Биотехнология в сельском хозяйстве

182

Трансгенные растения

ВВЕДЕНИЕ. Изменение растений генно-инженерными методами преследует цель не только модификации их собственных веществ («растительного сырья»), но и синтеза ценных веществ в растениях. Например: 1) может происходить изменение аминокислотного состава, изменение содержания крахмала и масел (жиров), а в древесине – лигнина; 2) синтез чужеродных (для растения) веществ, таких как антитела или их фрагменты, вакцины, сывороточный альбумин человека или биополимеры.

МОДИФИКАЦИЯ СОБСТВЕННЫХ ВЕЩЕСТВ РАСТЕНИЯ.

Восполнение в растительных белках недостатка незаменимых аминокислот (преимущественно L-лизина и L-метионина) осуществляется несколькими вполне эффективными путями: а) экспрессией генов более выгодных в этом отношении белков из других растений; б) сайт-направленным мутагенезом генов этих белков для внедрения незаменимых аминокислот вместо заменимых; в) встраиванием генов, которые контролируют синтез необходимых белков (например, генов аспартаткиназы из Escherichia coli и синтазы дегидродипиколиновой кислоты из Corynebacterium для повышения выхода в синтезе L-лизина). Другой задачей является изменение содержания и состава крахмала. Активность АДФ-глюкозопирофосфорилазы, ключевого фермента в биосинтезе крахмала, регулируется во многих растениях аллостерически. Путем встраивания нерегулируемого гена из E. coli удается получить томаты с содержанием крахмала выше на ~20%. Отношение содержания линейной формы (амилозы) к разветвленной (амилопектину) определяет использование крахмала в пищевых или технических целях. Повышение уровня экспрессии гена glgB из E. coli, контролирующего образование α-1,6- связей между мономерами крахмала, в присутствии промотора гена синтазы гранулированного крахмала, у картофеля приводит к накоплению крахмала с повышенным почти на 25% содержанием амилопектина. Состав жирных кислот в масличных культурах также может быть изменен. Например, лауриновая кислота (C12), очень важный компонент для получения растворимых в холодной воде детергентов, в большом количестве содержится только в маслах тропических растений (в кокосовой и других пальмах) в форме триглицеринов. Путем встраивания гена специфичной к длине углеродной цепи ACP-эстеразы жирных кислот из лавра (Umbellularia california) (или иным способом) в высокопродуктивные селекционные линии рапса удается получить трансгенные растения, которые содержат в семенах до 50 моль % трилауроилглицерина. Содержание лигнина в древесине удается понизить путем модификации генов ферментов, участвующих в биосинтезе (стадии образования промежуточного метаболита – коричной кислоты).

ПОЛУЧЕНИЕ ЧУЖЕРОДНЫХ ДЛЯ РАСТЕНИЯ ВЕЩЕСТВ.

Большинство исследований в этой области проводят на растениях табака или Arabidopsis thaliana, которые особенно легко подвергаются трансформации. Так, возможна экспрессия гена человеческого сывороточного альбумина, а также получение IgG-антител, которые используются в профилактике кариеса против адгезина Streptococcus mutans. Общая концентрация целевых белков может достигать 1%. Дешевый метод получения антигенов в растениях открывает дорогу вакцинированию населения в развивающихся странах путем приема пищи. В модельных экспериментах удалось добиться того, что поверхностные антигены вируса гепатита B в табаке составили 0,01% содержания всех растворимых белков, и добавление порошка из трансгенного табака к рациону мышей приводило к развитию у них иммунного ответа. Потребление картофеля, содержащего энтеротоксин B из E. coli, также вызывает иммунный ответ у человека. Экспрессия оперона Alcaligenes eutrophus, состоящего из трех генов и ответственного за синтез полигидроксибутиратов, в хлоропластах Arabidopsis thaliana или рапса дает возможность получать этот способный к биодеградации пластик дешевым путем при фотосинтезе. С экономической точки зрения такой синтез этого биополимера все же нуждается в дальнейшем усовершенствовании.

Томатная паста

Из томатов повышенной сахаристости

Трансгенный рапс с измененным содержанием жирных кислот

иммунную реакцию и привело к смерти 18-летнего пациента. С тех пор использование аденовирусов в медицине практически прекращено. В настоящее время изучается возможность использования векторов на основе вируса простого герпеса Нerpes simplex для генной терапии таких нервных расстройств, как болезни Паркинсона или Альцгеймера. Вирус Нerpes simplex обладает большим ДНК-геномом (152 т.п.н.), следовательно, в него можно встраивать крупные фрагменты ДНК.

ВИРУСЫ В ЭКСПЕРИМЕНТАХ С РАСТЕНИЯМИ.

Большинство вирусов растений имеют РНК-геном. Известны лишь две группы ДНК-содержащих вирусов, которые могут инфицировать высшие растения. У каулимовирусов спектр клеток-хозяев очень узкий: они поражают только представителей семейства крестоцветных – свеклу и некоторые сорта капусты. Каулимовирусы имеют очень маленький капсид, поэтому их собственный геном и чужеродная упакованная ДНК очень невелики. Геминивирусы инфицируют такие важные сельскохозяйственные культуры, как кукуруза и пшеница, поэтому их использование сопряжено с высокой степенью риска. Кроме того, при инфекции в геноме геминивирусов происходят множественные перестройки, в том числе и делеции ДНК, поэтому часто возникают проблемы с экспрессией встроенных фрагментов ДНК.

БАКУЛОВИРУСЫ. Эти вирусы заражают насекомых, но безопасны для позвоночных. В результате вирусной инфекции в клетке начинается синтез кристаллического белка полигедрина (полиэдрина), а синтез более половины белков клетки-хозяина подавляется. Промотор полигедрина используется при создании векторов для гетерологичной экспрессии в клеточной культуре Spodoptera (род бабочек). Премущество заключается в том, что посттрансляционное гликозилирование в такой системе аналогично таковому у позвоночных. В настоящее время перечисленные системы экспрессии используются только в лабораторных исследованиях.

Многообразие вирусов

Вирус оспы

Для сравнения: клетка Escherichia coli

100 нм

Вирус табачной мозаики Каулимовирус