ПЕРВОПРОХОДЕЦ АПОМИКСИСА - КУКУРУЗА

Первый в мире проект по созданию апомиктичного коммерческого сорта у культурных растений был объявлен и начат в СССР в 1958 году. Его автор - профессор Д. Ф. Петров, создавший для выполнения данного исследования лабораторию цитологии и апомиксиса растений в только что организованном Институте цитологии и генетики Сибирского отделения Академии наук. Однако идея закрепления гетерозиса через размножение, исключающее сегрегацию генов, принадлежит замечательным ученым, сотрудникам Н. И. Вавилова, - М. С. Навашину и Г. Д. Карпеченко, с которыми Петров работал перед войной в знаменитом ВИРе (Всесоюзном институте растениеводства). Получение апомиктов планировалось на важнейшей сельскохозяйственной культуре - кукурузе.

В работе, начатой Д. Ф. Петровым, использовали несколько подходов, некоторые из которых сейчас кажутся наивными, но они вполне соответствовали научным представлениям того времени. Один из них оказался продуктивным и продолжается в России в нашей лаборатории, а также в США, во Франции, в Мексике до настоящего времени. В этом исследовании передачу кукурузе (Zea mays L. - Zm) апомиктического способа репродукции осуществляли от ее дикого сородича - трипсакума (Tripsacum dactyloides L. - Td) путем гибридизации. Предполагалось, что бесполосеменное разможение у трипсакума контролируется двумя генами: один препятствует редукции числа хромосом, другой стимулирует развитие эмбриона из яйцеклетки, минуя опыление. Отсюда можно заключить, что для передачи такого типа размножения кукурузе необходимо перенести максимум две хромосомы от трипсакума в случае расположения предполагаемых генов в разных хромосомах. Считалось, что присутствие столь незначительного генетического материала от дикого родителя не окажет решающего влияния на внешний вид и хозяйственно-полезные признаки апомиктичной кукурузы.

На основе таких допущений и начались скрещивания кукурузы с ее диким родственником - трипсакумом. К удаче исследователей, оказалось, что признак бесполосеменного размножения передается по наследству получаемым гибридам.

Д. Ф. Петров и его коллеги создали целый ряд апомиктических гибридных линий. Наиболее стабильными из них были 38-хромосомные (20Zm+18Td), то есть содержащие 20 хромосом кукурузы и 18 хромосом трипсакума. Но они из-за большого количества генетического материала от дикого родителя оказались далеки от кукурузы, что исключало перспективу их коммерческого использования.

НА ПОРОГЕ НОВОЙ "ЗЕЛЕНОЙ РЕВОЛЮЦИИ"

Исходя из знаний генетики кукурузы, мы могли надеяться на достаточно быстрое "совершенствование" гибридов в сторону культурной формы. Американские генетики к середине 90-х годов прошлого столетия показали, что культурная кукуруза отличается от дикой единичными генами, контролирующими развитие (по разным оценкам, от 3 до 5). Поэтому, проводя отбор среди естественных и искусственно получаемых мутантов, можно достаточно просто усилить агрономически ценные признаки у бесполосеменных гибридов. Используя гамма-лучи в качестве мутагенного фактора, сотрудник нашей лаборатории Б. Ф. Юдин получил "кукурузоподобные" 58-хромосомные гибриды, весьма близкие к культурному родителю. Эти растения, как и кукуруза, имели по одному стеблю и по 12-14 рядов в початке. К сожалению, после обработки гамма-лучами признак апомиксиса проявлялся нестабильно, но стало очевидным, что совершенствование агрономичес ких признаков у гибридов реально.

В 1993 году мы получили предложение Министерства сельского хозяйства США провести совместные исследования по апомиктичной кукурузе с использованием нашего экспериментального материала. Кроме того, проект поддержал Российский фонд фундаментальных исследований. Работа была начата весной 1994 года в Оклахоме (США). Среди привезенных из Новосибирска линий гибридов сразу же удалось выявить несколько 39-хромосомных апомиктов. Примечательно то, что все они имеют идентичный набор из девяти одних и тех же хромосом трипсакума. Именно эти девять хромосом минимально необходимы для поддержания апомиктического способа размножения у гибридов. К сожалению, "дикие" хромосомы довольно существенно ухудшали хозяйственно-важные признаки культуры, прежде всего вес семян. У гибридов он был в среднем равен 0,06 г, что гораздо ближе к весу семян трипсакума (~0,03 г), чем кукурузы (~0,22 г). Кроме того, с точки зрения коммерческой перспективы была нежелательна избыточная кустистость гибридов.

Понимая, что апомиктичные гибриды должны будут конкурировать за рынок с кукурузой, мы провели сравнительный анализ признаков, по которым они ее превосходят. К таковым необходимо отнести урожай зеленой массы, высокое содержание в ней протеина и других переваримых компонентов, содержание в семенах полиненасыщенных жирных кислот, устойчивость растений к засухе, переувлажнению и засолению почвы.

Эти несомненные преимущества позволили бы уже сейчас использовать гибриды в качестве фуражной культуры. Однако пока они не могут давать семян из-за полной мужской стерильности (апомиктам необходимо оплодотворение центральной клетки, иначе зерновки не развиваются). Чтобы получить потомство от гибридов, приходится рядом высевать кукурузу в качестве опылителя. У первоначально выделенных 39- и 49-хромосомных линий фертильность (количество способных к дальнейшему развитию семян) была не более 3-5 процентов на початок. Нам удалось выяснить, что в значительной степени это связано с особенностями роста пыльцевых трубок при опылении. Подбором опылителей и других факторов удалось добиться 50-процентной фертильности, что с учетом большого числа початков на растениях-гибридах позволяет им конкурировать по семенной продуктивности с кукурузой.

Наша апомиктичная кукуруза уже запатентована в США и в 11 других странах. Но самое главное, создана огромная коллекция апомиктичных линий, которую можно будет использовать в качестве исходного материала как в академических исследованиях, так и в практической работе по созданию коммерческих сортов.

Сейчас стоит вопрос, кто первым в мире создаст апомиктичное культурное растение и реализует коммерческий сорт с использованием этого типа размножения. Двадцать лет назад нам казалось, что это будет сделано в нашей стране. Десять лет назад у нас появились сразу два сильных конкурента - Вэйн Ханна, работающий с жемчужным просо в США, и Ив Савидан, очень быстро повторивший наш путь гибридизации кукурузы с трипсакумом (совместный проект Международного института пшеницы и кукурузы в Мексике). Активно работают по генетике апомиксиса на модельных объектах Австралия и Европейский союз, постоянно привлекая российских ученых, к сожалению, лишь на правах исполнителей.

Сможем ли мы при столь значительной конкуренции сохранить позиции в дальнейшем? Науку делают не только идеи, но и методы, требующие значительных материальных ресурсов, а наши ресурсы несопоставимо меньше, чем у конкурентов. Достаточно долго нам удавалось, имея существенный задел, сохранять лидерство. Однако его легко потерять, и в данном случае навсегда, так как все, сделанное после первого апомиктического сорта, будет только повтором. Итак, вопрос о новой "зеленой революции" пока открыт, но до ее начала остается немного времени. Кто же будет первым? Вопрос в науке не праздный, ибо, как считал П. Л. Капица, быть лидером в науке или идти, пусть на полшага, но позади - принципиально разные состояния. Сможет ли российская наука адекватно отреагировать на вызов времени или мы будем с грустью вспоминать былые успехи и то, что Россия была духовной матерью второй "зеленой революции"? Здесь возможно повторение ситуации, случившейся с первой "зеленой революцией". Работа по созданию неполегающих пшениц на хорошо удобренных почвах была начата и успешно развивалась в 30-е годы XX века в Италии. Однако итальянским исследователям начатую работу не удалось довести до мирового признания, прежде всего из-за ее невостребованности и изоляции страны при Муссолини, а после войны идея была реализована Н. Борлаугом. Доктор биологических наук В. СОКОЛОВ (г. Новосибирск). Автор благодарен Российскому фонду фундаментальных исследований (грант 00-04-49542) за поддержку данной работы.

№6, 2005 год

http://www.nkj.ru/archive/articles/675/

БИФШТЕКС ИЗ ПРОБИРКИ

А. ЧУБЕНКО, биолог.

Человеку ежедневно требуется примерно 100 г белков, из них две третьих должны поступать из животных продуктов, что эквивалентно 300 г мяса или рыбы в день. Для четверти, а то и половины населения Земли - это немыслимая роскошь. Успехи биотехнологии наводят на мысль о возможности хотя бы частично накормить человечество синтетическим мясом. Писатели-фантасты уже давно эксплуатируют эту идею, и во многих фантастических романах большинство обитателей Галактики питаются синтетикой, а натуральный продукт могут позволить себе только богачи. А каковы реальные достижения?
ФИЛЕ ДЛЯ КОСМОНАВТОВ
В марте 2002 года биотехнологи из нью-йоркского Колледжа Туро (Touro College) устроили презентацию проекта, выполненного по заказу NASA. Им удалось заставить мышечную ткань золотой рыбки (Carassius auratus ) расти в питательном растворе, удваивая вес примерно за месяц. Обжаренные в оливковом масле с чесноком, лимоном и перцем, кусочки выглядели и пахли точь-в-точь как жареная рыба, но никто из приглашенных на презентацию не решился убедиться в том, что и на вкус они не отличаются от рыбы. Пробовали ли сами авторы свой продукт - неизвестно, но если они настоящие экспериментаторы, то наверняка рискнули, не дожидаясь одобрения FDA (Food and Drug Administration - Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов в США).

Разработчики и заказчики уверены, что космонавты не будут привередничать, и продолжают работу. Кусочки куриного и говяжьего филе уже способны жить в питательном растворе, осталось только добиться их роста, устроить еще одну презентацию и продолжать исследования. Статью М. А. Бенжаминсона (M. A. Benjaminson) и его коллег можно найти в журнале "Acta Astronautica" за декабрь 2002 года. Исследование, несомненно, ценное, но скорее для тканевой инженерии, а не для пищевой промышленности.

Причин, по которым даже космонавты в ближайшие сотню-другую лет будут есть "пробирочные" бифштексы в лучшем случае только в День космонавтики, и то на Земле, множество. Прежде всего - закон сохранения массы. Для синтеза одного грамма сухого вещества мышечной ткани теоретически потребуется не менее десяти граммов сухого веса реактивов. А на практике - во много раз больше: воду можно регенерировать, а питательную среду, испорченную продуктами метаболизма клеток, придется отправлять в конвертер вместе с неиспользованными реактивами. Да и сам биореактор, в котором раз в неделю созревал бы фунт филе, весит немало. Дешевле запасти мороженого мяса на дорогу до Марса и обратно. Так что пока космические технологии отрабатывают на перенаселенной и недоедающей Земле. Но могут ли земляне рассчитывать на бифштексы из пробирки?

В научной фантастике встречается описание биофабрик, где выращивают мышечную ткань с оптимально сбалансированным для питания человека составом - угадайте, какого вида живых существ? Если вам не хочется котлет из культуры человеческих эмбриональных клеток, можно пустить на развод стволовые клетки, выделенные из вашего собственного костного мозга. Тоже не нравится? Ну, хотя бы против мышечных клеток рогатого скота у вас предубеждения нет? Тогда доставайте чековую книжку.

Пожалуй, для выращивания космического филе лучше всего подойдет питательная среда на основе сыворотки крови телячьих эмбрионов: содержащиеся в ней гормоны, цитокины и другие известные и неизвестные вещества стимулируют рост клеток. Клетки считают не килограммами, а миллионами штук, диаметром 20-30 микрон каждая, но, попутавшись в нулях, я получил, что только реактивы для выращивания килограмма клеток обойдутся в 10 тысяч долларов. Даже если удастся вырастить бифштекс (скорее все-таки фарш) на менее дорогой сыворотке из крови взрослых быков и коров, он все равно будет во много раз дороже черной икры. На дешевых бессывороточных средах клетки животных не растут. Снижение цен на стерилизаторы, биореакторы и питательные среды в ближайшие сто лет не предвидится. А еще придется решить массу технических вопросов. В культуре клетки прилипают ко дну и друг к другу, прекращают рост и гибнут. Чтобы не допустить этого, среду перемешивают. Попытки вырастить in vitro не культуру клеток, а ткань создают массу дополнительных сложностей. В организме действует система тканевой микроциркуляции, которая доставляет к каждой клетке питательные вещества и кислород и удаляет продукты метаболизма. Чтобы обеспечить нечто подобное в биореакторе, необходимо предусмотреть включение в систему капилляров и более крупных сосудов, подсоединенных вместо сердца к пламенному мотору. И если такие решения будут найдены, использовать их следует не для производства бифштексов, а для выращивания искусственных органов с целью пересадки - только в этом случае окупится цена на вес золота.

Что касается продуктов питания, то их можно получать не просто более дешевыми, но даже рентабельными методами. И при этом удастся обойтись без культуры животных тканей.

Лет тридцать назад, когда на каждой лестничной площадке стояли вонючие баки с пищевыми отходами, выдвигался такой прожект: выращивать на этих и других отходах личинки обычных домашних мух на корм скоту, а возможно, и для человеческого питания. В кулинарных книгах народов мира есть много оригинальных рецептов, от сырых вшей до печеных миссионеров. По составу опарыши действительно полезнее говядины, но из эстетических соображений я предпочту им бифштекс из хорошо прожаренных микроорганизмов.

ВСЕЯДНЫЕ ДРОЖЖИ

Идея использовать для производства пищевого белка дрожжи возникла в конце XIX века. В Первую мировую войну в Германии в год производили до 10 тысяч тонн дрожжей для пищевых эрзацев, а в тридцатых годах XX века во всем мире заработали заводы по переработке в кормовой белок отходов самых разных производств, от патоки и молочной сыворотки до гидролизованных серной кислотой опилок и кукурузных кочерыжек. Тогда же советский фантаст Александр Беляев написал повесть "Вечный хлеб". Сюжет ее похож на сказку про волшебный горшочек: некий профессор, желая облагодетельствовать человечество, открыл дрожжи, которые питались воздухом и производили безвкусную, но питательную биомассу. Дело чуть не кончилось глобальной катастрофой: халява начала бесконтрольно распространяться по биосфере, раз в полчаса удваиваясь в объеме. К счастью, профессор успел открыть вирус, смертельный для "вечного хлеба" и безвредный для всего остального.

В шестидесятые годы ХХ века на волне, поднятой прогнозами скорой экологической и демографической катастрофы, вывели (старинными методами - генной инженерии тогда еще не было) штаммы дрожжей, способных питаться нефтепродуктами. Заводов по переводу нефти на корм скоту понастроили по всему миру, от Англии до Японии. Впереди планеты всей была богатая и великая страна СССР. К счастью, в семидесятых годах разразился нефтяной кризис, и к середине восьмидесятых производство белка из нефти практически прекратилось. К счастью - потому, что нефтяной белок и отходы его производства оказались настолько сильными аллергенами, что заболеваемость бронхиаль ной астмой в городе Кириши Ленинградской области, расположенном на окраине комбината "Киришинефтеоргсинтез" с крупнейшим советским производством белково-витаминного концентрата (БВК), была раз в десять выше среднестатистической.

Сейчас БВК, он же - белок одноклеточных организмов (БОО), получают главным образом из дрожжей, выращенных на отходах пищевой промышленности, и используют в качестве добавки к кормам для сельскохозяйственных животных. Как-то я из любопытства пожевал гранулу такого концентрата - честно говоря, гадость, но куры клевали с энтузиазмом. Если такой концентрат дезодорировать и ароматизировать, в колбасе его было бы не отличить от сои.

Но в дрожжах слишком много нуклеиновых кислот: чем быстрее клетки делятся, тем больше в них ДНК и РНК. А пуриновые основания в организме человека превращаются в мочевую кислоту и в больших количествах нарушают пуриновый обмен и вызывают заболевания, прежде всего, суставов и почек. Два грамма нуклеиновых кислот в день в дополнение к обычной диете - максимум, рекомендованный Всемирной организацией здравоохранения. Поэтому в человеческом питании применяют только биологически активные добавки из пивных дрожжей - источник витаминов группы В и других биологически активных веществ. У дрожжей и водорослей, в том числе у популярной среди героев научно-фантастических романов хлореллы, есть еще один недостаток - слишком прочная клеточная стенка, из-за которой содержимое клеток плохо усваивается.

Животные едят корма с добавкой БОО из дрожжей или хлореллы с удовольствием и пользой для здоровья. Толстая клеточная стенка в пищеварительной системе коровы или курицы переваривается без проблем, и пуриновые основания скотине не страшны: мочевая кислота в организме животных превращается в мочевину.

Кстати, гена, кодирующего необходимый для этого фермент уриказу, нет только у приматов. Эту делецию - выпадение гена из хромосомного набора - считают одной из причин того, что мы, приматы, такие умные. Мочевая кислота по строению молекулы похожа на кофеин и, возможно, стимулирует деятельность головного мозга. У всех животных, кроме приматов, мочевая кислота разлагается, не успев стукнуть в голову, - зато у них реже, чем у нас, случаются подагра и камни в почках.