Не курить

Под именем табак чаще всего скрывается растение Nicotiana tabacum, дальний родственник картошки и томатов из семейства пасленовых. Как и съедобных родственников, его завезли в Старый Свет из Америки. Согласно легенде, табак получил свое родовое название в честь французского посла Жана Нико, который в 1560 году представил его к королевскому двору во Франции. Поначалу европейцы использовали табак как декоративное и медицинское растение, однако затем последовали примеру американских индейцев и начали курить листья. Сегодня, несмотря на антитабачные кампании, история которых насчитывает столько же лет, сколько и курение в Европе, мировое производство табака только растет (в основном, благодаря Китаю). В настоящее время его выращивают в 129 странах. Однако обширные табачные плантации можно использовать не только для производства сигарет.

Табак против парниковых газов

Табак относительно неприхотливое растение, которое может давать по несколько урожаев в год, и его продукция занимает значительную роль в экономике развивающихся стран. До сих пор выращивают его и в странах Евросоюза, хотя с 2010 года фермеры, специализирующиеся на табаке, перестали получать государственные субсидии в связи с кампанией против курения.

Однако, весьма вероятно, что европейскому табаку может найтись новое применение. Дело в том, что семена этого растения содержат много масла, которое можно использовать для производства биодизеля. Масло составляет 30-40 процентов от сухого веса семян, и его пригодность в качестве топлива подтвердили почти 20 лет назад. Чаще всего для получения масла используют сорт Солярис, который практически не содержит никотина, отличается небольшим размером растений и большим количеством цветков. По производству табака в Европе на первом месте стоит Италия, и итальянские агрономы в настоящее время активно продвигают выращивание Соляриса в центральных и северных регионах страны, так как в государственной стратегии по снижению выбросов CO2 биотопливу отводится значительная роль.

В качестве масличной культуры у табака есть важное преимущество перед другими традиционными культурами, которые используют для производства биотоплива, таких как рапс и кукуруза – в отличие от продукции последних, выращивание табака не конкурирует с пищевой промышленностью. Большие сельскохозяйственные площади, уже занятые под табак во множестве стран, позволили бы локально увеличить производство биотоплива и избежать затрат на его перевозку.

В рамках плана по переводу транспорта на топливо, получаемое из возобновляемых источников энергии, табачным маслом уже заинтересовалась авиапромышленность. К примеру, «Боинг», который активно развивает проекты по использованию биотоплива, заключил соглашение с Южноафриканскими авиалиниями, согласно которому перевозчик должен использовать табачный биодизель местного производства в качестве добавки к авиатопливу.

Кроме семян, для производства масла теоретически можно использовать и листья. Обычно в листьях табака содержится незначительное количество жиров, однако путем искусственного синтеза белков, которые стабилизируют жировые капли и в норме работают только в семенах, ученым удалось повысить содержание триацилглицеридов в листьях ГМ-табака до 15 процентов. Учитывая, что табак как раз отличается большим количеством зеленой биомассы, выращивание такого сорта могло бы быть довольно выгодно.

Близкого родственника табака Nicotiana glauca, или табачное дерево, тоже рассматривают как перспективную культуру для производства биотоплива. Это растение считается сорным, и в изобилии растет вдоль дорог в странах с теплым и сухим климатом. Табачное дерево отличается высоким содержанием углеводов в биомассе, которые можно с участием дрожжей перерабатывать в этанол. Кроме того, его предпочтение засушливых территорий может стать большим плюсом в условиях изменения климата и глобального опустынивания.

Биотехнологическая Золушка

Сейчас одной из основных моделей растительных биотехнологов стала резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana) — во многом благодаря очень короткому жизненному циклу и небольшому геному, но до 1960-х годов физиологи предпочитали работать с тем, что растет у них под рукой в огороде, поэтому в ход шли декоративные цветы, овощные культуры и табак. Последний оказался крайне удачным объектом для исследователей – его жизненный цикл от прорастания до появления семян укладывается в три месяца, но, что важнее, способность быстро расти сохраняется не только на грядке, но и в пробирке. Множество важных экспериментов в области клеточных культур и генной инженерии было впервые поставлено именно на модели табака, за что тот заслужил прозвище «Золушка растительной биотехнологии».

В биомедицине первые эксперименты, к примеру, по выяснению механизма действия нового препарата начинают не на живых организмах, а на культурах клеток. По сути, это кусочки определенной ткани, растущие в чашке Петри в специальной питательной среде. Точно так же исследование молекулярной биологии растений и создание генно-модифицированных сортов с улучшенными свойствами было бы невозможно без выращивания in vitro культур растительных клеток.

Хотя начало экспериментов по созданию клеточных культур приходится на самое начало XX века, расцвет исследований в физиологии растений произошел после серии публикаций Фольке Скуга (Folke Skoog), который в 1940-х годах научился выращивать каллусную ткань из клеток сердцевины стеблей табака. Каллус состоит из неспециализированных клеток, аналогичных эмбриональным клеткам у животных, на которых удобно изучать процессы развития и дифференцировки. Кроме того, с каллусом можно проводить генетические манипуляции и вегетативно размножать модифицированные клетки.

Подбор питательной среды для роста табачного каллуса позволил Скугу и его коллегам не только создать универсальную формулу, которую до сих пор используют в лабораториях, но и открыть растительные гормоны цитокинины. При помощи коктейля гормонов ученые заставили каллус формировать корни и побеги и изучили влияние разных физических факторов на эти процессы.

Эксперименты с тканями репродуктивных органов табака привели к созданию гаплоидных, то есть несущих одинарный набор хромосом, клеточных линий, из которых оказалось возможным вырастить ростки. Гаплоидные линии особенно важны для генной инженерии растений, потому что в несколько копий гена одновременно внести изменения гораздо сложнее, чем в одну, а многие культурные растения в процессе селекции стали полиплоидными, то есть содержат даже не два, а несколько наборов хромосом.

Для клеточной инженерии важным этапом стали эксперименты с протопластами – клетками, лишенными жесткой стенки. Такие «голые» структуры можно сливать между собой, облучать ультрафиолетом и вводить в них ДНК. Японцы Нагата и Такебе (Toshiyuki Nagata & Itaru Takebe) в 1972 году показали, опять же на табаке, что из протопласта можно регенерировать целое растение.

Однако, один из самых популярных до сих пор методов генетической инженерии заключается в заражении растительной ткани агробактериями, которые в природе вызывают опухоли у растений. Способность к горизонтальному переносу так называемой Т-ДНК, в которую можно встроить полезные для исследователя гены, обнаружили у агробактерий в начале 1980-х, а уже в 1985 году миру предстали первые трансгенные растения табака, петунии и томата. Они были выращены из кусочков ткани, зараженных Agrobacterium tumefaciens, которые несли ген устойчивости к антибиотику канамицину, и сами оказались способны расти на среде с канамицином.

Веганский коллаген

Развитая технология генетической трансформации и потенциальное большое количество биомассы превратили растения табака в удобную платформу для производства рекомбинантных белков.

Если ген нужного в промышленности белка, например, гормона или антигена для производства вакцины, поместить в какую-нибудь быстро растущую клеточную культуру и выкрутить экспрессию на максимум, через короткое время можно получить количество этого белка, которое будет на порядки превышать его содержание в природном сырье. Самые популярные «биофабрики» для производства белков – это клетки кишечной палочки или дрожжей, которые выращивают в ферментерах. Однако для продукции сложных белков человека, таких как антитела, требуются более продвинутые системы экспрессии. Сейчас для этой цели используются, например, суспензионные культуры клеток яичника китайского хомячка (CHO), но, скорее всего, в ближайшем будущем растительные платформы, которым нужны только свет и вода, составят им конкуренцию.

Как уже было упомянуто, методы генной инженерии для табака развиты хорошо, а количество растворимых белков в листьях может достигать 10 процентов от сухой массы. В качестве биофабрики используют растения Nicotiana tabacum и его родственника Nicotiana benthamiana. Пока масштабное культивирование ГМ-растений во многих странах не разрешено, такой табак в ограниченном объеме выращивают в теплицах. При этом выращивать табак гораздо дешевле, чем запускать биореактор с клеточной культурой, поэтому в листьях уже пытаются производить даже такие препараты, как герцептин (распространенное лекарство от рака груди, представляющее собой антитело), белковые коктейли для лечения ВИЧ и лихорадки Эбола. По словам производителя растительного герцептина, биотехнологической компании PlantForm, их платформа позволит снизить себестоимость дозы препарата в 10 раз.

Впрочем, растительный противораковый препарат еще не завершил клинические испытания, которые должны подтвердить его эффективность по сравнению с «традиционной» формой производства. Необходимость таких испытаний связана с тем, что произведенные в растениях белки могут отличаться от белков животного происхождения по профилю дополнительных биохимических модификаций.

В то же время, израильская биотехнологическая компания CollPlant вполне успешно производит в табачных биофабриках человеческий коллаген – для этого в растениях пришлось экспрессировать пять генов, отвечающих за его синтез. Обычно коллаген получают из отходов мясной промышленности, но израильские производители позиционируют свой продукт как стерильное сырье для биомедицинской 3D-печати, производства искусственных суставов и офтальмологических протезов.

Вакцина с табачной фабрики

Помимо антител, растительные биотехнологические платформы могут значительно упростить производство вакцин от вирусных заболеваний. Большинство традиционных вакцин представляют из себя убитый или ослабленный штамм вируса, или даже части вирусной оболочки, для получения которых вирусы (в частности, гриппа) выращивают в куриных эмбрионах. Однако, для эффективной иммунизации может быть достаточно вирусоподобной частицы, состоящей только из структурных поверхностных белков, но не содержащей генетического материала. По сравнению с живыми вакцинами, такие «пустые оболочки» абсолютно безопасны, потому что не могут размножаться, а их производство гораздо дешевле.

В основе производства вирусоподобных частиц лежит способность структурных белков к самосборке. Синтеза одного или нескольких рекомбинантных белков вируса в «биофабрике» может быть достаточно, чтобы на выходе получить структуры, похожие на настоящие вирусные частицы. Если же нужный для вакцинации белок сам по себе не складывается в шарик или палочку, его можно «пришить» к белку другого вируса, который способен это делать, или совместить с фосфолипидной матрицей, имитирующей мембрану. Подобные технологии лежит в основе производства, например, современных вакцин от гепатита B и папилломавируса человека, белки для которых производят в дрожжах.

Еще одно преимущество вакцин на основе рекомбинантных вирусоподобных частиц – высокая скорость их разработки и производства. В этом смысле технология хорошо подходит для сезонных заболеваний, таких как грипп. К примеру, основная позиция в портфеле канадской биотехнологической компании Medicago, которая специализируется на производстве вирусоподобных частиц в табаке, это вакцины от сезонных штаммов гриппа. В 2012 году компания за месяц произвела 10 миллионов доз вакцины от гриппа по заказу американского оборонного агентства DARPA.

Больше десяти лет назад «Филип Моррис Интернэшнл» инвестировал в биотехнологическую компанию более 15 миллионов долларов. Тогда компания искала способы диверсификации бизнеса за пределами рынка сигарет. На сегодня она владеет 40 процентами Medicago. Основной частью остального пакета владеет Mitsubishi Tanabe Pharma.

В настоящее время Medicago сосредоточила усилия на производстве экспериментальной вакцины от коронавирусной инфекции, вызванной SARS-CoV2, прототип которой удалось создать за 20 дней. В мае вакцина прошла испытания безопасности на животных, и до конца лета может вступить в фазу клинических испытаний на добровольцах.

«В случае с COVID-19 Nicotiana benthamiana была выбрана потому, что геном и биохимия табака хорошо изучены, в том числе учеными «Филип Моррис Интернэшнл». Кроме того, это растение неприхотливо, хорошо растет практически в любых условиях и быстро набирает биомассу», — рассказал по этому поводу Управляющий по научным связям региона Восточная Европа компании «Филип Моррис Интернэшнл» Дмитрий Улупов.

Самосборный враг садовода

Какую именно вирусную платформу для производства белков в табаке использует Medicago, компания не раскрывает. Однако, именно природный вирус табака (вирус табачной мозаики, ВТМ) обладает уникальной способностью к самосборке, а на его поверхности удобно размещать антигены. Большие количества вирусных частиц можно быстро наработать в листьях табака, не дожидаясь урожая самого растения. Созданием прототипа вакцины против COVID-19 на базе вируса табачной мозаики занимаются, например, сотрудники кафедры вирусологии биофака МГУ.

В природе вирус поражает не только растения табака, но и другие растения семейства пасленовых, и нередко портит урожай. Это досадное свойство в XIX веке привело к тому, что возбудитель табачной мозаики стал первым известным вирусом и дал начало всей науке вирусологии. В 1892 году русский ученый Дмитрий Ивановский сообщил в Санкт-Петербургской Академии наук о своих экспериментах с зараженными растениями табака. Он выяснил, что возбудитель просачивается сквозь фарфоровые фильтры, которые задерживают бактерий, а позже обнаружил внутри зараженных клеток кристаллические включения.

Детальное строение вируса выяснили только в середине XX века, и эти знания в дальнейшем даже послужили для создания моделей самоорганизации. Благодаря тому, что его единственный капсидный белок образует термостабильные палочковидные структуры, которые могут включать даже ионы металлов, вирусные частицы предлагают использовать не только в биомедицине, но и в микроэлектронике. По словам исследователей, наноструктуры на основе ВТМ со включениями никеля и цинка могут увеличить эффективную поверхность электродов на порядок и тем самым в шесть раз поднять емкость батарей. Правда, на сегодняшний день использование вирусных частиц подобным образом остается на стадии концепции.

Ученье — свет

Как было упомянуто в самом начале этого текста, табак поначалу использовали как декоративное растение, однако многие садоводы до сих пор выращивают его в огороде ради красивых розовых цветов. Родственники табака из рода Nicotiana используются и вовсе только в декоративных целях, например, Nicotiana alata (крылатый табак) имеет множество садовых сортов под названиями типа «Вечерний бриз» или «Ночной костер». Эти сорта отличаются небольшим размером растений и большими цветами с оттенками от белого до малиново-красного, и даже зелеными.

Ученые из Института биоорганической химии РАН воспользовались хорошо разработанной генно-инженерной моделью табака и сделали на его основе первые в мире светящиеся растения, свечение которых видно невооруженным глазом. Этого удалось достичь за счет восстановления в табаке биосинтетического пути светящегося гриба Neonotopanus nambi. До этого исследовательская группа описала путь биосинтеза люциферина гриба и обнаружила ген грибной люциферазы — фермента, который окисляет люциферин с испусканием видимого света.

Выяснилось, что синтез люциферина можно обеспечить из кофейной кислоты – метаболита, который есть у всех растений, в том числе у табака. Экспрессия ферментов, обеспечивающих превращение люциферина из кофейной кислоты, ген люциферазы и фермент для превращения окисленного люциферина обратно в кофейную кислоту, в конечном итоге заставили табак светиться.

Как рассказал в интервью N + 1 один из создателей светящегося табака и руководитель лаборатории ИБХ РАН Илья Ямпольский, при свете табака даже можно разобрать текст. Однако компания Planta, с участием которой были созданы растения, не планирует продавать свой табак. Генные инженеры сейчас трудятся над созданием светящихся декоративных растений, таких как петунии и розы. А светящийся табак займет свое привычное место в исследовательских лабораториях, ведь встроенная люцифераза представляет собой хорошую репортерную систему для изучения растительной физиологии, например, реакции на стрессы и возбудителей заболеваний.