Овальные арбузы и коровы-клоны
В мировой агропромышленной науке происходят перемены, связанные с бумом технологий геномного редактирования и клонирования. «Эксперт» побывал во Всероссийском институте животноводства, где исследователи работают на переднем крае биотехнологической революции
Впоселке Дубровицы, что неподалеку от Подольска, в усадьбе князей Голицыных и на прилегающих территориях размещается Всероссийский научно-исследовательский институт животноводства им. Л. К. Эрнста (ВИЖ). Это один из крупнейших в России центров исследования и выведения новых пород сельскохозяйственных животных. Селекцией здесь занимаются давно: институт был создан еще в 1929 году, а в Дубровицы из Москвы переехал в 1961-м. Но в последнее время старая добрая селекция уступила место более современным методам. Теперь в ВИЖ изучают разные породы, сравнивая их гены и влияние на фенотип, а потом меняют характеристики в требуемом направлении: редактируют геном, клонируют особей. Пока ученые не стремятся создать теленка или осетра непременно с улучшенными свойствами, а просто отрабатывают и изучают технологии.
Сейчас здесь проходит выездное заседание экспертного совета Российского научного фонда, где обсуждаются результаты конкурса проектов генетических исследований. Заодно биологам и журналистам показывают институт и лаборатории. Экскурсию проводит директор ВИЖ, академик РАН Наталия Зиновьева.
Скелеты в шкафах и рыбы с паспортами
Мы бредем по старым залам института, пока не натыкаемся на комнату, полную скелетов, точнее черепов, в многочисленных шкафах и на стеллажах. Это лаборатория древней ДНК, где биологи изучают строение крупных сельскохозяйственных животных, которые жили за сотни и тысячи лет до того, как появился ВИЖ. Повсюду лежат рогатые черепа: на тумбочках, между книгами, даже на рабочем столе ученого, сосредоточенно глядящего в монитор. Он вместе с коллегами занимается реконструкцией демографической истории популяций (описание возрастной и половой структуры популяции животных тоже называют демографией). Цель — выявить гены, отвечавшие у древних животных за продуктивные признаки, то есть способность давать мясо, молоко и т. п.
Вот, например, красивый большой череп с длинными рогами когда-то принадлежал романьольской корове — это порода из региона Эмилия-Романья на севере Италии, признанная еще в начале ХХ века лучшей мясной. Крупных и сильных животных использовали и как тягловый скот: романьольских коров запрягали в телеги, на них пахали. Интересно, что, судя по геному, порода произошла от подольской популяции, обитавшей в степях Восточной Европы. В гибнущую Римскую империю этих животных привезли в IV веке то ли готы, то ли лангобарды, там они смешались с местными коровами, и появилась романьола.
Затем мы спускаемся в темный подвал — Наталия Зиновьева пригласила нас посмотреть на новую установку замкнутого водоснабжения. В лаборатории аквахозяйства множество бассейнов, в которых плещутся похожие на маленьких акулят сибирские осетры. Ученые хотят изменить их геном, чтобы сделать устойчивыми к паразитам и колебаниям погоды. Для этого все рыбы помечены электронными чипами. «Каждую особь исследовали, каждой вручили ДНК-паспорт», — говорит Зиновьева. Машины в лаборатории так шумят, что мы практически не слышим друг друга, поэтому вскоре покидаем подвал с бассейнами.
Отредактировать гены и клонировать — только полдела
В лаборатории экспериментальной эмбриологии изучают яйцеклетки и получают из них эмбрионы для развития вспомогательных репродуктивных биотехнологий, проводят опыты по искусственному осеменению, трансплантации эмбрионов, клонированию.
«Сейчас идет процедура переноса ядра из соматической клетки в яйцеклетку — somatic cell nuclear transfer, SCNT, — объясняет Галина Сингина, заведующая лабораторией. — Из женской неоплодотворенной яйцеклетки удаляют ее собственный генетический материал, а затем вводят ядро соматической клетки, содержащее ДНК для клонирования. Так получается эмбрион, который мы пересаживаем реципиентам-животным».
Клонирование в животноводстве обычно используется вслед за редактированием генома — это разные стадии получения скота с новыми характеристиками, важными для сельского хозяйства.
«Генетическое модифицирование животных направлено на то, чтобы они жили спокойно и давали вкусную, полезную, диетическую пищу. ГМО защищает их от вредителей, стрессов, факторов среды», — вступает в разговор Александр Макаров, научный руководитель Института молекулярной биологии РАН.
Но модифицировать геном и клонировать эмбрионы с измененным геномом — только полдела. Вырастить эмбрион искусственным путем непросто, и сегодня ученые стремятся создать естественную среду. Они воспроизводят основные стадии развития женской половой клетки (оогенез): размножение, рост, созревание ооцитов, образование и развитие эмбриона. Но полученные эмбрионы редко приживаются в организме суррогатной матери — и это нормально. «Чтобы создать всего один клон, телку по имени Цветочек, вы еще ее увидите, нам пришлось использовать 30 реципиентов и 81 эмбрион. Через два месяца 14 коров-реципиентов забеременели, но родился лишь один теленок. При этом мертворожденных или погибших после рождения животных не было: 13 эмбрионов погибло до пятимесячного срока, когда мы даже не могли визуализировать плод», — добавляет Галина Сингина.
Миллионы коров уже выращены в пробирке
Мы выбираемся на задний двор голицынской усадьбы. Здесь расположилась маленькая ферма с овцами и коровами. Шерсть у животных необычная: шоколадного цвета, черная с белой полосой, пятнистая. Это гибриды диких и домашних видов. На ферме выводят новые породы путем селекции, как в прежние времена. Но и сюда проникли вездесущие биотехнологии: местных животных исследуют ради картирования генов, то есть установления их точного «адреса» на хромосоме, положения относительно других генов. Картирование важно, например, для поиска генов, связанных с болезнями. Самый простой случай — моногенные заболевания, возникающие из-за поломки всего лишь одного гена. Отыскав проблемный участок, ученые «отключают» его или вырезают из цепочки ДНК, и на свет появляется здоровое животное.
Не пропуская ни одного мокрого носика, мы проходим к неприметной постройке возле забора. Здесь установлена огромная железная конструкция, а в ней закреплена корова. Длинные шприцы, мониторы компьютеров, серьезные лица молодых ученых: оказывается, прямо сейчас у телки берут яйцеклетки, чтобы потом оплодотворить их в пробирке и подсадить эмбрионы коровам-донорам. Биологи вводят ультразвуковой зонд, который позволяет визуализировать яичники на компьютере: оценить их состояние, идентифицировать фолликулы, в которых находятся яйцеклетки. Это не так просто: диаметр фолликула — около трех миллиметров. На экране мы видим, как выглядит яйцеклетка коровы. Не очень приятное зрелище.
«Я узнала об этой технологии в Австрии, в Венском ветеринарном университете, — признается директор ВИЖ. — На обучение наших специалистов новому методу ушло около года. Это общемировая тенденция: начиная с 2016 года количество эмбрионов, которые были получены in vitro, то есть выращены в пробирке, превысило количество эмбрионов, трансплантированных классическим способом — от биологической матери к донору. А теперь их уже вдвое больше: в мире создают in vitro свыше 600 тысяч эмбрионов коров ежегодно».
Цветочек, Декабристка и Конкур
С маленькой фермы мы едем на большую, чтобы увидеть главных звезд ВИЖ — корову Цветочка, телку Декабристку и ягненка Конкура. Уже издалека слышится «му-у-у» — понятно, значит, начинаем с коров.
Клонированная корова Цветочек, та самая, при создании которой 30 реципиентам был пересажен 81 эмбрион, родилась в 2020 году. «Почти половина из них сохранила плод, это большой процент. Получается, что эмбрионы у нас полноценные, но вот после двух месяцев, до 120-го дня, плоды начинают погибать», — объясняет Галина Сингина.
На пятый месяц беременность сохранила лишь одна корова, она и выносила Цветочка. Одним из доказательств того, что на свет появился клон, является сравнительно большая масса тела теленка при рождении — 60 килограммов (норма — 30–40 килограммов). Это известный феномен, получивший название «синдром больших телят». К счастью, на состояние здоровья коровы это не повлияло.
Цветочек — клон, но не отредактированное животное. Ученые ВИЖ работают над тем, чтобы клонировать животных с модифицированными генами. «Мы хотим добавить в геном ген белка бета-лактоглобулина, который позволит получать гипоаллергенное молоко, и убрать ген белка миостатина, который подавляет рост мышечной массы, — говорит Галина Сингина. — Успешное клонирование коровы открывает возможности для создания животных с отредактированными генами. Скоро наши ученые смогут тиражировать любые генетические изменения, которые будут предварительно проведены в культуре клеток».
«Мы рассматриваем технологию клонирования как основную технологическую платформу для генного редактирования у сельскохозяйственных животных. Наши исследования направлены на то, чтобы получить из генно-модифицированной клетки полноценный организм», — добавляет Наталия Зиновьева.
В декабре 2022 года Цветочек путем искусственного оплодотворения родила телку Декабристку, чем доказала свою репродуктивность. Рождение здорового, активного и очень милого теленка от клонированной коровы стало большим событием для всей отрасли исследований, связанных с сельским хозяйством. Не удивляйтесь тому, что осеменение прошло искусственным путем: естественное сейчас редкость. «Мы получаем лучшее семя от лучших быков в центральной станции искусственного осеменения», — поясняет сотрудник института, кандидат биологических наук Игорь Гусев.
Неподалеку блеет ягненок Конкур — тоже клонированный, да еще и гибрид: геном его клеточных линий на 75% происходит от домашней овцы, а на 25% — от архара. В клонировании участвовала только одна половая клетка, в которую подсадили ядро клетки эмбриона с геномом от смеси романовской овцы и памирского архара. От отца ягненку достался крепкий скелет — чтобы выжить в горной местности, памирским баранам нужны прочные суставы и кости. Кроме того, ученые удалили из генома тот самый ген миостатина, который тормозит набор мышечной массы, а потом подсадили эмбрион суррогатной матери-овце. Родился Конкур — клонированный, генно-модифицированный, но очень милый.
Рыночная судьба биотеха
«Торговые сети просят нас поменять форму арбуза: покупателям нравятся арбузы овальной формы, — говорит Елена Хлесткина, директор Всероссийского института растениеводства им. Н. И. Вавилова, приехавшая обменяться опытом и поделиться с животноводами премудростями использования биотехнологий в области селекции сельскохозяйственных культур. Сегодня во всех биотехнологических лабораториях царит дух экспериментаторства, возникший после открытия CRISPR — знаменитого метода редактирования генома, который используется для модификации генов и животных, и растений.
Технология CRISPR-Cas9 стала одним из самых прорывных и востребованных открытий, сделанных в нашем веке. CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) — это повторяющиеся последовательные фрагменты в ДНК бактерий, расположенные регулярными группами. Во время смертельных боев между бактериями и вирусами бактерии, как самураи, разрезают невидимым мачете генетический материал вирусов и сохраняют их часть (чтобы запомнить) в своей ДНК, внутри последовательностей CRISPR. При повторном нападении вируса бактерия производит белки Cas9, которые несут фрагмент генетического материала вируса, чтобы с его помощью распознать врага, и тут же убивают вирус в организме. После долгих исследований ученые выяснили, что этот механизм можно использовать для разрезания, удаления и замены любого участка ДНК в любом нужном месте. С тех пор технология CRISPR-Cas9 постепенно совершенствуется и все чаще применяется при редактировании генома растений и животных. В частности, благодаря CRISPR можно вывести растение с заданными признаками всего за два-три года: технология позволяет вносить нужные изменения в любой сорт сельскохозяйственной культуры, которая при естественной селекции эволюционировала бы тысячи лет.
«Для изменения формы ягоды в сочные, сахаристые и скороспелые сорта арбузов, которые уже существуют, нужно добавить единственную поправку, — объясняет Елена Хлесткина. — Это, конечно, не самое важное изменение, но в мире генетика уже стала наукой, на которой строятся целые отрасли современной экономики, идет переход в сторону биоэкономики».
В России модифицированные продукты не продаются, их применение в сельском хозяйстве запрещено на законодательном уровне. Но кажется, в развитии отечественной генной инженерии скоро начнется новая эпоха. В Госдуму РФ уже внесен законопроект, разрешающий использовать в сельском хозяйстве животных, растения и микроорганизмы с измененными геномами (подробнее см. в статье «Генетиков пустят в поле», «Эксперт» № 44 за 2022 год). В документе предлагается разделить понятия «генно-инженерно-модифицированные» организмы (со встроенными чужеродными генами) и «генно-инженерноредактированные» (с подправленным родным геномом) и снять с организмов второго типа запрет на практическое применение, в том числе в животноводстве и растениеводстве.
История клонирования животных
1901 год
Немецкий ученый Ханс Шпеман разделил двухклеточный зародыш саламандры, из обеих частей развились полноценные организмы.
1914 год
Шпеман провел первый опыт по пересадке ядра из одной клетки в другую.
1962 год
Профессор Оксфордского университета Джон Гердон начал выращивать клетки лягушек с чужими ядрами.
1963 год
Китайский исследователь Тун Дичжоу впервые клонировал рыбу. В этом же году биолог Джон Холдейн придумал слово «клон».
1986 год
Датский ученый Стин Вилладсен создал млекопитающее, овцу, пересадив ядро из эмбриональных клеток.
1996 год
Британский ученый Кит Кэмпбелл и его команда клонировали овечку Долли из клеток взрослой особи. Информация о технологии клонирования впервые просочилась в СМИ.
2001 год
Исследователи из компании Advanced Cell Technology впервые клонировали вымирающее животное — быка-гаура по кличке Ноа.
2001–2009 годы
В Техасском аграрно-техническом университете родились первые клоны домашней кошки Сиси, оленя Дьюи и лошади Прометея, в Южной Корее появилась клонированная собака Снаппи, а Дубай представил верблюдаклона Инджаса. Клонирование стало обычной научной практикой.
Фото: пресс-служба РНФ, Dalibor Gluck/ctk via zuma press
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl