Мы с удовольствием публикуем лучшие работы конкурса «Моя лаборатория», который провели в рамках Олимпиады Программа «Мастерские инноваций» ФИОП РОСНАНО и МГУ имени М.В.Ломоносова.
О биотехнологии нынче говорят много, серьезно и сосредоточенно, с энтузиазмом и надеждами, устремленными в будущее. Это едва ли не ведущее научное направление современности, в перспективе обещающее преобразовать и значительно улучшить многие аспекты нашей повседневной жизни, и, более того, привнести доселе неведомые. Биотехнология демонстрирует стремление поставить живое себе на службу не только на макроуровне, что сделано еще на заре человеческой цивилизации, но и на уровне отдельно взятой клетки. И это не утопия. Да, люди до сих пор производят хлеб, вино и пиво, прибегая к методам биотехнологии, но сейчас они ушли значительно дальше. Работают с клетками, изменяют клетки так, как считают нужным. Совершают действия на уровне фантастики. Тем не менее, все это более чем реальность.
Нечто подобное происходит и в биотехнологической лаборатории Российского государственного аграрного университета – МСХА имени К.А. Тимирязева.
Клетки растений пытаются переделать таким образом, чтобы они помогали человеку. Для этого растения выращивают в пробирках в стерильных условиях на специально приготовленных искусственных питательных средах. Полученные в подобных условиях растения становятся источниками клеток и тканей, которые и являются непосредственными участниками биотехнологического процесса.
Но прежде чем получить растительные клетки и ткани, необходимо пройти ряд подготовительных этапов, среди которых приготовление уже упомянутых питательных сред, стерилизация семян, черенкование, неоднократные пересадки. Действия не сложные, но требующие аккуратности и сосредоточенности. Ведь от качества проделываемых операций во многом зависит конечный результат. Когда речь касается биотехнологии растительных клеток, важна каждая, даже несущественная на первый взгляд деталь.
Растения могут быть крайне непредсказуемыми. Невнимательность или случайная оплошность могут породить массу вопросов (в лучшем случае) или же просто свести результат на нет.
Но зачем же тогда бедное растения сажать в пробирку, спросите вы? Ведь растения и так неплохо служат роду человеческому, спокойно произрастая в грунте, исправно принося урожай и не только. Дело в том, что каждое растение обладает некоторыми особенностями, благодаря которым неплохо себя там чувствует и даже методично или, что еще более удивительно, с большей силой, выполняют важные для человека задачи. То есть становятся частью биотехнологического процесса. Эти свойства - тотипотентность и способность к вторичному метаболизму.
Известно, что практически любая живая клетка имеет ядро, которое является своеобразным хранилищем наследственной информации, бережно записанной в последовательности нуклеотидов длинной молекулы ДНК. Но далеко не каждая клетка способна данную информацию полностью реализовать. По крайней мере, животной клетке такое едва ли по силам. Ведь клетки всегда строго специализированы, и именно поэтому используют не всю хранящуюся в них информацию, а только ту, которая помогает им исправно выполнять предначертанные функции в соответствии со своей ролью. Что же касается клеток растений, то, несмотря на их специализацию, каждая из них способна дать начало полноценному организму, то есть прочитать и реализовать всю необходимую для этого информацию, записанную в цепочке ДНК, стать клеткой любого типа. Ничего удивительного. Это и есть тотипотентность. Свойство, как уже говорилось, крайне полезное для биотехнологов. Ведь из каждой отдельно взятой клеточки можно получить сколько угодно новых, здоровых растений. Раз уж растению вполне по силам восстановить себя даже из отдельной клетки, то что уж говорить об участке ткани или органе? Да, растение способно полностью регенерировать себя из чего бы то ни было. На этом и основано так называемое клональное микроразмножение. А служить оно может самым разным целям. Например, сохранению редких и исчезающих видов растений, которые капризны к выращиванию в естественных условиях.
Меч-трава из семейства осоковые стремительно исчезает с привычных мест своего обитания из-за активной хозяйственной деятельности человека. Исследователи из нашей биотехнологической лаборатории предпринимают отчаянные попытки ввести данное растение в культуру с целью размножения и сохранения. Некоторые растения могут быть крайне чувствительными к культивированию в искусственной стерильной среде, вести себя странно или вообще не прорастать в непривычных для них условиях пробирки. Меч-трава как раз из таких видов.
Как заставить семя расти в пробирке? Какие факторы нужно учесть? Какие процессы происходят внутри организма растения при выращивании его в условиях in vitro, делая его другим, отличным от сородичей, растущих вне пробирки? Вот такие нелегкие вопросы стоят перед начинающими исследователями в нашей лаборатории.
Некоторые из них носят фундаментальный характер, и полученные ответы смогли бы помочь в формировании теоретической базы биотехнологии растений. Ведь биотехнология растений, несмотря на уже имеющиеся успехи и полувековую историю, - направление, обладающее огромным потенциалом для развития. Самое интересное еще впереди.
Есть в биотехнологической лаборатории и такие растения, которые совсем недавно удостоились внимания широкой публики. Это водные растения, такие как лилеопсис и стаурогин. Информации о них не так-то много, а сфера применения пока что ограничивается эстетическими потребностями человека – их используют для украшения аквариумов. Собственно, этим и объясняется стремление их размножить.
Но помимо этого исследователи ставят перед собой другие, менее очевидные задачи. Растение, введенное в культуру, может качественно отличаться от остальных себе подобных, в том числе и внешне. Полученные новые необычные формы очень могут заинтересовать аквариумистов опять-таки с эстетической точки зрения.
Однако перед многими введенными в культуру растениями стоит более явная цель – уже упомянутый вторичный метаболизм, а если быть точнее – активный синтез продуктов вторичного метаболизма. Причем синтез на должном уровне, вполне себе сопоставимый с синтезом в растении, растущем «на свободе».
Но что же такое этот вторичный метаболизм? Дело в том, что каждое растение производит в своем организме ряд веществ, значение которых для него не совсем установлено. Да, это одна из важнейших загадок, зачем нужны растению эти вещества. И если с ролью для растения этих веществ все крайне туманно, то роль их для человека определена достаточно давно. Ведь не для кого не является тайной, что с давних пор растения широко используются человеком в лечебных целях. Своему применению в качестве лекарств растения обязаны как раз вторичному метаболизму, который сводится к производству внутри растительной клетки различных активных полезных для человека веществ. Таким образом, получение этих метаболитов и есть одна из основных целей клеточной биотехнологии растений сегодня. Некоторые виды все уже удалось заставить активно работать в пробирке, на должном уровне производить нужные человеку вещества. Например, женьшень исправно синтезирует тонизирующие вещества, а из клеток раувольфии змеиной получают аймалин – ценный алкалоид, используемый для лечения заболеваний сердца. Список растений, клетки которых производят необходимые человеку вещества пока что не очень широк. В него удалось попасть лишь тем растениям, которые производят действительно ценные и редкие вторичные метаболиты. Однако потенциал многих растений как активных производителей различных веществ в культуре клеток все еще остается неизвестным.
Многие растения можно поместить в пробирку, из некоторых можно получить полезные вещества, но перед ученым, занимающимся клеточными биотехнологиями, всегда стоит вопрос, насколько это оправдано.
Объектом пристального внимания студентов и начинающих исследователей из биотехнологической лаборатории стали растения семейства Яснотковые. Объект, конечно, не столь экзотический, как, к примеру, женьшень, тем не менее, это не означает, что он менее любопытный в плане наличия интересных веществ. Скорее наоборот, Яснотковые просто изобилуют различного рода вторичными метаболитами. Недаром эти растения широко используются как источники эфирных масел. Однако всегда есть вероятность обнаружения необычных, ранее неизвестных веществ с важными для человека свойствами. Потому-то Яснотковые столь привлекательны как объект исследования клеточной биотехнологии.
Взять, к примеру, многоколосник. В Китае данное растение по его целебным свойствам ставят в один ряд с уже упомянутым женьшенем. В разных частях многоколосника можно обнаружить и флавоноиды, и гликозиды, и много чего другого, полезного для здоровья. И таким потенциалом обладают многие Яснотковые – всем известные шалфей, чабрец, мята, базилик, лаванда.
Перед всеми обитателями биотехнологической лаборатории стоит крайне серьезная и ответственная задача – поставить пробирочные растения на верный путь развития, получить от их клеток максимальное количество полезных метаболитов. Правда, все это еще впереди. Пока следует прорабатывать некоторые организационные задачи. Эффективно решая их, можно кардинально изменить жизнь растения.
Основные действа, связанные с преобразованием растений в нашей лаборатории происходят в ламинар-боксе, или, как принято его здесь называть, в ламинаре. Застекленное пространство ламинара защищает растения от проникновения в его искусственную среду обитания посторонних организмов, не различимых человеческим глазом – бактерий и грибов. Но несмотря на кажущуюся безопасность, в пределах ламинара работу следует вести крайне осторожно. Опять-таки по причине невидимости и вездесущности микроорганизмов. Они могут затаиться где угодно, даже в самых, на первый взгляд, стерильных местах. Очень важно, чтобы растение чувствовало себя комфортно и безопасно в условиях пробирки. Лишь тогда оно сможет помочь и дать исследователю почву для размышлений. Первоначально работа в ламинаре кажется сложным таинством, но со временем эта «наука» становится ясной для любого обитателя биотехнологической. Ведь в лаборатории царит дружественная и товарищеская атмосфера. На любые вопросы, касающиеся организации работы с растением, будут получены исчерпывающие ответы, а тонкости и детали гарантировано разъяснены.
А что же представляет из себя искусственная питательная среда? Это важная составляющая искусственной среды обитания растения, дающая ему часть того необходимого, что нужно для его полноценного (насколько это возможно в условиях пробирки) роста. В естественных природных условиях растение получает необходимые для его роста вещества из почвы. В искусственную среду минеральные вещества добавляются в виде растворов. Так же обязательными ее компонентами являются углеводы и витамины. Почва дает растению не только совокупность минеральных солей и воду. Она также является опорой растению, ведь именно в почву глубоко врастает корень с целью закрепления растения на поверхности. Для этого в искусственную питательную среду добавляется агар-агар. Агар –агар знаком многим как один из компонентов мармелада и пастилы, который и придает этим лакомствам столь необычную консистенцию. Желеобразная структура питательной среды помогает растению с легкостью закрепиться корнями в пробирке.
Исследователи лаборатории пытаются выяснить, как различные факторы влияют на способность растения выделять вторичные метаболиты. Например, гормоны. Не стоит удивляться – у растений, подобно животным, таковые тоже имеются. Эти вещества способны изменить жизнь растительных клеток самым невероятным образом. Например, при избытке соответствующих растительных гормонов растение в пробирке может дать каллус. Способность образовывать каллусную ткань – удивительное свойство растений. Каллус – это множество растительных клеток, лишенных каких-либо однозначных функций (такие клетки принято называть дедифференцированными). Любопытным является тот факт, что растение может образовать каллус достаточно легко, иногда даже спонтанно. Такие клетки больше всего интересуют исследователей-биотехнологов. В нашей лаборатории каллус активно изучается. Почему он образуется? Какова природа каллусных тканей и какую пользу они способны принести человеку? Вот немногие из вопросов, которые возникают при работе с каллусом у исследователей в биотехнологической лаборатории.
Как оказалось, организм растения обладает массой любопытных свойств и таит в себе немало загадок, особенно на уровне клеток и тканей. Не удивительно, что каждому искушенному исследователю хочется проникнуть на более глубокие уровни понимания природы растительных клеток. Знание этих механизмов позволит сделать стремительный скачок в развитии биотехнологии как прикладной дисциплины. Впереди нас ожидает много сложного и интересного. Но пути решения со временем непременно себя обнаружат.
Несколько слов об авторе. Зовут меня Поливанова Оксана. Я являюсь аспирантом кафедры генетики, биотехнологии, селекции и семеноводства РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева. С биотехнологической лабораторией, как и с Университетом, я познакомилась только в 2014 году, когда пришла сюда в аспирантуру после окончания биолого-химического факультета Белгородского государственного университета. Именно в стенах БелГУ у меня появился глубокий интерес к растениям, особое любопытство вызвал их обмен веществ. В рамках своей дипломной работы (и не только) я изучала накопление и химический состав различных веществ, производимых лекарственными растениями. Но с аналогичным явлением вне организма целого растения, а на уровне отдельно взятых тканей и клеток, я вплотную столкнулась лишь на кафедре генетики, биотехнологии, селекции и семеноводства Тимирязевки. Поэтому лаборатория и все, что происходит в ней, стало для меня своего рода открытием. Ведь то, о чем мне довелось узнать из книг и едва ли вырисовывалось в голове, оказалось вполне реальным и осуществимым на практике. Я до сих пор продолжаю знакомство со всеми теми манипуляциями, которые помогают изменять растения, перестраивать их обмен веществ в нужное для человека русло. Каждый день я узнаю что-то новое, маленькие секреты и тонкости при работе с оборудованием лаборатории и растениями. Передо мной стоит задача детально изучить вторичный метаболизм растений рода Agastache (Многоколосник). Данное растение, несмотря на очевидные лекарственные свойства, пока не получило распространения в нашей стране. Вопросы, касающиеся химического состава и систематического положения различных видов данного рода, не имеют точного и однозначного ответа. Впереди меня ждет увлекательная и интересная работа.
