Как ГМО спасает планету и почему люди этому мешают - Анна Витальевна Иванова

нежданно-негаданно появился стоп-кодон, прекращающий считывание информации с гена раньше положенного срока {Kitamura, N. et al. Immunohistochemical Study of the Ontogeny of Prochymosin‐ and Pepsinogen-producing Cells in the Abomasum of Sheep. Anatomia 30 (2001): n. Pag. https://www.semanticscholar.org/paper/Immunohistochemical-Studyof-the-Ontogeny-of-and-in-Kitamura-Tanimoto/b4ec5c29e8361f8071f64ed09984ae8a11be1067}.

Зачем самим животным нужен химозин? Чтобы позволить себе роскошь быть млекопитающими! Химозин в желудке детенышей отвечает за быстрое свертывание молока, получаемого от матери. В таком виде молоко лучше усваивается организмом детеныша. Собственно, поэтому химозин нужен только новорожденным животным и не вырабатывается (или практически не вырабатывается) у взрослых особей. В процессе взросления вместо химозина начинает работать пепсин, который мы упоминали раньше. Пепсин делает это медленнее химозина, но организм взрослого такая скорость вполне устраивает. Конечно, не химозином единым обеспечивается наша способность употреблять молоко: важнейшую роль в этом процессе играет фермент лактаза, позволяющий расщеплять лактозу из молока на более простые сахара – глюкозу и галактозу, которые наше тело уже может превратить в энергию[156]. Химозин как бы упрощает лактазе работу, отправляя к ней уже створоженный продукт. Когда мы используем химозин в приготовлении сыров, мы обращаемся как раз к этой его функции – умению створаживать молоко.

Что такое открытая рамка считывания?

Геном многоклеточных организмов – это несколько миллиардов букв, которые записаны без пробелов и знаков препинания. Вот так будет выглядеть его очень маленький кусочек, взятый из произвольного места:

…ЦУААУЦАГЦАУАЦГАЦУААССССЦАГЦАУАЦГАЦУААААААУЦАГЦАУАЦГАЦЦЦУУЦУААУЦАГЦАУАЦГАЦУААУЦАГЦАУАЦГАЦУААУЦАГЦАУАЦГАЦУААУЦАГЦАУАЦГАЦУААССССЦАГЦАУАЦГАЦУААААААУЦАГЦАУАЦГАЦГГАУЦУУЦУААУЦАГЦАУАЦГАЦУААУЦАГЦАУАЦГАЦУААУЦАГЦАУАЦГА……

Выше мы поговорили, что только чуть больше 1 % от всех этих миллиардов содержат информацию о генах, причем информация это раскидана по геному частями. Так где именно в этом огромном тексте находится подстрока текста гена?

На самом деле существуют группы символов, которые означают начало и конец прочтения гена. Но посмотрите на фрагмент генетического текста еще раз. С какой именно буквы стоит начинать отсчет, чтобы найти такие фрагменты? Как понять, что какие-то буквы относятся к началу искомого фрагмента, а не к концу какого-то предыдущего? На концах хромосом обычно находится длинная куча «мусора», содержимое которой зависит, например, от того, сколько циклов деления прошла клетка к моменту прочтения ее генома (этот «мусор» называется теломерами и он защищает ДНК в клетке от проблем при делении). А кто знает, какой длины бессмысленные фрагменты между генами? В общем, чтобы решить, что вот это перед нами текст гена, надо бы сначала определиться, откуда мы будем считать его начало. Точнее, найти это начало. И еще конец. Это расстояние между предполагаемым началом и предполагаемым концом и называется открытая рамка считывания.

Задача поиска открытых рамок считывания (или предсказания генов в геноме), является одной из важнейших задач биоинформатики. Для ее решения ученые анализируют весь текст хромосомы специально настроенными поисковыми алгоритмами. Алгоритмы оценивают «текст» по множеству параметров одновременно. Например, они ищут потенциальные старти стоп-кодоны.

Но посмотрим на примере, что происходит, если рамка сдвигается. Пусть мы установили, что внутри рамки считывания находится текст экзона:

ЦТААТЦАГЦАТАЦГА (или ЦУААУЦАГЦАУАЦГА в мРНК, где Т заменится на У).

Разделим на кодоны и переведем на язык белков:

ЦУА АУЦ АГЦ АУА ЦГА – Leu Ile Ser Ile Arg (лейцин-изолейцин-серин-изолейцин-аргинин).

Что будет, если из открытой рамки считывания вывалится всего какая-то одна буква? Пусть это будет шестая буква от начала рамки:

ЦТААТАГЦАТАЦГА (или в мРНК – ЦУААУАГЦАУАЦГА) – на первый взгляд мало что изменилось. Но проверим, какой белок теперь синтезируется по такой цепочке:

ЦТА АТА ГЦА ТАЦ ГА (или ЦУА АУА ГЦА УАЦ ГА) – Leu Ile Ala Tyr (лейцин-изолейцин-аланин-тирозин).

Но это же совершенно другой белок! Потеря всего одной буквы из текста гена оказалась намного страшнее, чем замена буквы на другую, о которой мы говорили ранее. Такая потеря привела к сдвигу рамки считывания, и все остальные буквы, стоящие после этой делеции, сдвинулись на одну букву влево, образовав совсем другие кодоны. А если вспомнить, что среди обычных, кодирующих аминокислоты кодонов есть стоп-кодоны – точки в предложении-гене, то станет понятно, как выпадение всего одной буквы может привести к обрыву в считывании последовательности для всего белка дальше выпавшей буквы.

Отдел желудка жвачных животных, в котором вырабатывается предшественник химозина, называется сычуг, поэтому химозин часто называют просто сычужным ферментом, а полученные таким образом сыры классифицируют как сычужные.

К сожалению, получить такой химозин от живого детеныша невозможно. Так что веками за нашу любовь к сыру телята платили цену своими жизнями.

Помню, как меня ужаснул этот факт. Думаю, сейчас вы испытываете те же чувства. Поэтому дальше у меня будут действительно хорошие новости! С каждым годом в продаже вы встретите все меньше сыра, для изготовления которого пострадал хотя бы один детеныш! Начиная с 90-х годов прошлого века задача по изготовлению сычужного фермента лежит на плечах бактерий, растений, ну и конечно же дрожжей, ведь эту главу мы посвятили им[157]. По данным на конец 2017 года, более 90 % всего производимого в мире химозина – это химозин биотехнологический[158]. Ситуация в России немного хуже, но и здесь наблюдается довольно позитивная картина: более 75 % всего производства сыров используют ферменты неживотного происхождения[159]. К сожалению, собственное производство самих биотехнологических ферментов в России отсутствует, хотя исследования в этом направлении и ведутся. Однако последние новости о таком проекте мне удалось найти лишь за 2018 год[160].

Самые популярные на этом поле трудяги, конечно, генетически модифицированные штаммы бактерий E. coli. В разных вариантах модификации они трудятся за телят, ягнят и козлят. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) в США одобрило вариант химозина на базе кишечной палочки одним из самых первых, признав его полную безопасность и соответствие природным аналогам[161]. Сейчас дрожжи Kluyveromyces lactis и Saccharomyces cerevisiae подменяют козлят, а дрожжи Pichia pastoris – буйволят. Плесневые грибы Aspergillus oryzae, Aspergillus awamori и Aspergillus niger заняты на работах по спасению телят и верблюжат[162]. Новые работы, посвященные получению все новых видов химозина с использованием все новых технологий и носителей, выходят постоянно! И многое из этого после всех необходимых проверок выходит на рынок.

Недавно ученые предложили новый вариант рекомбинантного химозина, который мог бы заменить химозин верблюжат[163]. ГМ-химозин в этом эксперименте еще и дал больший выход получающегося сыра. Но неужели нам мало традиционных коров, коровьего молока и сыра, ну и заменивших коровий химозин ГМ-вариантов? Мало. И на это сразу множество причин: кроме того что верблюжье молоко и продукты из него