„Metoda de editare a genomului nu ar trebui să se opună metodelor tradiționale de selecție. „Acesta este mai degrabă un instrument nou”, subliniază șeful laboratorului de rezistență la stresul plantelor. Institutul de Cercetare a Biotehnologiei Agricole (VNIISB) Vasily Taranov. – Pe vremuri, chirurgii făceau operații cu un cuțit, apoi au apărut bisturii, apoi lasere. Opțiuni complet diferite au devenit disponibile pentru operație. Așadar, ingineria genetică oferă un instrument cu care poți lua și îmbunătăți ceva, dar nu anulează sau înlocuiește tot ce a fost folosit anterior.”
Institutul de Cercetare a Biotehnologiei Agricole din Rusia (VNIISB) operează un laborator pentru rezistența la stresul plantelor, a cărui activitate se desfășoară în două direcții principale: căutarea genelor care determină rezistența plantelor la stresul abiotic și biotic și editarea genomului. a plantelor cultivate pentru a le creste rezistenta la stres. Zona de cercetare a oamenilor de știință include cartofi și legume deschise.
Discutăm cu șeful laboratorului Vasily Taranov și cercetătorul principal Marina Lebedeva despre care sunt caracteristicile și avantajele celor mai noi tehnologii, ce rezultate pot obține și ce probleme ale producătorilor agricoli ruși sunt folosite de oamenii de știință de laborator pentru a le rezolva.
– Astăzi se vorbește mult despre necesitatea grăbirii procesului de selecție. Se crede că metoda de editare a genomului permite acest lucru. Asta este adevărat?
V.T.: Ar fi mai corect să spunem că metodele biotehnologice ajută nu atât la accelerarea selecției, cât la extinderea capacităților oamenilor de știință. Procesul de lucru asupra unui soi rămâne încă destul de lung, deoarece vorbim de plante care au un anumit ciclu de viață.
Dar devine posibil ca specialiștii să obțină rezultate care ar fi extrem de greu (dacă nu imposibil) de obținut folosind metodele tradiționale de ameliorare.
Cu ajutorul editării genomice, putem introduce intenționat o mutație care afectează direct o caracteristică specifică a unui soi, păstrând în același timp restul complexului de trăsături valoroase din punct de vedere economic neschimbat.
M.L.: Imaginați-vă că vrem să introducem o genă de rezistență dintr-un cartof sălbatic în soiul nostru cultivat folosind metode tradiționale de ameliorare. Pentru a face acest lucru, crescătorul efectuează o serie de încrucișări ale „sălbaticului” cu anumite linii culturale. Problema este că, împreună cu gena de rezistență, toate celelalte gene „sălbatice” sunt transferate la soi, ceea ce este cel mai adesea extrem de nedorit. Ingineria genetică vă permite să luați/modificați o singură genă dorită.
– Există un punct de vedere că, în ciuda faptului că metoda de editare a genomului este cunoscută de aproximativ 10 ani, nu a produs încă rezultate comerciale notabile.
V.T.: Acest lucru nu este în întregime adevărat. Cele mai importante companii de reproducere din lume folosesc editarea genomului și nu o ascund. Dar nu știm ce fac ei exact și ce rezultate obțin.
Realizările nu sunt anunțate deoarece este mai costisitor să scoți pe piață o plantă care a fost prelucrată prin metode de inginerie genetică decât una care a fost obținută în mod tradițional. Și uneori acest lucru este pur și simplu imposibil de făcut.
În același timp, este foarte dificil de demonstrat că editarea genomului a fost folosită pentru a crea o anumită varietate folosind metodele existente.
În timpul testului, specialiștii vor căuta o secvență marker în genomul organismului; dacă aceasta este prezentă, planta va fi recunoscută ca fiind modificată genetic. Dar cu editarea genomică, nimic nu este introdus în genom, așa că nu poate fi găsit nimic.
Schimbările afectează adesea nu doar o genă, ci un loc specific în genă, literalmente o nucleotidă, o literă. Și miliardele rămase de scrisori rămân așa cum erau. Pentru a determina că o plantă a fost editată, trebuie să-i citiți efectiv întregul genomul, cu o acoperire de zece ori mai mare decât standardul pentru a elimina eroarea. Nimeni nu va face o analiză atât de voluminoasă și foarte costisitoare, iar crescătorul poate spune întotdeauna că a obținut planta folosind mutageneza sau selecția tradițională.
– M.L.: Editarea genomului în general, și în special experiența utilizării acestor tehnologii pe plante, este o poveste destul de recentă.
Nu în ultimul rând pentru că pentru a schimba o caracteristică trebuie să știi ce anume și cum să o editezi. Trăsăturile plantelor sunt determinate de gene, cel mai adesea un set de gene, din care trebuie selectate ținte adecvate pentru editare. Dar elucidarea funcțiilor și reglarea unor gene specifice care contribuie la trăsăturile de interes necesită studii complexe și adesea îndelungate. În comparație cu animalele și oamenii, putem spune că nu cunoaștem foarte bine multe dintre mecanismele moleculare ale trăsăturilor plantelor (de exemplu, rezistența, productivitatea etc.). În același timp, genomul plantelor este mai mare și mai complex, ceea ce nu simplifică deloc sarcina. Cu toate acestea, multe sunt deja cunoscute prin cercetarea de bază în biologia plantelor și, cu cât înțelegem mai mult acest lucru, cu atât cresc posibilitățile noastre de modificare.
În plus, vorbim despre o metodă care face posibilă corectarea anumitor caracteristici, dar nu introducerea pe piață a soiurilor noi, lucru la care, în ciuda unei oarecare accelerații, încă mai durează ani de zile.
– Biotehnologii fac editarea genelor? Cum determină ei direcția reală a lucrării (scopul editării)?
V.T.: Biotehnologul trebuie să lucreze în tandem cu un ameliorator de succes al culturii alese și, în mod ideal, să implice alți producători specialiști. Crescătorul, împreună cu fermierii, stabilește sarcina, crescătorul ajută la selectarea genotipurilor potrivite. Noi, la rândul nostru, ne consultăm cu biochimiștii și geneticienii, ne gândim ce putem oferi pe această bază (caracteristicile necesare nu sunt întotdeauna suficient studiate din punct de vedere biologic). Ne uităm la ceea ce putem face de fapt, ne desfășurăm etapa de lucru, returnăm linia rezultată crescătorului, iar ameliorătorul aduce rezultatul soiului.
- Este editarea genomului o tehnologie costisitoare?
V.T.: Costul obținerii unei plante depinde de cultură și dacă planta rezultată este editată sau transgenică.
Dacă vorbim despre echipamente, atunci pentru o companie care este deja angajată în obținerea de material fără viruși și microclonare, achiziționarea de echipamente și reactivi pentru editarea genomului va costa o sumă relativ mică. Obstacolul în calea începerii unei astfel de lucrări poate nu este investiția copleșitoare, ci lipsa personalului calificat. Sunt foarte puțini oameni care pot prelua și îndeplini o sarcină atât de specializată.
Și revenind la costuri: progresul tehnologic în acest domeniu este foarte rapid. Metodele de editare a genomului, să zicem, în 2012, când a fost descoperit CRISPR/Cas9 (o tehnologie de editare a genomului organismelor superioare, bazată pe sistemul imunitar al bacteriilor), și ceea ce avem acum sunt foarte diferite. Eficiența operațională crește de la an la an, iar costurile scad.
M.L.: Acest lucru poate fi comparat cu proiectul de secvențiere a genomului uman. Primul genom uman a fost secvențiat de un consorțiu internațional timp de 10 ani pentru 2.7 miliarde de dolari pur și simplu pentru că astfel de tehnologii erau disponibile în anii '90. În prezent, secvențierea unui genom uman complet costă mai puțin de 1000 de dolari și durează câteva zile.
– Să trecem la a vorbi despre laboratorul tău, este axat pe știința fundamentală sau pe cercetare aplicată?
V.T.: Încercăm să le facem pe amândouă. Inițial, s-a acordat prioritate lucrurilor fundamentale, dar acum încercăm să aplicăm dezvoltările noastre în practică.
În acest moment, de exemplu, studiem mecanismele rezistenței cartofului la virusul Y. Aceasta este o mulțime de muncă fundamentală, dar dacă reușește, rezultatul va fi foarte interesant pentru selecția soiurilor rezistente.
M.L.: Știința fundamentală și cea aplicată sunt strâns legate între ele; una nu poate exista fără cealaltă. Dacă nu știm cum interacționează virusul cu planta, cu ce proteine specifice, nu le vom putea schimba pentru a face planta rezistentă.
Facem cercetări asupra virusului Y din 2018 și acum ne apropiem de faptul că în următorii doi ani vom obține o formulă de rezistență, iar în viitor rezultatul practic necesar: planta de cartof nu va sintetiza proteine virale, ci va fi rezistent la virus.
– Cooperați cu companii/crescători ruși?
V.T.: În ceea ce privește cartofii, lucrăm cu o tânără crescătoare Maria Polyakova, comunicăm activ cu experții din Uniunea Cartofilor și menținem contacte cu Centrul Federal de Cercetare a Cartofilor, care poartă numele. A.G. Lorja. În ceea ce privește varza, interacționăm cu crescătorii și cultivatorii de semințe ai Universității Agrare de Stat din Rusia-Academia Agricolă din Moscova, care poartă numele. K.A. Timiryazev de Grigori și Socrate Monachos. Și în ceea ce facem în acest domeniu, ne ghidăm complet după ei.
– Și din nou despre viruși. Marina Valerievna, gama dvs. de interese științifice include nu numai virusul Y. În 2023, ați primit un grant de la Fundația Rusă pentru Știință pentru a efectua cercetări privind proiectul „Studiul viromilor de cartofi cultivați (Solanum tuberosum L.) folosind metode de secvențiere cu randament ridicat”. De ce este interesant acest subiect?
M.L.: Cartofii, într-o măsură mai mare decât multe alte plante, suferă de boli virale, deoarece se înmulțesc vegetativ. Virușii se acumulează în tuberculi și sunt transmise generațiilor următoare, astfel încât încărcătura virală crește constant. Când se spune că cartofii degenerează, tocmai despre asta vorbim.
Virușii nu sunt sisteme inerte; ei interacționează activ atât cu planta gazdă, cât și între ei. Există cazuri în care o plantă care este deja bolnavă de un anumit virus nu se poate infecta cu altul. Și există viruși care nu pot infecta singuri o plantă; aceștia acționează doar în cooperare cu alți viruși. Recent, a fost publicată o lucrare care descrie forme de viruși care ajută plantele să supraviețuiască secetei. O astfel de tranziție neașteptată de la parazitism la mutualism.
Nu există substanțe chimice eficiente pentru a combate bolile virale de pe cartofi. Pentru a-i imbunatati sanatatea, s-au dezvoltat metode destul de complexe si, cel mai important, costisitoare: prin cultura in vitro, obtinerea de microtuberi. Dar rezultatul durează doar câteva generații. Pentru a găsi alte soluții, trebuie să studiați mai detaliat caracteristicile virușilor, așa că studiul este foarte, foarte relevant.
– GOST 33996-2016 „Cartofi de sămânță. Condiții tehnice și metode de determinare a calității” sunt enumerate cinci virusuri (PVK - virusul X al cartofii; SBK - virusul S al cartofii; MVK - virusul M al cartofii; YBK - virusul Y al cartofii; VSLK - virusul curlării frunzelor. cartof) și un viroid (PSTV – potato spindle tuber viroid). Te vei concentra asupra lor?
M.L.: Proiectul meu își propune să utilizeze metode de mare debit pentru a studia acele virome (colecții de viruși) care sunt prezente pe cartofi în Rusia. Acest lucru este interesant atât din punctul de vedere al complexelor diferitelor viruși pe o plantă, cât și din punctul de vedere al prevalenței acestor viruși.
În total, peste 50 de viruși găsiți pe cartofi sunt cunoscuți în lume. Cele enumerate în GOST sunt printre cele mai periculoase și, în plus, au semne externe clare. Astfel, necroza mozaicului este o manifestare comună a infecției cu virus Y, iar prezența virusului curlului frunzelor poate fi determinată de deformarea caracteristică a lamelor frunzelor.
Există însă mulți viruși care nu se manifestă fenotipic, deși pot avea efect și asupra culturii. Rareori sunt descoperite, dar doar pentru că nu sunt căutate.
Ca exemplu, pot cita munca colegilor de la Institutul de Cercetări All-Russian pentru Protecția Plantelor (VIZR). În 2019, au publicat un articol despre descoperirea virusului cartofului P în Rusia. Anterior se credea că acesta a fost distribuit exclusiv în America de Sud.
Întrebarea este ce vom descoperi dacă nu ne uităm „sub lumina străzii” unde este lumină, ci unde nu ne-am uitat încă.
– Unde vă veți desfășura cercetările?
M.L.: Potrivit termenilor grantului, proiectul va dura doi ani. Anul trecut am colaborat cu o fermă de cartofi din regiunea Tula, am colectat material, am lucrat cu diferite soiuri și reproduceri. Anul acesta vom merge în alte regiuni și vom vedea ce viruși se găsesc acolo.
Rezultatele studiului vor fi rezumate în 2025 și cu siguranță le vom spune cultivatorilor ruși de cartofi.