Редактировать геном – чтобы вернуть устойчивость насекомых к инсектицидам
Сегодня с насекомыми, вредителями растений и переносчиками заболеваний, борются преимущественно с помощью химических средств защиты. Но эффективность таких инсектицидов со временем снижается: насекомые приспосабливаются к этим препаратам так же, как бактерии – к антибиотикам. Поэтому нам придется либо продолжать «химическую войну», создавая новые инсектициды, либо пойти другим – генно-инженерным путем.
В наши дни растительноядные насекомые уничтожают до четверти всего мирового урожая сельскохозяйственных культур, а от болезней, которые переносят насекомые, ежегодно гибнут сотни тысяч человек. Так, в странах Африки, где широко распространена малярия, переносимая комарами, инсектицидами обрабатывают антимоскитные сетки и опрыскивают помещения.
Для борьбы с насекомыми-вредителями издавна использовались природные инсектициды – токсичные для насекомых и некоторых других членистоногих вещества, содержащиеся во многих диких растениях, однако сегодня подавляющая часть инсектицидов имеет не биологическое, а химическое происхождение. Примером могут служить пиретроиды, нейротоксические яды насекомых, которые являются синтетическим аналогом природных пиретринов, содержащихся в далматской ромашке и ряде других растений из семейства астровые.
«Классические» инсектициды, такие как пиретроиды и ДДТ («дуст»), связываются с потенциал-чувствительными мембранными белками VGSC, которые образуют ионные натриевые каналы в аксонах (длинных отростках) нейронов. В результате происходит деполяризация мембран нейронов, что приводит насекомых к гибели. Но со временем в популяциях вредителей накапливаются мутации в гене, кодирующем белок VGSC, которые позволяют им «уходить» от действия таких соединений. В результате эффективность этих инсектицидов снижается.
Один из нестандартных способов решения этой проблемы – попробовать изменить самих насекомых с помощью методов генной инженерии, в частности, системы редактирования генома CRISPR/Cas9.
Такие разработки ведутся уже не первый год. Так, еще в 2015 г. исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего (США) описали технологию цепной реакции редактирования генома (генный драйв), которую можно использовать в природных условиях. По сути, речь идет о том, как гетерозиготную мутацию (которая имеется только в одной копии гена, на одной хромосоме) превратить в гомозиготную (в обеих копиях гена, на двух хромосомах).
Как известно, система CRISPR/Cas содержит некодирующую РНК, которая с помощью фермента CAS9 присоединяется к целевому участку ДНК и разрезает его. Затем этот разрыв «ремонтируется», причем сделать это можно разными способами. Например, просто соединить концы, в результате чего ген станет нерабочим. А можно в место разреза встроить какую-нибудь функциональную последовательность ДНК.
В частности, можно создать такую генно-инженерную конструкцию, которая будет не просто встраивать в геном нужную мутацию (которая будет гетерозиготной, так как затронет только одну хромосому). Одновременно она может встроить и «инструкцию» по сборке CRISPR-системы, которая сможет работать со второй, гомологичной хромосомой. Результатом будет наличие нужной функциональной вставки уже в обеих копиях гена.
Такая «отредактированная» особь, во-первых, с высокой вероятностью передаст мутацию потомству. Во-вторых, эта технология необходима для создания насекомых с полным «отключением» определенного гена. Этого нельзя добиться, изменив ген только на одной хромосоме: благодаря второй, работающей, копии белковый продукт все равно будет производиться, пусть и в меньшем количестве. Таким способом можно, к примеру, увеличить у комаров численность особей, которые не могут заразиться малярийным плазмодием.
Сейчас ученые пытаются использовать такой подход для снижения устойчивости насекомых к инсектицидам. В своем эксперименте они использовали популяцию плодовых мушек дрозофил, в которой 83% особей имели мутации в гене vgsc, обеспечивающие им устойчивость к нейротоксинам. Используя технологию CRISPR-Cas9, они создали линии, у которых этот мутантный ген был заменен на обычный. В результате им удалось всего за 10 поколений так преобразовать популяцию мух, что доля устойчивых к инсектициду особей упала до 13%.
Исследователи планируют использовать технологию генного драйва не только для восстановления в популяциях насекомых вариантов VGSC «дикого типа», но и для внесения новых, искусственно созданных, еще более чувствительных к инсектицидам. Также важно разработать такие системы редактирования генома, которые будут сохраняться в популяции лишь некоторое время, а затем из нее исчезнут. А так как эксперименты на млекопитающих показали относительно низкую эффективность попыток изменения генома популяции в целом, то ее негативных последствий в отношении человека, по-видимому, не стоит бояться.
«Наука из первых рук»
Портал «Вечная молодость» vechnayamolodost.ru
