Итак, давайте разбираться, просто о сложном.
Что такое ДНК и РНК мы все помним со школьной скамьи. Не все помнят, чем они отличаются, но точно знают, что это как-то связано с генами и наследованием признаков организма. А еще все сразу вспоминают, что ГМО – это страшно, потому что там чужая ДНК. Про ГМО мы поговорим в другой раз, а сейчас я хотела бы рассказать вам о новом подходе в защите растений.
ДНК (ДизоксирибоНуклеиновая Кислота) — это биомолекула, которая выполняет функцию хранения генетической информации. Давайте будем приводить пример на одном белке, например, цитохром Р450. Функций у этого белка очень много, но нам с вами важно понимать, что он есть и у нас с вами, и у других организмов, в том числе насекомых. Значит в ДНК содержится информация о гене цитохром Р450.
РНК (РибоНуклеиновая Кислота) — это биомолекула, состоит из длинной цепи нуклеотидов, которая выполняет различные функции в организме. РНК бывает разной, в зависимости от той функции, которую она выполняет. Например, если РНК выполняет функцию копирования с ДНК информации о гене, то она называется матричной – мРНК (или информационной иРНК). Так, наша мРНК содержит информацию о том, как сделать белок цитохром Р450.
Но сама мРНК не может сделать белок, поэтому она эту информацию передает ответственным за это белкам рибосомам, и уже они при помощи других молекул – транспортных РНК, синтезируют белок. Поэтому и существует такая запоминающаяся со школы последовательность «ДНК-РНК-белок».
Еще существую малые молекулы РНК – siРНК (small interference – малые интерферирующие) и микро РНК, которые выполняют в организме контролирующую функцию, они могут мешать процессу синтеза белка с мРНК. Это необходимо организму на различных этапах роста и развития, а также в защите от вирусов. А ученые придумали как такую систему можно использовать для научных исследований.
Процесс РНК-интерференции – это процесс разрушения мРНК за счет малых молекул РНК. Таким образом, наш белок цитохром Р450 будет скопирован на мРНК с ДНК, но самого белка в организме не будет синтезироваться.
Крейг Мелло и Эндрю Файер в статье в журнале Nature в 1998 году описали эффект сайленсинга генов (подавление экспрессии) после введения двуцепочечной РНК в организм круглого червя Caenorhabditis elegans (doi:10.1038/35888). В 2006 году за исследования в области РНК-интерференции Файер и Мелло получили Нобелевскую премию в области физиологии и медицины.
Для чего нем нужно было разобраться с основными участниками процесс РНК-интерфернции, спросите вы. Это необходимо, чтобы понять в чем заключается смысл метода для защиты растений от насекомых вредителей. Исследователи придумали, что можно использовать двухцепочечную РНК (дцРНК, на английском dsRNA) для подавления уровня экспрессии жизненно важных генов у насекомых, чтобы контролировать численность вредителей.
Такие молекулы дцРНК в организм насекомых можно доставить различными путями. Например, можно уколоть насекомым эти молекулы прямо в гемолимфу, но не будет же агроном бегать за каждой личинкой по полю со шприцом (смотри как это видит ИИ на картинке). Этот метод подходит для лабораторных исследований.
Можно обработать насекомых поверхностно, купать насекомых в растворе. Такой метод может подействовать, если применять раствор дцРНК вместе с обработкой полей биологическими инсектицидами методом опрыскивания (смотри как это видит ИИ на второй картинке).
Можно сделать так, чтобы в растении содержались молекулы для РНК-интерференции. В 2015 году в Китае ученные показали, что РНК, доставляемая через корни риса и кукурузы, помогает защитить растения от насекомых. В тоже время другая группа ученых показала, что экспрессия дцРНК в хлоропластах картофеля защищает картофель от колорадского жука (DOI: 10.1126/science.1261680).
Еще одна гениальная идея доставки таких молекул дцРНК до вредителя – это использование симбионтов вредителей (DOI: 10.1098/rspb.2016.0042). Ученые придумали, что можно выделить симбионтную бактерию из кишечника вредителя, трансформировать ее так, чтобы он синтезировала дцРНК, а затем вновь скармливать эту бактерию насекомым.
И насколько такой метод является специфичным по отношению к вредителям спросите вы. В начале статьи я рассказывала, что белок цитохром Р450 есть у разных организмов, но он разный и кодируется в ДНК по-разному у всех организмов. А это означает, что дцРНК, созданная для одного организма, например колорадского жука, будет работать только у колорадского жука и ни у кого больше, что делает её уникальной по эффективности и селективности по сравнению с традиционными агрохимикатами.
Сейчас ученые работаю в разных направления по развитию метода РНК-интерференции. Например, в статье представлены недавние инновации, которые фокусируются на системах доставки дцРНК на основе наночастиц для преодоления физиологических барьеров у насекомых (doi.org/10.1016/j....).
Исследователи разработали хлопок, экспрессирующий как белок Bt, так и двуцепочечную РНК, нацеленную на гены, участвующие в синтезе ювенильных гормонов. Было показано, что эта комбинация снижает выживаемость устойчивых к Bt хлопковой совки H. Armigera (doi.org/10.1007/97...).
Другой подход заключается в генной модификации самих бактерий Bt для экспрессии двуцепочечной РНК. Эти модифицированные бактерии затем можно использовать в составе распыляемой формулы, смешивая с исходными бактериями Bt, для доставки как токсина Bt, так и двуцепочечной РНК к целевым вредителям (тоже можно преставить, как на второй картинке) (doi.org/10.3390/ij...).
Спрей с дцРНК усиливает вирулентность энтомопатогенных грибов Beauveria bassiana в борьбе с тлями (doi.org/10.1007/s1...). Тли – основная группа вредителей сельскохозяйственных культур, которые питаются непосредственно флоэмой и косвенно переносят вирусы растений.
15 июня 2017 года Агентство по охране окружающей среды США (EPA) одобрило первую в мире устойчивую к насекомым трансгенную кукурузу MON87411, экспрессирующую двухцепочечную РНК (дцРНК) для борьбы с корневыми жуками, что открыло третью революцию в истории пестицидов (Christiaens et al., 2022; De Schutter et al., 2022).
*Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России, в рамках Десятилетия науки и технологий.
Автор: Екатерина Гризанова