Цветные семена, амилоиды и симбионты: Игорь Тихонович рассказал о достижениях ученых СПбГУ в области генетики

Сегодня генетические исследования, несомненно, выходят на первый план развития науки, ведь искусство управлять «программой» ДНК, кодирующей все живое на планете, помогает человечеству в самых разных сферах — от создания высокопитательных сортов растений до лечения заболеваний, которые раньше считались неизлечимыми. О том, каких успехов в области генетики достигли ученые Санкт-Петербургского государственного университета, почему ГМО — это не страшно, а также какие направления этой науки будут востребованы в ближайшие годы, рассказал декан биологического факультета СПбГУ, президент Вавиловского общества генетиков и селекционеров академик РАН Игорь Тихонович.

Игорь Анатольевич, почему биологи всего мира концентрируют свое внимание именно на получении генетических данных? Получается, биология уже перестала быть качественной наукой и стала количественной?

Генетика была точной наукой с момента своего создания, когда Мендель обратил внимание на то, что существуют достаточно простые цифровые формулы, описывающие наследование. Так что можно с уверенностью сказать, что генетика уже тогда оперировала количественными данными. Так, например, разницу между индивидуумами можно описать фенотипически — цвет глаз, форма носа или овал лица, а можно оценить разность их генетической информации и посчитать, сколькими нуклеотидами они отличаются. Следовательно, чем больше генетика проникает в биологию, тем больше и сама биология становится точной наукой. А без генетики сейчас невозможно развитие практически всех отраслей биологии, и потому биологи из разных областей к ней обращаются.

Как давно ученые СПбГУ занимаются генетическими исследованиями?

СПбГУ — это родина отечественной генетики. Именно здесь в 1919 году была создана первая в России кафедра генетики, и с тех пор эта наука всегда была в числе приоритетных для Университета. Даже во времена, когда генетику запрещали, на кафедре продолжали читать курсы, правда, под зашифрованным названием — «Критика менделизма-морганизма». Несмотря на эти сложности, преподавателям Университета удалось подготовить выдающих ученых. Достаточно назвать Сергея Георгиевича Инге-Вечтомова — академика РАН, доктора биологических наук, почетного профессора СПбГУ. Возрождение генетики началось с работ Михаила Ефимовича Лобашева, который в 1963 году выпустил первый за долгие годы учебник по генетике. С тех пор и по сей день в СПбГУ генетика развивается на самом передовом уровне.

А какие направления подобных исследований развиваются в СПбГУ сегодня?

Сейчас интересных генетических исследований в Университете очень много, назову лишь некоторые их них. Например, изучение прионов и способов укладки белка. Как известно, ряд заболеваний, среди которых болезни Альцгеймера и Паркинсона, связаны с тем, что в мозге человека развивается нетипичная укладка белка — формируются устойчивые по своей структуре и свойствам тяжи. Они разрывают клетки мозга, и человек сначала теряет когнитивные способности, а потом постепенно погибает. Пока что лечения таких болезней не существует, однако сегодня ученые понимают, что причиной этих серьезных нейродегенеративных заболеваний являются прионы — это амилоиды, белки, которые потеряли способность нормально свертываться и стали превращаться в такие тяжи, способные ко всему прочему заражать другие белки. Что интересно, исследователи кафедры генетики и биотехнологии СПбГУ не так давно впервые обнаружили функциональный амилоид в здоровом мозге — это говорит о том, что все-таки такая необычная форма белка нам необходима. А лучшее понимание функционирования амилоидов в здоровых организмах может помочь нам найти лекарство для больных.

В последние годы амилоиды находят не только у животных, но и у бактерий, архей и даже грибов...

Да, это так. Причем именно ученые СПбГУ смогли доказать, что амилоидные белки есть и у растений. Этими исследованиями занимается доцент кафедры генетики и биотехнологии Антон Нижников — ученик профессора Сергея Инге-Вечтомова. Кстати, именно на работы Сергея Георгиевича и его учеников ссылался американский ученый Стэнли Прузинер, который в 1997 году получил Нобелевскую премию за исследование этих тяжей.

Антон Александрович вместе с коллегами установил, что амилоиды также оказались характерной чертой семян. Вероятно, природа изобрела этот способ укладки белка, в том числе чтобы сохранять семена в течение длительного времени. Это позволяет запасать белки для будущего организма, который получится из семян, когда они прорастут. Результаты исследования были опубликованы в престижном научном журнале PLOS Biology . До сих пор еще никто не изучал селекцию растений на уровне качества усвоения питательных веществ. Думаю, что с этого времени начнется реальная работа по выяснению того, можно ли изменить питательность и какое это будет иметь значение. Уже сейчас понятно, что изменится пищевая ценность семян, возможно, некоторые культуры станут проще усваиваться организмами.

А как еще, кроме создания суперпитательных сортов, можно применить исследования ученых СПбГУ в сельском хозяйстве?

Также генетикой растений активно занимается профессор СПбГУ Людмила Лутова. В частности, ей удалось выявить несколько новых генов и их регуляторов, которые определяют признаки структуры урожая. Например, существуют такие регуляторные пептиды — CLE-пептиды, которые переносят информацию по растению. Вместе с коллегами Людмила Алексеевна обнаружила, что некоторые из них сосредоточены как раз на том, чтобы определять, будет ли, например, у редиса корнеплод или нет. Так, если повысить концентрацию этих белковых молекул, то корнеплод точно образуется или будет определенной формы.

Также есть все основания полагать, что и закладка клубней будет происходить путем образования меристем — тканей, которые обеспечивают непрерывное нарастание массы растений. Здесь происходит образование новых клеток, и важно отслеживать, сколько и какие они будут, чтобы их количество отвечало потребностям и возможностям растений. Каждое бобовое растение может прокормить определенное количество клубеньковых меристем (с их помощью растения снабжаются азотом) за счет продуктов фотосинтеза. Если их будет больше, то растение с ними не справится, а меньше — фиксация азота будет недостаточной. Такие исследования и открытия дают основания полагать, что появятся новые технологии селекции растений, по которым будет идти развитие next generation breeding — селекции нового поколения.

Эти работы также входят в исследования Научного центра мирового уровня «Агротехнологии будущего», который создается сегодня силами СПбГУ и шести других ведущих российских научных организаций в данной области. Работа НЦМУ позволит и дальше развивать новое для СПбГУ направление — сельское хозяйство, которое наравне с медициной является основой современной биологии. Развитие этих исследований — заслуга ректора СПбГУ Николая Михайловича Кропачева, который поддержал создание в Университете данного направления. Без поддержки сверху очень сложно что-либо развивать, особенно системно.

Какой вклад генетические исследования внесут в реализацию целей консорциума?

Сейчас нам важно прежде всего наладить связи внутри консорциума таким образом, чтобы это был не просто набор отдельных исследований, а совместная работа. Одно из ближайших направлений исследований — новая технология селекции ржи. Исследователи впервые обратили внимание на состав флавоноидов — вторичных метаболитов семян, которые в том числе определяют их окраску. Возможно, вы замечали, что семена ржи бывают белыми, зелеными, красными или фиолетовыми. Флавоноиды также определяют ряд свойств, связанных с воздействием на человеческий организм. Таким образом, регулируя их состав, можно создавать функциональные продукты, которые будут иметь определенный профилактический или терапевтический эффект на население.

Развитие ГМО-технологий, особенно связанных с растениями, сегодня часто воспринимается общественностью с опаской. Что могут сделать ученые, чтобы побороть эти страхи?

Когда мы говорим о биотехнологиях в сельском хозяйстве, мы имеем в виду генную инженерию и улучшения свойств сортов, их способности адаптироваться к различным условиям. Пока что в нашей стране нет научно обоснованного мнения по поводу применения продуктов генной инженерной деятельности. В частности, запрещено использование семян генно-модифицированных растений, за исключением сугубо научных целей. Однако сейчас благодаря преимуществам классического университета мы совместно с университетскими юристами готовим ряд предложений по совершенствованию существующего закона о применении генной инженерии (Федеральный закон от 05.07.1996 № 86-ФЗ (ред. от 03.07.2016) «О государственном регулировании в области генно-инженерной деятельности»).

Этот закон был принят еще в 1996 году в условиях, когда сами методы генной инженерии были не столь мощными и изящными. Сегодня ситуация совсем другая. Например, появились «бесшовные» технологии, при которых во время ввода новой генетической информации в организм не происходит ничего лишнего. Сейчас нужно хотя бы уточнить номенклатуру, определить, что такое генно-инженерный организм, что такое геномное редактирование, а также законодательно все закрепить. Так, в медицине генно-инженерные разработки внедряются достаточно давно: например, сейчас сложно представить себе другой, не генно-инженерный инсулин. А в сельском хозяйстве пока с настороженностью относятся к этим технологиям. Эти проблемы нужно решать, ведь внедрение многих передовых разработок НЦМУ в будущем может осложняться из-за существующего законодательства.

Достаточно ли только усовершенствовать законодательство, чтобы люди перестали бояться ГМО-продуктов?

Помимо совершенствования законодательства, необходимо также рассказывать широкой общественности о том, что ГМО не вредит здоровью человека. Так, благодаря исследованиям профессора СПбГУ Татьяны Матвеевой удалось показать, что среди многих культурных растений гораздо больше природно-трансгенных, чем считалось ранее. В список ГМО, созданных природой, кроме табака, льнянки и батата, теперь входят ближайший родственник грецкого ореха, арахис, клюква, хмель и чай. Таким образом, генная инженерия — это не открытие человека, а нормальные природные процессы, в которых нет ничего страшного.

Как вы думаете, какие профессии, связанные с изучением генетики, будут особенно востребованы в ближайшие годы?

Прежде всего это биоинформатики — специалисты, применяющие математические методы для работы с огромными массивами данных, которыми оперируют генетика и смежные отрасли. Кроме того, недавно появилось новое ответвление генетики — симбиогенетика. В Университете был разработан уникальный курс по этой дисциплине. Эта отрасль изучает взаимодействие высших и низших организмов на генетическом уровне. Между такими совместно проживающими партнерами — симбионтами — создается единая генетическая система, которая, по сути, является новым геномом, формирующимся в зависимости от условий окружающей среды. Удивительно, как растения узнают нужные им микробы среди миллиарда других — это фантастическая чувствительность! Важно отобрать тех, которые являются симбионтами, а не патогенами.

Этими исследованиями занимаются новые специалисты, которых готовят в Университете в рамках магистерской программы «Молекулярная биология и агробиотехнология растений». Ежегодно ее выпускниками становятся десять человек. К сожалению, из-за дороговизны практикумов готовить больше специалистов не получается, хотя спрос на программу очень большой. Надеемся, что в рамках нового НЦМУ нам удастся заключить договор о сотрудничестве с НОЦ «Белгород», где остро необходимы современные кадры генетиков. Наши преподаватели примут участие в педагогическом процессе в Белгородском государственном национальном исследовательском университете.

Словом, новые генетические лаборатории, создание которых анонсировало наше правительство, безусловно, требуют современных кадров, которых сегодня катастрофически не хватает. Поэтому два главных вопроса, которые нам необходимо решить, — это подготовка большего количества специалистов, а также усовершенствование законодательства.