От пробирки до кастрюли: Как ученые разрабатывают продукты, которые мы едим каждый день - Анастасия Волчок

в странах третьего мира грянула «зеленая революция», и к концу XX в. на смену маленьким хозяйствам пришли агрохолдинги. И все это время растения продолжали меняться в угоду людям. Они становились более урожайными, более устойчивыми к вредителям и болезням, к засухам и к холоду. Когда одни проблемы решались, появлялись новые. Пришло понимание, что от пестицидов, отравляющих все живое, необходимо отказываться, а глобальное потепление снова изменило правила игры. Сортам, созданным для вчерашнего климата, через 10–20 лет придется искать замену, да и растительные патогены быстро приспосабливаются к ситуации, начиная заражать устойчивые культуры, как раньше.

История селекции, таким образом, пишется без остановки. Мы же в рамках этой книги остановимся подробнее на том, какое место в сельском хозяйстве, и в растениеводстве в частности, занимает генетика – область биологии, сосредоточенная на изучении генов и механизмов передачи наследственной информации. А наука эта довольно новая, копаться в ДНК люди научились не так уж давно.

Началось все во второй половине XIX в., в день, когда австрийский монах-августинец Грегор Мендель открыл законы наследования:

1. Закон единообразия гибридов первого поколения: скрещивание организмов, различающихся по вариантам одного гена, даст одинаковых потомков.

2. Закон расщепления генов: при многократном скрещивании у внуков вновь проявятся признаки, присущие бабушкам и дедушкам.

3. Закон независимого наследования: гены, связанные с разными признаками, наследуются независимо друг от друга.

Так появились понятия гибридизации и отбора. При жизни труд Менделя должным образом не ценили, но сегодня его опыты с горохом дети изучают в школе. И правильно делают – вещь полезная. Без Менделя и его экспериментов наш стол мог бы сильно потерять в разнообразии. Например, почти все цитрусовые, которые мы так любим, – это гибриды, получившиеся при скрещивании диких цитронов, помело, кумкватов, микранта и мандаринов. Иными словами, если бы люди не начали когда-то одомашнивать кислые и мелкие цитрусы из Индии, Мьянмы и Китая, то апельсинов, грейпфрутов и лимонов с лаймами попросту не было бы[5].

Гибридизацией можно получать также растения с бескосточковыми плодами. Здесь все дело в копиях хромосом, в которых хранится генетическая информация. У человека, как известно, 46 хромосом, образующих 23 пары. При размножении ребенок всегда берет половину хромосомного набора от мамы, а другую – от папы (23 + 23 = 46). Растения устроены примерно так же, но количество хромосомных наборов у них может быть больше. Так происходит, если родительское растение передает все свои хромосомы потомству, «забывая» их разделить. Это явление называется полиплоидией. Если же в результате гибридизации у растения нарушается парность хромосом, это влияет на их способность размножаться. Они все еще могут давать плоды, но семена в них будут стерильные и очень-очень маленькие. Арбузы без косточек, например, имеют три хромосомных набора. Их получают, скрещивая родителей с двумя и четырьмя наборами соответственно. Бананы и ананасы – тоже полиплоиды, поэтому их так удобно есть. Чтобы найти в ананасе семя, нужно постараться.

В России одним из самых известных сподвижников гибридизации был Иван Владимирович Мичурин. Первые опыты с плодовыми деревьями он начал проводить в 1875 г. у себя на даче. Конечно, народные селекционеры, экспериментировавшие со скрещиванием, были и за 100 лет до него, но именно в конце XIX в. селекция как «сортоводство» стала оформляться в полноценную дисциплину, уважаемую среди прогрессивных аграриев[6].

Второе событие, приблизившее нас к эре генома, – открытие в 1953 г. структуры дезоксирибонуклеиновой кислоты (по-простому – ДНК) Джеймсом Уотсоном, Френсисом Криком и Розалинд Франклин. Когда оно было сделано, ученые наконец смогли взглянуть на святая святых живой клетки. Практически открыли сейф со всеми ключами от дома. Осталось только взять их и научиться ими пользоваться.

Что такое ДНК и зачем она нужна

После открытия ДНК ученые довольно быстро поняли, какую роль в организме она играет. Была принята центральная догма молекулярной биологии. Она гласит, что генетическая информация передается от ДНК к матричной РНК (мРНК, матричная рибонуклеиновая кислота) и затем – к белку, а не наоборот. Сейчас уже известны исключения из правил – например, ретровирусы, такие как ВИЧ, могут переносить информацию с мРНК на ДНК путем обратной транскрипции, но растения подчиняются классической схеме. Их ДНК находится в ядре и представляет собой последовательность нуклеотидов – сложных молекул, состоящих из азотистого основания, сахара (в ДНК это дезоксирибоза, оттого она и «дезоксирибонуклеиновая») и остатка фосфорной кислоты. Такая структура позволяет ей скручиваться в двойную спираль. В ней азотистые основания обращены внутрь и образуют пары: аденин + тимин и гуанин + цитозин (рис. 2).

Каждый нуклеотид в составе ДНК – это буква (всего их четыре), каждые три буквы – это «кодон», его еще называют «триплет». Своего рода слово, которое затем станет аминокислотой – одной бусинкой в цепочке будущего белка. Причем каждый конкретный триплет всегда будет кодировать одну и ту же аминокислоту, а вот одна аминокислота может быть закодирована разными триплетами. Получается, некоторые слова в биологическом коде – синонимы, и, если заменить в каком-то из них букву, смысл может и не поменяться. Ну а когда из слов получается целое предложение, мы имеем инструкцию к белку, или ген.

Рис. 2. ДНК состоит из двух цепей, каждая из которых представляет собой последовательность четырех нуклеотидов, где в роли азотистых оснований представлены гуанин, цитозин, аденин и тимин. Каждые три нуклеотида в цепочке кодируют одну аминокислоту в составе белка. В молекуле РНК тимин заменен урацилом

В обычном состоянии ДНК упакована очень плотно, как моток ниток. Если клетке вдруг понадобился какой-то белок, часть ее ДНК расплетается, а двойная спираль раскрывается, будто застежка-молния на куртке, чтобы с нее удобно было сделать запись: синтезировать матричную РНК на основе нужного гена (РНК похожа на ДНК, но цепочка у нее не двойная, а одинарная: сахар – рибоза, а вместо азотистого основания тимина – урацил). Затем эта мРНК отправляется к рибосоме, где происходит синтез белка: 20 аминокислот выстраиваются в цепочку, раз за разом сменяя друг друга согласно переданной инструкции. Бусы, собираемые из этих аминокислот, получаются самые разные, примерно как из одних и тех же кубиков лего удается построить и гоночный автомобиль, и цветок, и за́мок для принцессы. Так и белки: одни короткие, другие длинные, из одних получаются мышцы, а другие нужны для защиты от инфекций или внутреннего управления.

То, каким будет конечный белок, как и в случае с лего, полностью зависит от используемых «правил сборки». Вот только инструкция к конструктору – вещь стабильная, она не изменится, сколько копий ни печатай, а о генетическом коде такого сказать