«Энергия молодости» для разработки энергии будущего

Ученые Сибирского института физиологии и биохимии растений СО РАН стали победителями престижного конкурса молодежных исследовательских проектов в области энергетики «Энергия молодости». Заявки на участие в нем ежегодно подают несколько сотен исследователей со всей России. Количество претендентов постоянно растет, а число победителей, определяемых авторитетным жюри, уменьшается. Иркутяне вошли в тройку лучших из более чем 500 участников. Проект сибиряков амбициозен: ускорить рост обычных тополей в несколько раз, чтобы в дальнейшем получать из них экологически чистое и быстро возобновляемое биотопливо.

Подробнее о проекте и о том, как биологи смогли победить в конкурсе для энергетиков, рассказывают сотрудники СИФИБР СО РАН Василий Павличенко и Марина Протопопова.

— В мире уже давно выращиваются большие плантации тополей для получения древесины, которая в дальнейшем может перерабатываться в различные виды биотоплива или применяться в других отраслях промышленности. Проблема широкого использования древесины тополя в промышленности заключается, главным образом, в относительной ограниченности сырьевой базы. Тополь, хоть и быстро растет, но нужного состояния достигает только через три-четыре года. Мы хотим ускорить этот процесс как минимум в два раза.

Чтобы добиться быстрого роста, мы пытаемся генетически модифицировать растение. Уже создана генетическая конструкция с ге́ном, который отвечает за увеличение синтеза гормона роста, которую мы встраиваем в гено́м тополя. В этом случае организм тополя будет считать чужеродный ген своим.

Для встраивания конструкции используется известный механизм. В природе существует агробактерия, которая вызывает развитие опухолей у растений. Проникая в клетки, эта бактерия встраивает часть своей ДНК в геном растения, что заставляет растительный организм образовывать питательные вещества для самих бактерий. Ученые нашли способ использовать этот механизм для своих целей: они изымают генетический материал у бактерии, заменяют гены, отвечающие за образование опухолей, на «полезные» и эту генетическую конструкцию подсаживают обратно. Бактерия, ничего не подозревая, инфицирует растительные клетки и переносит в геном растения уже не свои, вредоносные, гены, а те, что необходимы для реализации замысла ученых.

Так работают современные генные инженеры. По сути то, что мы делаем, — это «микроэволюция» в пробирке. Этот процесс идет и в природе, но может занимать тысячи лет. Мы же хотим уложить несколько тысяч лет в один год.

В качестве «полезного» мы использовали ген, который отвечает за синтез гормона роста. Ген можно брать из того же самого тополя или из любого другого растения. Эффекты при этом могут быть разными, вплоть до противоположных. Так, например, когда ученые пытались получить быстрорастущие цветы или кустарники, модифицируя их фитогормонами роста, вырастали карлики. Теперь их успешно используют в ландшафтном дизайне.

Мы используем ген из резуховидки Таля, или арабидописа, широко известного и «любимого» растения молекулярных биологов. В дальнейших планах использовать гены родственного вида – пирамидального американского тополя.

Как это делается

— Как строится вся работа? Если совсем просто, то так: сначала нужно найти растение тополя, отрезать от него черенок или кусочек листа, освободить его от вирусов и бактерий, для этого образец долго инкубируется в разных средах, стерилизуется, моется, чистится — до тех пор, пока растительная ткань не станет стерильной. Затем нужно подобрать состав питательной среды. Это долгий и кропотливый труд. Все вещества состава известны, но необходимо определить пропорции, подходящие для конкретного растения. На эту питательную среду помещается ткань тополя, из которой прорастают новые растения.

Затем листья или стебли полученного «стерильного» растения нарезают на мелкие кусочки и инкубируют с агробактерией, в которую был предварительно «подсажен» нужный ген. Она проникает через раневую поверхность в ткань растения, заражает клетки, вносит туда свой генетический материал, а вместе с ним и нужный нам ген. После этого кусочки растительной ткани переносят в стерильные пробирки на специальную питательную среду. На этой среде отдельные клетки этих растительных «кусочков» дают начало маленьким деревцам. Но не все они окажутся трансформированными. Это явление можно сравнить с эпидемией гриппа: известно, что лишь определенный процент людей заражается во время эпидемии, остальная же часть населения остается неинфицированной. Так и в случае с нашими тополями, даже при благоприятном стечении обстоятельств только около 5 % новых растений окажутся трансформированными нужным геном. Но и это не означает, что такие деревья будут опережать своих природных собратьев в скорости роста: ген может встроиться в так называемую «молчащую ДНК», либо растение самостоятельно может блокировать избыточный синтез гормона роста, и тогда ничего не произойдет.

Поэтому из всех модифицированных растений мы будем отбирать только те, которые покажут весь набор необходимых нам свойств. Только после нескольких этапов проверки такие растения можно будет пробовать высаживать в теплицы и размножать вегетативным способом.

Задел на будущее

— Древесина тополей хорошо подходит для производства биотоплива в условиях Сибири и Дальнего Востока, особенно для использования в домах и фермерских хозяйствах. Такое топливо более «экологично», чем полученное на основе углеводородов нефти и угля, характеризуется более низким содержанием вредных веществ, выделяемых при сжигании.

Однако пока российское законодательство запрещает выращивать большинство видов генно-модифицированных растений в открытом грунте, в том числе и древесные растения. Мы сталкиваемся с этой проблемой, как и многие другие ученые в стране. Следует, однако, отметить, что совсем недавно ситуация несколько сдвинулась в положительном направлении, когда были частично сняты ограничения для некоторых видов сельскохозяйственных культур.

Выйти на рынок при имеющемся запрете идея не способна. Вырастить в теплице достаточное для переработки количество тополей представляется практически невозможным. Поэтому проект разрабатывается уже с прицелом на будущее, возможно, на десятилетие вперед.

По результатам конкурса проект получил финансовую поддержку на год, но план работ расписан уже на два года вперед. Мы будем пробовать разные гены, сравнивать результаты, и к концу второго года мы планируем получить экспериментальный образец растения, которое покажет ускоренный рост и может быть использовано для получения чистой линии.

На этом проект не закончится. Тополь можно модифицировать дальше: встраивать гены, которые будут повышать его устойчивость к заморозкам или сделают менее восприимчивым к насекомым-вредителям. В будущем плантации быстрорастущих тополей можно использовать для осушения болот, для проведения ветрозаградительных мероприятий или мелиорации почв. Дальнейшие исследования должны быть направлены также на разработку механизмов, препятствующих размножению трансгенных тополей неконтролируемым человеком путем, а также возможной передаче встроенных генов другим видам растений. Это обеспечит экологическую безопасность модифицированных растений.

Справка

Общероссийский конкурс молодежных исследовательских проектов в области энергетики «Энергия молодости» проводится ежегодно некоммерческим партнерством «Глобальная энергия». Победители конкурса получают памятные дипломы, нагрудные знаки и гранты размером один миллион рублей на проведение исследований.

Проект по созданию быстрорастущих тополей является продолжением смежных проектов СИФИБР СО РАН по микроклональному размножению под руководством директора института профессора Виктора Кирилловича Войникова и профессора Кима Захаровича Гамбурга.

Записала Юлия Смирнова, IRK.ru