Табак - самое смертоносное растение в мире, от которого, по данным Центра по контролю и профилактике заболеваний, ежегодно умирают более семи миллионов человек. Но в новом исследовании, опубликованном на этой неделе, ученые из Корнельского университета и Университета штата Иллинойс при помощи генной инженерии предлагают этому виду растений новое направление. Вместо того чтобы приносить канцерогены, табачные растения могли бы производить ингредиенты для стирального порошка, причем гораздо дешевле, чем сейчас.
Наука - это часто утомительный процесс, полный утомительности и неудач. Но иногда эксперимент проходит лучше, чем ожидалось. Вот пример: в своем новом исследовании (опубликованном на прошлой неделе в журнале Nature Plants) ученые получили настолько замечательные результаты, что использовали для их описания слово "замечательный". Пытаясь дать табаку новую работу, инженеры ввели в растение бактериальный ген, который производит фермент Cel6A в хлоропластах.
Как и многие другие растительные ферменты, Cel6A и другие целлюлазы (названные так потому, что они расщепляют целлюлозу, внешнюю стенку растительных клеток) умеют расщеплять более крупные соединения. Cel6A невероятно полезны в стиральных порошках, где они расщепляют наши пятна. Идея заключается в том, чтобы перестроить дизайнерские растения табака для производства большого количества фермента, выделить его и использовать для производства стирального порошка.
Из предыдущей работы исследователи уже знали, что растение табака способно эффективно производить эти ферменты в помещении. Теперь они хотели выяснить, как это происходит на открытом воздухе. Поэтому в своем новом исследовании они проверили, насколько хорошо генетически модифицированный табак будет себя чувствовать в полевых условиях, вдали от лаборатории (где его будут выращивать, если эта идея воплотится в жизнь), подвергаясь воздействию переменных факторов, с которыми обычным растениям приходится иметь дело, таких как дождь, жара, нападение насекомых и инфекции. Они обнаружили, что открытый воздух удивительно хорошо сочетается с дизайнерскими растениями, и зелень производила больше Cel6A, чем предсказывали исследователи. Хотя они по-прежнему производили немного меньше белка, чем в теплицах и камерах роста.
Элейн Тобин, профессор в отставке, изучавшая молекулярную биологию растений в Калифорнийском университете, говорит, что эксперимент представляет собой экономически эффективный способ получения Cel6A. "У них была отличная идея, которую они воплотили в жизнь".
Один из авторов работы, Бет Ахнер, профессор биологической и экологической инженерии в Корнелле, получила идею измерить, как создание дополнительных трансгенных белков влияет на нормальный рост табака, от группы французских ученых в 2009 году. У растений французского табака было меньше Рубиско, важнейшего фермента, который помогает растениям улавливать углекислый газ в процессе фотосинтеза. "Эта ранняя работа пробудила наше любопытство к тому, что может происходить в растениях, когда они испытывают такую нагрузку", - говорит она. Она начала работать с аспирантом, чтобы выяснить, смогут ли они создать белок, полезный для производства биотоплива. Когда появилась кандидат наук Дженнифер Шмидт, которой было интересно это исследование, они решили работать над Cel6A.
Ахнер говорит, что гены для этого исследования они получили от Thermobifida fusca, обычной компостной бактерии. В настоящее время производители стиральных машин производят ферменты, которые входят в состав стирального порошка, с помощью микробных биореакторов: больших, вращающихся чанов с бактериями, которые производят Cel6A. Для получения генетически модифицированного организма ученые должны использовать какую-либо форму жизни - будь то бактерии, растения или животные, и у каждого метода есть свои недостатки. Первым организмом, который когда-либо использовали исследователи, были бактерии, из которых был получен человеческий инсулин, впервые официально проданный в 1982 году. Но бактерии требуют стерильной среды, что означает, что ученым приходится использовать дорогое очистительное оборудование и трудоемкие процедуры предосторожности. Животные - еще один вариант, но у них есть нервная система, что вызывает целый ряд моральных и логистических проблем.
Растения, однако, имеют небольшой риск передачи человеческих болезней, а люди имеют более десяти тысяч лет ботанического опыта. Кроме того, в Соединенных Штатах много места отведено под производство табака. Команда также установила множество мер предосторожности, чтобы генетически модифицированные растения не смешивались с остальной популяцией. Они удаляли растения до того, как они размножались. Несмотря на это, большинство хлоропластов (в которых находятся гены для производства ферментов у генетически модифицированных растений) передаются по материнской линии, поэтому пыльца (читай сперма растений) не должна передать изменения, даже если они будут размножаться.
Теперь, когда исследователи знают, что могут эффективно создавать Cel6A, их следующей целью, по словам Шмидт, является его стандартизация. Для этого она хочет понять процесс на молекулярном уровне. Хотя в целом растения табака произвели больше белков, чем ожидалось, некоторые растения произвели больше, чем другие. "Моя цель в этой последней части проекта - [убрать] догадки", - говорит Шмидт. "Можем ли мы рационализировать [этот процесс], чтобы в будущем сделать этот проект немного быстрее?".
Ахнер говорит, что в лаборатории могут работать и над другими ферментами, которые могут выполнять совершенно иные функции. Она намекает, что промышленность, возможно, работает над этим процессом за закрытыми дверями, и хочет убедиться, что общественность в курсе. "Мы надеемся, что если есть компании, выращивающие это в полевых условиях, то они извлекут пользу из нашей работы".
Большинство ученых пространно отвечают на вопросы о трудностях эксперимента, но Шмидт говорит, что практически каждый шаг шел по плану. Ахнер соглашается. "В какой-то степени это были довольно серендипичные обстоятельства".