ЛЕКЦИЯ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТРАНСГЕННЫХ РАСТЕНИЙ ДЛЯ МЕДИЦИНСКИХ ЦЕЛЕЙ
С момента публикации в 1983 г. первых работ по получению трансгенных растений табака генетическая инженерия растений прошла стремительный путь развития как в фундаментальных, так и в прикладных научных направлениях.
В настоящее время практическая генноинженерная биотехнология развивается по двум основным направлениям. Первое направление, получившее неудачное название «молекулярная селекция» (molecular breeding), специализируется на решении новыми методами традиционных селекционно-генетических проблем повышения продуктивности сельскохозяйственных растений и их защиты от различных биотических и абиотических стрессовых факторов. Второе направление, названное «молекулярным производством» (molecular farming), специализируется на получении и использовании трансгенных растений в качестве биореакторов, продуцирующих ценные для промышленности и медицины органические соединения.
Метаболическая инженерия растений
Метаболическая инженерия направлена на проведение трансгенной клеткой новых биохимических реакций. Эти реакции детерминируют ферменты, кодируемые чужеродными генами или собственными модифицированными генами. Растения представляют один из наиболее привлекательных объектов для метаболической инженерии. Имея одинаковые пути синтеза основных биологических соединений, растения отличаются поразительным разнообразием своих конечных продуктов: сахаров, ароматических соединений, жирных кислот, стероидных соединений и других биологически активных веществ. Растения дают человечеству десятки тысяч природных продуктов, многие из которых представляют большую ценность для фармакологии и промышленности.
Часто такими продуцентами важных лекарственных веществ являются уникальные тропические и эндемические растения, недоступные для их агротехнического производства в умеренных климатических зонах большинства развитых стран мира. Выделение из таких растений генов, определяющих направленный синтез специфических органических соединений, и их перенос в подобранные соответствующие растения превращают их в новые продуценты важных биологически активных веществ.
Многие растения содержат предшественники биосинтеза ценных биологических соединений, однако они не имеют ферментов для их превращений в эти соединения. Часто для целей метаболической инженерии достаточно переноса в клетку только одного гена. Примером такого типа метаболической инженерии является получение новых растений – продуцентов скополамина. Скополамин, как и атропин, является антихолинэргическим лекарственным веществом. Перенос гена гиосциамин-6-b-гидроксилазы из белены (Hyoscyamus niger) в растения красавки (Atropa belladonna) превратил продуцент атропина в продуцент скополамина. Указанный фермент катализирует реакцию превращения рацематной смеси алкалоидов гиосциамина (атропин) в 6-b-оксигиосциамин с последующей его 6,7-эпоксидацией в скополамин.
Такая же логика была использована при переносе гена стилбенсинтазы винограда в клетки табака. Стилбенсинтаза катализирует реакцию синтеза резвератрола из трех молекул малонил-СоА и одной молекулы 4-кумарил-СоА, соединений, присутствующих в клетках любых растений (рис. 2). Получены растения, синтезирующие резвератрол.
Резвератрол является мощным антиоксидантом, блокирует свободнорадикальные реакции в организме, замедляет процессы старения и преждевременное увядание, оказывает разностороннее противоопухолевое действие, напрямую блокируя размножение опухолевых клеток. Резвератрол по своей структуре напоминает женский половой гормон и проявляет эстрогенную активность. Как и все фитоэстрогены, резвератрол уменьшает риск развития остеопороза, способствует омоложению кожи. Интересно отметить, что резвератрол является также растительным антибиотиком, фитоалексином, олигомерная форма которого, винеферин, токсична для фитопатогенных грибов. Получение овощных и плодовых растений с повышенным содержанием резвератрола можно рассматривать в качестве лечебных диетических продуктов с натуральной биологически активной добавкой. Для целей метаболической инженерии перспективно применение стратегии антисмысловых РНК (РНК-интерференции).
Создание растений с улучшенными лечебно-диетическими свойствами
В настоящее время не вызывает сомнений, что многие продукты, потребляемые с фруктами, овощами и злаками, могут проявлять фармакологические эффекты и блокировать развитие сердечно-сосудистых, раковых и других заболеваний. К таким природным соединениям растений относятся сульфорафан из брокколи, резвератрол из винограда, генистеин из сои, эпигаллокатехин-3-галлат из зеленого чая.
Ранее было практически невозможно с помощью селекции создать растения с повышенным содержанием витаминов. Однако с развитием биохимии растений стало более ясным, какие метаболические пути являются критическими для биосинтеза витаминов. Например, для синтеза β-каротина (провитамина А) в растениях необходима фитоен-синтетаза. Этот фермент участвует в конденсации двух молекул геранил-геранил дифосфата. Ген фитоен-синтетазы из нарцисса введен в рис и экспрессирован в эндосперме риса. Таким образом, получен «золотой рис», который может помочь 2 млрд. человек, страдающих от дефицита витамина А, для которых рис – основная пища. Получены трансгенные растения рапса (канолы), экспрессирующие ген фитоен-синтетазы, в семенах которых значительно повысилось содержание каротиноидов. Показана экспрессия этого же фермента в клубнях картофеля, что приводило к повышенному синтезу каротиноидов и лютеина.
Недавно получены трансгенные растения земляники с повышенным синтезом L-аскорбиновой кислоты. Созданы растения сои с повышенным в пять раз содержанием витамина Е в семенах. Получены растения арабидопсиса с повышенным содержанием фолатов.