Как всё начиналось: от селекции до CRISPR
Сельское хозяйство изначально строилось на изменении генов растений. Люди тысячелетиями отбирали сорта для повышения урожайности, устойчивости к засухам, вредителям и болезням. В последние десятилетия к селекции добавились методы генной инженерии, включая CRISPR, которые позволяют точечно редактировать ДНК. Однако даже с этими инструментами процесс изменения поведения растений остаётся долгим и сложным.
Что такое ENTRAP-seq и как это работает?
Учёные из Института биоэнергетики (JBEI) разработали технологию ENTRAP-seq, которая позволяет одновременно анализировать тысячи регуляторов транскрипции у растений. Эти регуляторы — белки, контролирующие, как часто гены транскрибируются в РНК. Они работают как «регуляторы света», тонко настраивая или полностью отключая активность генов.
Регуляция транскрипции — ключевой механизм, который определяет такие свойства культур, как размер зерна или сроки цветения. Например, древние фермеры неосознанно отбирали пшеницу с генами, увеличивающими размер зёрен. Современные учёные стремятся управлять этими процессами осознанно, но до сих пор знания о том, как работают генетические переключатели, остаются ограниченными.
Главная проблема — не редактирование, а контроль
По словам Симона Аламоса, исследователя из Калифорнийского университета в Беркли, даже для хорошо изученных растений учёным сложно предсказать, как изменение экспрессии гена повлияет на растения. Инструменты вроде CRISPR позволяют редактировать гены быстро и точно, но понимание, как эти изменения интегрируются в сложные генетические сети, всё ещё остаётся на низком уровне.
Технология ENTRAP-seq позволяет ускорить исследования, переводя эксперименты с уровня целых растений на уровень отдельных клеток. Учёные используют бактерии, способные внедрять ДНК в клетки листа. Каждая бактерия несёт уникальную инструкцию для производства варианта белка-регулятора. Эти белки взаимодействуют с генами в ядре клетки, показывая, активируют они их или подавляют.
Тысячи вариантов за одно исследование
Метод позволяет проводить эксперименты гораздо быстрее. В одном из тестов команда исследовала 350 мутантных версий белка, отвечающего за сроки цветения у растения арабидопсис. На это ушло всего несколько недель. Для сравнения, аналогичное исследование с использованием традиционных методов потребовало бы двух лет работы двух специалистов.
Для проектирования белков-активаторов учёные использовали модель искусственного интеллекта, которая предсказывает последовательности ДНК, кодирующие активирующие белки. Однако точность таких моделей ограничена недостатком данных. ENTRAP-seq решает эту проблему, позволяя быстро собирать большие объёмы информации для обучения алгоритмов.
Перспективы для сельского хозяйства
Технология ENTRAP-seq открывает новые возможности для совершенствования сельскохозяйственных культур. Более быстрое и точное управление генами поможет создавать растения с высокой урожайностью, устойчивостью к погодным условиям и вредителям. Это особенно важно для России, где климатические риски и необходимость повышения производительности сельского хозяйства стоят очень остро.
