Растения-антибиотики и медицинский виноград. Биолог Александра Дубровина — об РНК-интерференции и перспективах современных биотехнологий

— Вы получили премию президента РФ, изучая РНК-интерференцию и влияние на работу генов у растений. Что вообще такое РНК-интерференция?

— Известно, что экзогенные, чужие для растения двухцепочечные РНК способны проникать в сосудистую систему и отдельные клетки растения, распространяться по нему и затем влиять на работу собственных генов растения, то есть чужие гены заставляют гены растения «молчать». Такой процесс называется РНК-интерференцией: если в растение вводят чужую для него двухцепочечную РНК, оно расщепляет ее специальными ферментами на короткие цепочки, называемые интерферирующими РНК (киРНК). Такие цепочки затем включают в клетках растения специфический комплекс белков, который занимается расщеплением любых молекул РНК, похожих на те маленькие цепочки, что образовались при деградации чужой РНК. Комплекс белков находит «близнецов», уничтожает их и тем самым выключает работу генов.

— Таким образом можно, по сути, выключить любой ген у любого организма?

— Теоретически да. Индукция РНК-интерференции в растении или в атакующих растение вредителях — очень перспективное и интересное направление исследований, поскольку можно повлиять на работу любых «родных» генов растения, не изменяя при этом структуру самой ДНК.

— А как конкретно вы работаете с растениями?

— Мы заранее делаем водные растворы двухцепочечных РНК и опрыскиваем ими поверхность листьев растения или иногда просто наносим раствор с помощью кисточек. При этом мы используем молекулы РНК, нацеленные на работу конкретного гена растения, то есть сначала нужно сделать полный сиквенс генотипа растения, чтобы понимать, с каким геном имеет смысл работать. Например, с помощью такого подхода мы доказали возможность регуляции биосинтеза антоцианов, специфически окрашенных растительных пигментов сине-фиолетовых оттенков, которые применяются в медицине, пищевой промышленности, косметологии и декоративном садоводстве. Если получится создать растение с повышенным содержанием антоцианов, это придаст существенное ускорение развитию этих отраслей.

Для работы с растениями существует очень много различных методов. Самые современные — методы генной инженерии, индукция РНК-интерференции (выключение и включение отдельных генов), обработка растений специальными бактериями для защиты от микробных патогенов и насекомых-вредителей.

— А у животных есть такая же система — РНК-интерференция?

— Да, система РНК-интерференции есть и у млекопитающих. Насколько мне известно, в настоящее время подходы для индукции РНК-интерференции у млекопитающих активно разрабатываются. Также обсуждаются методы доставки малых РНК с помощью внутривенных инъекций или назальных спреев с целью защиты человека от вирусных инфекций.

Есть два основных способа работы с вирусами: выключение конкретных генов самого вируса и выключение генов клетки, пораженной вирусами. Первый более «щадящий», но сильно зависит от штамма — вирусы крайне быстро мутируют, и созданная технология выключения гена на эволюционировавшем вирусе уже может не сработать. Сейчас РНК-интерференция активно исследуется из-за коронавируса: есть предположение, что именно с помощью этого механизма можно создать эффективную терапию.

— А можно ли включать гены и заставлять растение синтезировать полезные для человека молекулы?

— Можно не включать, а добавить растению новый ген. В одной из своих работ мы использовали ген rolB из агробактерий (группа почвенных бактерий), и трансгенные клетки винограда стали синтезировать в больших количествах ресвератрол, который является ценным веществом для медицины и косметологии. Однако спустя несколько лет этот ген практически «замолчал», и растение перестало синтезировать ресвератрол — у него нет необходимости в этой молекуле в обычных условиях. От ненужного природа избавляется, избавилось и растение.

В принципе заставить растение синтезировать то, что нужно человеку, не так сложно. Гораздо сложнее удержать эту способность в течение длительного времени, но и это возможно, такие примеры известны.

Например, ГМО-растения с повышенной устойчивостью к вредителям — это свойство не исчезает с течением времени, потому что крайне полезно для самих растений.

— То есть можно, например, добавить растению ген антибиотика или усилить выработку алкалоидов? Или, например, сделать растение с универсальными белками, в которых есть все аминокислоты?

— Можно выращивать растения с высоким содержанием натуральных антибиотиков, а потом создавать препараты антибиотиков, используя эти растения, или применять растительное сырье для лечения. То же самое касается и алкалоидов. Необходимо отметить, что многие растения изначально содержат большие количества природных антибиотиков — то есть здесь можно использовать не схему «добавить ген», а схему «усилить или повлиять на работу гена» (имбирь, гранат и т. п.). А можно добавить новый ген и получить трансгенное растение с повышенным содержанием определенного белка, в составе которого будет высокий процент тех аминокислот, которых в норме у растения нет (например, аминокислоты метионина — в растительных продуктах ее крайне мало).

— Вернемся к интерференции. В обществе в целом отношение к ГМО скорее негативное: многим кажется, что добавление новых генов организму — это рискованно. А работа с интерференцией, то есть с системой «включить — выключить», таит в себе какие-то опасности?

— Вообще, мы стремимся повлиять на работу генов растений для улучшения свойств растений без генетических модификаций, пестицидов, гербицидов или других небезопасных и законодательно запрещенных в нашей стране технологий. Наша главная цель — создать или улучшить у растения желаемые качества (содержание ценных веществ, рост, продуктивность, устойчивость), воздействуя на работу «родных» генов растения извне, но не изменяя структуру ДНК.

Но мы создаем и устойчивые трансгенные растения и изучаем их свойства. Последствия введения новых генов в геном растения (то есть безопасность трансгенных растений) необходимо изучать в каждом конкретном случае, в зависимости от того, какой именно ген вводится и в какое место генома. Это достаточно трудоемко и, насколько мне известно, не всегда делается. Когда мы потребляем трансгенную растительную продукцию, мы обычно даже не знаем, какие именно манипуляции с генами проводились и изучалась ли безопасность этого продукта. Зачастую мы даже не знаем, трансгенная ли зарубежная продукция, которую мы потребляем, или нет. К сожалению, производители не всегда информируют об этом. Что касается работы с интерференцией (то есть с системой «выключения» проявлений работы какого-то гена посредством воздействия на растение извне), то, конечно, необходимо изучение безопасности этого подхода, нужны дальнейшие исследования по этому направлению, проводимые несколькими научными коллективами. И мы обязательно будем изучать безопасность интерференции. Пока такой продукции на рынке нет, время для изучения есть.

Растения с «улучшенными генами» можно будет использовать как продукты с повышенным содержанием нутриентов или для наработки лекарственных средств, причем не химически созданных, а натуральных и безопасных.

— Как вы считаете, по какому из этих двух путей — добавление генов и влияние на «родные» гены — в дальнейшем пойдет наука?

— В первую очередь эксперименты направлены на то, чему потом можно найти практическое применение — производство безопасной и экологически чистой продукции растениеводства с отличными вкусовыми качествами. Думаю, что в основном этот путь будет затрагивать варианты «без ГМО» ввиду малой изученности. Производство безопасной и экологически чистой продукции с высокими вкусовыми качествами могло бы стать уникальной особенностью нашей страны, поддержать здоровье населения и позволить зарабатывать на этом, дополнительно реализуя такую продукцию другим странам.

Всё, что мы делаем в науке, относится в первую очередь к области биотехнологии растений. Основное значение биотехнологии растений для человечества и экономики нашей страны — это изучение возможностей живых организмов для решения различных технологических задач. Также понятие биотехнологии включает возможность влиять на свойства живых организмов методами генной инженерии или посредством такого подхода, как у нас. Проще говоря, можно с помощью различных современных научных методов выяснять, как использовать живые организмы так, чтобы это принесло бо́льшую пользу развитию определенной отрасли (сельскому хозяйству или виноделию, например) или экономики страны в целом.