CRISPR заставил маниок делать улучшенный крахмал
Швейцарские биоинженеры научились при помощи CRISPR-Cas9 выключать гены у маниока (кассавы) и создавать стабильные сорта без трансгенной ДНК. В работе, опубликованной в Science Advances, ученые вывели сорт маниока с пониженным содержанием линейных цепочек крахмала, однако потенциально поле для редактирования этой ценной сельскохозяйственной культуры гораздо шире.
Съедобный маниок (Manihot esculenta), или кассава, входит в тройку самых важных источников углеводов в тропических регионах вместе с рисом и кукурузой. Клубни кассавы содержат до 40 процентов крахмала и составляют основу ежедневного рациона для 500 миллионов человек. Мука из кассавы, известная как тапиока, в отличие от пшеничной муки, не содержит глютена, и по этой причине приобрела популярность в западных странах, где немало людей страдает непереносимостью глютена.
Кроме того, кассава важна для промышленности в качестве источника крахмала. Большая часть промышленного крахмала используется в производстве бумаги, а также в текстильной промышленности, для производства биодеградируемых пластиков и клея. Крахмал состоит из амилопектина («сеточек» из глюкозы) и амилозы (линейных цепочек глюкозы). Во всех этих производствах, как и в пищевом, чаще всего востребован вязкий крахмал с низким содержанием амилозы. Для изменения физико-химических свойств крахмала линейные цепочки приходится сшивать между собой — в результате получается так называемый модифицированный крахмал (который к генетической модификации никакого отношения не имеет).
Упростить манипуляции с крахмалом на производстве помогло бы выведение сортов кассавы, где амилозы исходно будет мало. Биоинженеры из Швейцарской высшей технической школы Цюриха показали, что для этого достаточно выключить в клубнях ген GBSS, кодирующий грануло-связанную синтазу крахмала, которая задействована в синтезе амилозы. Для выключения гена ученые использовали систему CRISPR-Cas9, при помощи которой в одну стадию можно нарушить рамку считывания гена, и таким образом, сломать его. Генетическую кассету, содержащую ген Cas9 и направляющую РНК для GBSS, трансформировали в зародышевую ткань растения (каллус) при помощи агробактериальной Т-ДНК, и получили из нее растения, лучшие из которых содержали в два раза меньше амилозы (9 процентов против 18).
Однако получить из отдельных растений стабильную линию кассавы с нужным признаком, но без редактирующей кассеты оказалось не так просто. Дело в том, что она размножается преимущественно клубнями, и цветет довольно редко даже в природе, а в условиях лабораторной теплицы заставить кассаву цвести, чтобы получить семена, очень сложно. Без цветения растения невозможно скрещивать. Проблему удалось решить путем добавления к редактирующей кассете гена FT (FLOWERING LOCUS T) из модельного растения Arabidopsis thaliana. Продукт этого гена индуцирует в растениях цветение. После того, как кассава зацвела, за пару скрещиваний ученым удалось избавиться от трансгенной кассеты с Cas и FT, но сохранить нужный признак — мутацию в обеих копиях гена GBSS.
Данная работа важна не только выведением сорта кассавы с пониженным содержанием амилозы, но и отработкой технологий для генной инженерии этого растения. Маниок засухоустойчив, и в ходе глобального потепления и сопутствующего опустынивания регионов наверняка приобретет еще большую популярность как продукт питания. Помимо достоинств, у этого растения есть и недостатки, самый очевидный из которых — ядовитость сырых клубней, из-за чего маниок в обязательном порядке необходимо варить или сушить. При этом из-за проблем с цветением традиционная селекция сортов кассавы может занимать многие годы. Конкретно в этом случае генная инженерия могла бы принести сельскому хозяйству очевидную пользу.
CRISPR-редактирование растений удобно тем, что в идеале не оставляет после себя в геноме никаких лишних следов, кроме нужной мутации. По этой причине Министерство сельского хозяйства США, например, исключило из своей юрисдикции ГМ-продукты, полученные при помощи CRISPR (в частности, шампиньоны, которые не темнеют на воздухе). Тем не менее, Европейский суд приравнял такие растения к ГМО. О том, как российские и зарубежные ученые разрабатывают CRISPR-картофель, можно прочитать в нашем материале «Пойдем чинить картошку».
Дарья Спасская
Эти эффекты зависели от пола
Американские исследователи выяснили, что прием каннабидиола беременными мышами связан с нарушениями термической болевой чувствительности, способности к решению задач и возбудимости префронтальной коры мозга у их потомства, причем эти эффекты зависят от пола. Отчет о работе опубликован в журнале Molecular Psychiatry. В странах, где препараты конопли разрешены для медицинского или рекреационного применения, некоторые беременные женщины принимают каннабидиол (второй по количеству каннабиноид после тетрагидроканнабинола) в чистом виде или в составе медицинской марихуаны для борьбы с тошнотой, считая, что это безопасно. При этом каннабидиол, не обладающий психоактивными свойствами, проникает через гематоплацентарный барьер и связывается с многими рецепторами, принимающими участие в развитии мозга, в том числе серотониновыми 5-HT1A, термочувствительными ваниллоидными TRPV1 и калиевыми каналами Kv7. Возможные последствия этого для потомства остаются малоизученными. Чтобы разобраться в этом вопросе, сотрудники из Университета Колорадо под руководством Эмили Энн Бейтс (Emily Anne Bates) вводили внутрижелудочно мышам с пятого дня беременности (примерно конец первого триместра) до родов 50 миллиграмм каннабидиола (высокая доза) в подсолнечном масле на килограмм массы тела ежедневно. Животные из контрольной группы получали только подсолнечное масло. На продолжительность беременности, набор массы тела в течение нее, размер и пол помета прием препарата не влиял. Он и его метаболиты полностью вывелись из плазмы мышат на восьмой день от рождения. Подошвенный тест на аппарате Харгиривза в возрасте 11 недель показал, что после внутриутробного воздействия каннабидиола у потомства мужского, но не женского пола значительно (p = 4,99 × 10-8) понижен порог термической болевой чувствительности. При нокауте гена TRPV1 он не изменялся, а значит, эффект связан именно с этими рецепторами. По данным тестов с темно-светлой камерой и различными лабиринтами, прием каннабидиола во время беременности не влиял на уровень тревожности, компульсивность и пространственную память потомства. В экспериментах с клетками-головоломками выяснилось, что после такого воздействия самки, но не самцы медленнее (p = 0,02) справляются с решением задач, что, вероятно, связано с гиперактивацией 5-HT1A-рецепторов. Электрофизиологическое исследование в возрасте 14–21 дня показало, что у таких самок повышен (p = 0,00007) порог запуска потенциала действия (то есть снижена возбудимость) Kv7-положительных пирамидных нейронов слоя 2/3 префронтальной коры, отвечающей за обучение и исполнительные функции. Плотность, размеры и морфология дендритных шипиков этих клеток затронуты не были, однако амплитуда возбуждающих потенциалов, вызванных активацией глутаматных AMPA-рецепторов, оказалась существенно снижена (p = 0,0009). У самцов подобных изменений не наблюдалось. Полученные данные свидетельствуют о том, что ежедневный прием высоких доз каннабидиола на протяжении последних двух триместров беременности мышами вызывает изменения физиологии нейронов и развития нервной системы у потомства, что в дальнейшем проявляется сенсорными и поведенческими расстройствами, причем эти эффекты зависят от пола животных. Авторы работы намерены уточнить, как на них влияют доза препарата и его прием в отдельные периоды беременности. В 2022 году канадские исследователи сообщили, что около двух процентов их беременных соотечественниц употребляют марихуану, причем это коррелирует с повышенным риском преждевременных родов, низкой массы ребенка при рождении, недостаточным или избыточным весом для гестационного возраста, любых врожденных аномалий, кесарева сечения и гестационного диабета.