаем?

― Процесс создания нового сорта растения начинается и заканчивается суперкомпьютером. Для того чтобы собрать совокупность всех генов той или иной сельскохозяйственной культуры (так называемый пангеном), мы должны сначала смоделировать весь технологический процесс на суперкомпьютере. Затем к работе подключаются генетики, чья задача ― расшифровать геном, секвенировать его на специальных приборах. Полученные данные снова отправляются в Курчатовский суперкомпьютер, где хранится Национальная база генетической информации, разрабатываемая по поручению президента РФ (это уникальная информационная система, позволяющая хранить и анализировать огромнейшее количество геномных данных). В анализе этих геномных данных обязательно должны быть задействованы большие суперкомпьютерные мощности, позволяющие на выходе создать новые селекционные стратегии. Селекционеры приходят к нам и говорят, что им нужно растение с определенным признаком. С помощью суперкомпьютера мы выявляем механизмы скрещивания и другие манипуляции, позволяющие получить требуемый продукт и зарегистрировать новый сорт.

С помощью метода маркер-ориентированной селекции в Курчатовском геномном центре разработана и запатентована новая технология получения раннеспелых линий пшеницы с укороченным сроком колошения: срок созревания сократился на семь-десять дней. Источник фото: фотобанк Freepik.

Наверняка вы слышали о нашумевшей технологии под названием «генетические ножницы». Чтобы создать такие молекулярные инструменты, нам нужны ферменты, белки с определенной функцией. С их помощью мы можем разрезать ДНК и что-то в нее встроить. Для получения таких ферментов нужны большие установки мега-класса. Здесь как раз-таки мы и задействуем «Белковую фабрику» Курчатовского комплекса НБИКС-пт технологий, о которой вы спрашиваете.

В целом уникальность нашего геномного центра состоит в том, что здесь реализован полный цикл процессов разработок сельскохозяйственных культур. Вся работа ведется с помощью инструментов собственного производства, по нашим собственным технологиям.

― Специалисты Курчатовского геномного центра обнаружили новый ген кишечной палочки, который может быть использован для обогащения рациона сельскохозяйственных животных. Расскажите, пожалуйста, подробнее об этом исследовании.

― Мы постоянно находимся в поиске новых продуцентов ― микробных клеток, производящих полезные продукты для сельского хозяйства. Один из таких продуктов ― аминокислота треонин, которую используют для подкормки животных, начиная от рыб и заканчивая крупным рогатым скотом. Треонин ― это незаменимая аминокислота. Животные не производят ее, а могут получить только из пищи. Ученые во всем мире бьются над задачей сделать производство треонина максимально эффективным и дешевым. Это позволит снизить цену на мясо, ведь чем дешевле корм для животных, тем дешевле мясо для потребителя. Так вот, гены семейства thr, обнаруженные нами в кишечной палочке, действительно могут повысить эффективность выхода треонина на несколько десятков процентов. Исследования продуцента этого гена продолжаются. Возможно, мы перенесем этот ген в какие-то другие клетки, более продуктивные в производстве.

― Вы говорите о переносе генов, об их редактировании, а ведь у многих людей подобные манипуляции вызывают большую настороженность. Как развеять страх перед ГМО, укоренившийся в нашем обществе?

― Конечно, вред ГМО ― миф, который муссируется в обществе уже давно. Развеять этот миф ― сложная задача, потому что люди, изучившие вопрос лишь поверхностно, с трудом поддаются доводам науки. Нужно понимать, что когда кто-то говорит, что мы перенесем ген куда-то, то речь не идет о переносе генов от одного вида организма в другой. Наши технологии генетического редактирования в данном случае будут ограничиваться одним и тем же видом бактерий.

В целом в генетически модифицированных организмах нет ничего страшного. Любой живой организм, включая человека, в течение жизни накапливает гораздо больше естественных мутаций, чем мы можем создать в лаборатории, и это вполне нормальный процесс.

Любой садовод на своем участке, пожалуй, создает даже больше ГМО, чем ученый в лаборатории. Вы не думали о том, что происходит, когда вы прививаете одно дерево к другому? Это, по сути, та же генетическая селекция со всеми вытекающими последствиями.

― Про сельское хозяйство мы с вами поговорили, а что насчет второго важного направления в работе Курчатовского геномного центра ― промышленной микробиологии? Я слышала, что в стенах  Курчатовского института собрана коллекция микроорганизмов, аналогов которой нет нигде в мире. Это правда?

― Да, это так. Хочу напомнить, что отечественная промышленная микробиология изначально вышла из Курчатовского института. В 1940-х гг. в нашей стране стараниями Т.Д. Лысенко генетика едва не была уничтожена как наука, но И.В. Курчатов и А.П. Александров, с их научной интуицией, обладая большим авторитетом, «спрятали» в стенах нашего института группу биологов, из исследований которых потом выросла вся генетика промышленных микроорганизмов. Впоследствии в 1968 г. в Москве был создан институт, не имеющий аналогов в мировой практике, ― ГосНИИгенетика. Недавно он снова вошел в состав Курчатовского института, чему мы очень рады. За время существования этого института ученые собрали крупнейшую коллекцию микроорганизмов: примерно 30 тыс. единиц различных штаммов. На протяжении последних лет мы ведем большую работу по оцифровке каждого штамма.

― Значит, у каждого микроорганизма будет свой генетический паспорт?

― Конечно. Часть из них уже имеют такие паспорта. Мы рассматриваем геном каждого организма с точки зрения современных технологий, ведь когда коллекция создавалась, в распоряжении ученых еще не было тех методов, которые мы имеем сегодня. Кстати, тот самый ген кишечной палочки, о котором мы говорили, был найден именно в этой коллекции. Это не первый случай, когда мы, изучая нашу коллекцию заново, находим новые интересные гены.

― Она регулярно пополняется новыми микроорганизмами?

― Обязательно. Любой новый охарактеризованный нами штамм попадает в эту коллекцию, и если раньше весь этот процесс учета происходил на бумаге, то сегодня цифровые методы открывают гораздо больше возможностей для исследований.

Мы создаем генетические паспорта не только микроорганизмов, но и растений и животных. Это крупный проект, позволивший нам расшифровать более 1,5 тыс. бактерий, грибов, дрожжей. Мы получаем геномные данные и изучаем разнообразие сортов пшеницы, ячменя, винограда. Исследованы геномы отечественных пород крупного рогатого скота. А еще в Курчатовском геномном центре формируется база геномных данных плодово-ягодных культур! Впереди много работы.

В Курчатовском геномном центре работает крупнейший парк секвенаторов (приборов для расшифровки последовательности нуклеотидов в цепи ДНК). Источник фото: пресс-служба НИЦ «Курчатовский институт».

― Еще один интересный проект, связанный с микробиологией, ― изучение экстремальных микроорганизмов в Арктике. Чем могут быть полезны эти исследования?

― Мы исследуем не только арктические микроорганизмы: наш интерес лежит гораздо шире ― в изучении так называемых экстремальных микроорганизмов, которые могут жить, например, при температурах выше 100 °С, в отсутствие кислорода или при очень высоких давлениях. В своих экспедициях ученые исследуют как холодные арктические моря, так и другие места с повышенной соленостью, где могут обитать необычные микробы. Они интересны нам с научной точки зрения: открыть и описать новый вид ― всегда очень привлекательная задача, но этим дело, конечно, не ограничивается, ведь такие микробы могут быть полезны для создания новых технологий.

― Каких, например?

― Многие экстремофильные микроорганизмы ― это носители генов уникальных ферментов, которые можно использовать в промышленности, например при производстве стирального порошка, в медицине, в сельском хозяйстве. Перспективное применение таких микроорганизмов ― промышленные биотехнологии, включая переработку растительного сырья, которое в больших количествах накапливается в процессе ведения сельского хозяйства. Взять ту же пшеницу, например. Ее обязательно нужно перерабатывать. При этом из пшеницы можно получить много новых интересных продуктов, начиная от биотоплива и заканчивая соединениями наподобие моноамидов, на основе которых создаются гнущиеся сенсорные телефоны. Компоненты гибкой пленки, покрывающей такие смартфоны, получают из бактерий-продуцентов различных видов, перерабатывающих растительное сырье. Живая природа, развиваясь на протяжении многих миллионов лет эволюции, создала удивительные молекулярные машины, целые микробиохимические фабрики, позволяющие производить все что угодно из чего угодно. Вопрос только в том, как получить эти ферменты и довести их до внедрения в промышленные технологии. Этими задачами, в том числе, мы и занимаемся в стенах Курчатовского геномного центра.

Источник: "Научная Россия"