Першою генномодифікованою рослиною з господарсько-цінною ознакою, яку створила людина, був тютюн, стійкий до вірусу тютюнової мозаїки. Це сталось у далекому 1986 році. Та першим прикладом комерційного використання ГМО став томат, який міг довго не псуватись і зберігати товарний вигляд. Він з’явився у 1994 році. Однак суперсила, необхідна для створення ГМО, початково була властива не людині, а бактеріям. Саме бактерії стали першими генетичними інженерами в історії. Вони мільйонами років «створювали» генетично модифіковані рослини для власних потреб так само, як це робить людина останні 40 років. Вчені змогли це побачити й використати, що ознаменувало справжній науковий прорив і започаткувало нову еру, в якій людина стає здатною змінювати генетичний матеріал живих організмів.
«Найбільш визначальною рисою історії життя є постійне домінування бактерій»
Стівен Джей Ґулд
Егоїстична агробактерія
Напевно, багато хто помічав пухлинні утворення на корінні деяких рослин – корончаті галли. Вони є результатом життєдіяльності агробактерії – Agrobacterium tumefaciens. Це дрібний паличкоподібний ґрунтовий організм-патоген, який здатен генетично трансформувати рослину і підлаштувати її під свої потреби. Які ж потреби можуть бути в агробактерії? Як і в усіх живих організмів: їжа, безпечне місце для життя та розмноження. Для цього упродовж еволюції агробактерія «вирішила» не просто мирно співіснувати з рослинами, як це роблять її «родичі» – азотфіксуючі бактерії-симбіонти, а паразитувати на рослинах, ба більше – вказувати їм, що робити. Вона здатна вражати широкий спектр рослин, серед яких є виноград, хрін, цукровий буряк, горіхові та кістянкові (слива, вишня, черешня, абрикоса та інші).
Для задоволення власних егоїстичних потреб агробактерія потребує джерела енергії – опінів. Ці речовини є результатом конденсації кетокислот або амінокислот з цукрами. Це робить їх непоганим джерелом вуглецю та азоту. Самі по собі рослини не здатні синтезувати опіни, тому агробактерія змушує їх це робити. Для цього бактерія інфікує рослини, проникаючи всередину коріння, і генетично змінює метаболізм їхніх клітин, змушуючи утворювати пухлини та синтезувати опіни.
Мала та всесильна
Однак що робить агробактерію такою всесильною над вищими рослинами? Вони здавалося б, в еволюційному плані набагато розвиненіші й складніші, та все ж «піддаються на провокації» цього егоїстичного мікроорганізму.
Варто почати з того, що малі розміри не завжди означають неповноцінність. Бактерія – одноклітинний живий організм, який, на відміну від багатоклітинних, має робити все цією самою однією клітиною: рухатись, харчуватись, розмножуватись тощо. Одна бактеріальна клітина фізично не зможе вмістити в собі багато елементів, зокрема забагато ДНК. Тому потрібно залишити лише необхідне і прибрати зайве сміття у вигляді , тощо. Останні, як розкіш, можуть дозволити собі лише багатоклітинні організми.
Генетичний матеріал агробактерії – це лінійна та кільцева хромосоми й дві кільцеві : At (Agrobacterium tumefaciens) та Ti (tumor inducing). Перша, як і хромосоми, містить гени, потрібні для підтримки життєдіяльності та нормального функціонування клітини. Друга несе гени, які відповідають за інфікування й генетичну трансформацію клітини рослини та зміну її метаболізму у потрібному для бактерії напрямку.
Отже, суперсила агробактерії полягає в наявності в неї Ті-плазміди. Вона містить трансферну ДНК (Т-ДНК), яка несе щонайменше 25 генів вірулентності (vir). Кожен з них бере активну участь у інфікуванні та трансформації рослинних клітин: продукти їхньої (білки та ) регулюють роботу одне одного і забезпечують проникнення агробактерії в рослину.
Для активації роботи vir-генів потрібен зовнішній сигнал. Коріння рослин здатне виділяти сполуки , особливо при подразненні. Шляхом хемотаксису агробактерія прямує до місця, де фенольний сигнал найвищий. В цей час у неї активуються гени вірулентності, і вона переходить у готовність інфікувати.
Процес перенесення Т-ДНК в рослинну клітину відбувається за участі спеціальних бактеріальних утворів – Т-пілій. Близько 11 vir-генів відповідальні за їхнє формування. Після фенольного сигналу vir-гени починають експресуватися, далі йде синтез білків, які сформують Т-пілії. Білки транспортуються через цитоплазматичну мембрану агробактерії і прикріплюються до мембрани рослинної клітини, формуючи канал. В цей час Ті-плазміда розрізається продуктами експресії власних генів, і з замкнутого кільця переходить в лінійну форму. Лінійність значно полегшує та пришвидшує процес її переносу. Далі спеціальні vir-білки починають огортати розрізану Ті-плазміду та втягувати її у рослинну клітинну через канал Т-пілій. Коли агробактеріальна плазміда опиняється в клітині господаря, існує великий ризик її розрізання цитоплазматичними нуклеазами. Якби це сталось, агробактерія була би приречена самостійно здобувати собі їжу, а не змушувати рослину щось робити. Тому, vir-фактори щільно оточують Ті-плазміду і захищають її від агресивного середовища рослинної клітини.
Рослина клітина значно більша за агробактерію, і, аби зорієнтуватися, куди потрібно рухатися, Ті-плазміда містить спеціальний мотив ДНК, який розпізнається рослинними білками як сигнал, що її треба доставити в ядро клітини, що вони і роблять. Таким чином Ті-плазміда вже безперешкодно доставляється до ядра рослинної клітини. Там відбувається її інтеграція у геном. Перед цим Ті-плазміда вже в ядрі позбувається комплексу vir-білків, в цьому їй допомагає клітинна система утилізації білків самої рослини. Після цього відбувається розрізання ДНК рослини та вставка у неї Т-ДНК.
Після цього рослина починає експресувати привнесені гени опінів, які містяться в Т-ДНК. Т-ДНК несе також три гени, які залучені в процес синтезу фітогормонів, зокрема ауксину, індолацетатної кислоти та цитокініну ізопентеніл-аденозину. Понаднормова експресія генів веде до накопичення цих фітогормонів. В нормі вони регулюють ріст та розвиток рослин. Однак у випадку їх накопичення можливий неконтрольований поділ рослинних клітин, що веде до утворення пухлин – корончатих галлів. Таким чином, клітини рослин перестають виконувати свої функції і починають ділитись. Відповідно під час процесу поділу перенесена Т-ДНК потрапляє в дочірні клітини.
Різні штами агробактерії несуть різні гени опінів: нопалін, октопін, агропін тощо. Після трансформації у геномі рослини запускається експресія цих перенесених генів. Відповідно, продукти їхньої експресії спричиняють утворення опінів із ресурсів клітини-господаря.
Зрештою, картина виглядає так: трансформовані рослинні клітини починають неконтрольовано ділитись, передавати Т-ДНК наступним поколінням клітин, і в кожній з них активно синтезуються опіни, які агробактерії використовують для свого живлення.
Як змусити агробактерію працювати на благо?
Уперше корончаті галли описав італійський біолог Марчелло Мальпігі у 1679 році. Однак природа цих рослинних пухлин була невідома до 1897 року. Фрідіанно Коваро, інший італійський біолог, першим повідомив про те, що причиною потворних утворів на рослинах є бактерія. Каваро зміг виділити агробактерії з корончатих галлів виноградної лози. Він показав: якщо виноградну лозу добре відмити від невідомого мікроорганізму, то вона перестає формувати пухлини. А якщо цим мікроорганізмом інфікувати здорову лозу, маємо корончаті галли. Так люди зрозуміли, що агробактерія є причиною пухлин у рослин, проте ніхто не знав, чому так відбувається.
У 1977 році Мері-Дель Чілтон виявила присутність чужинної ДНК в пухлинних клітинах рослин. Подальші дослідження показали, що чужинна Ті-плазміда присутня у рослинному ядрі.
У 1980-х роках з’ясувалося, що Ті-плазміда містить гени, які контролюють синтез рослинних фітогормонів та опінів. Врешті, у 1983 році Аллан Кеплан сформулював ідею щодо горизонтального переносу генів між агробактерією та рослинами. Це дало початок новій ері створення генетично-модифікованих рослин, в першу чергу господарського призначення. Це дозволило створити на основі Ті-плазміди. Вони інтегруються в агробактерію, а потім вона трансформує рослину за природним для неї механізмом. Генетичні конструкції несуть гени, які нам потрібні: стійкості до патогенів, комах, гербіцидів тощо.
На сьогодні існує великий перелік генетично модифікованих рослин. Золотий рис містить високу концентрацію вітаміну А. Завдяки людині та агробактерії кукурудза стала стійкою до комах-шкідників, а папая врятована від вірусів. Вже згаданий томат довго не псувався, а пшениця змогла бути стійкою до гербіцидів.
Сьогодні можливості генетичної інженерії просто вражають. Окрім створення ГМО, тепер можна здійснювати редагування генів за допомогою технології CRISPR-Cas9. Це все відкриває величезні перспективи для створення нових сортів рослин, які зможуть краще задовольнити потреби людства в умовах зростання популяції та кліматичних змін. Навіть лікування хвороб стає реальнішим. Це все стало можливим завдяки хитрій та егоїстичній агробактерії, яка у руках людини стала зручним інструментом для створення ГМО.
