РНК-вакцины для растений?
Угроза COVID-19 подстегнула инновации беспрецедентными темпами. РНК-вакцины были одобрены примерно за год и в результате спасли сотни тысяч жизней. Подобные инновации происходят и в сельскохозяйственных исследованиях, хотя и гораздо медленнее. Последние 10 лет небольшая группа ученых-растениеводов работает над достижением аналогичной цели: введение РНК в клетки для временного изменения их активности. Хотя воздействие на здоровье человека не столь очевидно, эти технологии могут улучшить питание, защитить окружающую среду и снизить стоимость продуктов питания.
Но если не будет такой угрозы, как глобальная пандемия, дойдут ли когда-нибудь до применения РНК в растениях? Финансирование исследований растений труднодоступно, а биотехнологические инновации в сельском хозяйстве сталкиваются с серьезными нормативными препятствиями. Тем не менее, недавнее исследование, проведенное Киотским университетом (Япония), сделало шаг вперед в направлении технологий на основе РНК, готовых к использованию в полевых условиях. Ученые в этой области надеются, что, как и в случае с вакцинами, этот подход пройдет ускоренный путь к одобрению.
Почему РНК?
РНК-вакцины COVID-19 представляют собой РНК, упакованную в липидные (жировые) наночастицы. Когда РНК доставляется в клетки, она транскрибируется в вирусные белки, которые распознаются нашей иммунной системой. Это распознавание вызывает ответную реакцию, которая защищает нас от будущих инфекций.
РНК указывает клеткам, какие белки производить. РНК также может приказать клеткам прекратить производство определенных белков в процессе, известном как РНК-интерференция (RNAi).
Хотя у растений нет адаптивной иммунной системы, как у животных, они все же могут распознавать, «запоминать» и реагировать на угрозы. В 2019 году исследователи из Института биохимии и биотехнологии в Германии продемонстрировали, что РНК, введенная в растения, защищает их от вирусов.
В рамках смежного подхода группа ученых под руководством Минсельхоза США обнаружила, что РНК, доставленная в сосудистую сеть растений, может бороться с вредителем, распространяющим такую болезнь, как позеленение цитрусовых. В последнее время позеленение цитрусовых попало в заголовки газет в связи с ростом цен на апельсиновый сок. По прогнозам, в этом году во Флориде будет произведено на 1,5 миллиона ящиков апельсинов меньше, чем в прошлом году, поскольку многие рощи были уничтожены болезнью.
Хотя большинство исследований по внедрению РНК в растения были посвящены защите от насекомых, бактерий, грибков или вирусов, этот же подход может быть применен к самым разным признакам. Например, устойчивость к засухе — сложная задача, поскольку засухоустойчивые растения во время дождя дают меньший урожай, чем чувствительные к засухе. Представьте себе использование РНК для стимулирования генов, отвечающих на засуху, только в сухую погоду.
Многие признаки, с которыми ученые-растениеводы экспериментировали с помощью генной инженерии, можно было бы контролировать с помощью РНК. Сюда входят гены, важные для порчи продуктов питания, устойчивости к гербицидам, лекарственным/пищевым соединениям и устойчивости к вредителям/болезням. Но сначала необходимо преодолеть несколько технических проблем.
Проблема доставки РНК
Вакцины COVID-19 на основе РНК удивительны отчасти тем, что они вообще работают. РНК невероятно нестабильна. Существует множество ферментов, называемых рибонуклеазами, которые только и ждут, чтобы уничтожить РНК.
Одна из самых важных инноваций вакцин на основе РНК — это их система доставки. Липидные наночастицы, которые были разработаны в основном для доставки лекарств от рака, были адаптированы для РНК.
Вводить отдельным людям липидные наночастицы, содержащие РНК – логистическая задача, но не невозможная, даже в масштабах всего населения Земли. Инъекция РНК отдельным растениям была бы смехотворной даже в масштабах личного сада, не говоря уже о глобальном продовольственном снабжении.
Отсюда вытекает основная техническая проблема использования РНК в сельском хозяйстве: как доставить РНК в клетки растений в таких масштабах, чтобы это было практично и экономически эффективно?
Оказывается, решение довольно элегантно. В исследовании, опубликованном в прошлом месяце, ученые из Киотского университета разработали спрей для местного применения, содержащий РНК, который изменил активность генов в томатах более чем на 80%.
Вместо липидных наночастиц они использовали сосуды, состоящие из пептидов, или небольших белков. Это важно, потому что в состав спрея должно входить поверхностно-активное вещество, например, мыло, чтобы проникать через восковую поверхность листьев растений. Поверхностно-активные вещества, скорее всего, разрушили бы липидные наночастицы.
Это был не первый случай использования спрея для доставки РНК в клетки растений. Важным в этой работе было то, что они также активировали РНК-интерференцию в хлоропластах.
Хлоропласты содержат свой собственный крошечный геном. В хлоропласте находятся основные пути производства изопреноидов. Существует около 50 000 различных изопреноидов растений, и их значение варьируется от медицинского (ТГК и Таксол) до промышленного (каучук и красители) и чувственного (вкус и ароматы). Манипулирование изопреноидами и другими важными метаболическими процессами с помощью РНК-интерференции должно происходить в хлоропласте.
Более того, ранее было неясно, происходит ли РНК-интерференция вообще в пластидах. Совсем недавно было обнаружено, что РНК-интерференция происходит в митохондриях человека, но в отношении растений все еще оставалось неясным.
Потенциал манипулирования растениями с помощью РНК очевиден. И за последние 10 лет были достигнуты большие успехи в преодолении технических проблем. Но когда эти инновации будут готовы к использованию в полевых условиях, как они будут регулироваться?
Регулирование применения РНК
Если предположить, что вы получили вакцину COVID-19, вряд ли вы считаете себя генетически модифицированным человеком. Аналогичным образом, существующая в настоящее время структура регулирования не считает растение, опрысканное РНК, генетически модифицированным организмом (ГМО).
Положения о том, что является и не является ГМО, странно специфичны. Например, сорт растения, созданный путем обработки его предков радиацией или химикатами, вызывающими мутации, не считается генетически модифицированным, даже если он будет содержать множество известных и неизвестных мутаций. И наоборот, если ген из одного сорта помидоров вставляется в другой, то этот сорт считается ГМО, даже если генетическое изменение могло произойти естественным путем в результате селекции.
Помните ученых, боровшихся с позеленением цитрусовых с помощью РНК-интерференции? Уже существуют генетически модифицированные апельсиновые деревья, которые противостоят позеленению цитрусовых, но их утверждение может занять еще 10 лет, а позеленение цитрусовых сеет хаос почти столько же времени.
Исследователи, стоящие за проектами по позеленению цитрусовых и другими проектами РНК-интерференции, надеются, что эта технология, когда доставка будет доведена до совершенства, может быть быстро использована для адаптации к растущим угрозам в темпе, подобном ответу COVID-19. Если они правы, то РНК-интерференция может быть только началом. Есть основания полагать, что аналогичным образом можно будет доставлять системы на основе CRISPR, открывая возможности для множества временных/целевых генетических изменений.