«РУБИН» — инновация, меняющая подход учёных к отслеживанию генов

Биологи растений традиционно использовали различные методы для точного отслеживания того, как информация, закодированная в ДНК, преобразуется в конкретные конечные продукты, такие как белки, в процессе, известном как «экспрессия генов». Эти методы включают в себя использование флуоресцентных белков, которые светятся при активации, чтобы визуализировать генетические изменения, а также химическое окрашивание по мере роста и развития растений. Однако эти инструменты для отслеживания экспрессии генов, известные как «репортёры», обычно дороги в использовании и требуют сложных приборов и дорогостоящих химических веществ.

Пять лет назад биологи из Калифорнийского университета в Сан-Диего представили более совершенный метод. Их прорывная инновация произвела революцию в изучении растений и нашла применение в растущем списке областей исследований и в коммерческом секторе.

Открытие профессора Юнде Чжао

В сентябре 2020 года профессор Юнде Чжао из Школы биологических наук и его коллеги объявили об открытии, которое они назвали «РУБИН» — недорогой генетический репортёр, который обеспечивает красные сигналы отслеживания, хорошо видимые невооружённым глазом.

РУБИН открыл новую эру в биологии растений, предлагая новые возможности для широкого спектра видов растений, от ключевых сельскохозяйственных культур до крупных фруктовых деревьев и декоративных растений.

Исследования, связанные с РУБИНОМ, опубликованы в журнале Trends in Plant Science.

«Было приятно видеть, как быстро научное сообщество приняло эту технологию», — сказал Чжао, сотрудник кафедры клеточной биологии и биологии развития. «Исследователи подходят ко мне на конференциях, чтобы рассказать, как РУБИН положительно повлиял на их работу. Они хотят поделиться со мной фотографиями растений РУБИНа, а иногда приносят свои растения, чтобы показать мне».

Применение РУБИНа в сельском хозяйстве

Рубиновые красные тапочки Дороти в «Волшебнике страны Оз» были незабываемыми, а репортёр генов РУБИНа производит неизгладимое впечатление в лабораториях по всему миру. Университетские исследователи и коммерческие предприятия используют РУБИН в качестве инструмента для изучения широкого спектра растений, включая рис, кукурузу, сою, пшеницу, капусту, огурцы и авокадо.

Поскольку информация о РУБИНе распространилась в научном сообществе, исследователи обнаружили, что технология полезна не только в генетике, но и в ряде других областей. РУБИН также используется для изучения растительных гормонов и уровней стресса.

«Вы можете использовать РУБИН в качестве визуального маркера для мониторинга изменений окружающей среды, — сказал Чжао. — Вы можете отслеживать такие вещи, как засуха, присутствие тяжёлых металлов и химических загрязнителей».

С некоторыми культурами, такими как арахис, фермеры экспериментируют с такими факторами, как содержание и состав масла, чтобы найти смесь, которая понравится их клиентам. При традиционных методах такие модификации могут занять несколько месяцев, пока растения не созреют достаточно для надлежащей оценки.

«С РУБИНОМ у вас есть визуальный маркер, который вы можете увидеть в течение пары недель, — сказал Чжао. — Если вы видите красный цвет, это означает, что компоненты генома попадают в клетки, и вы можете сосредоточиться на этих признаках».

РУБИН в фундаментальной науке и инновационных приложениях

«РУБИН — это элегантно разработанный и визуально яркий инструмент, который, как оказалось, меняет представление о генной инженерии растений», — сказал профессор Аршад Десаи, заведующий кафедрой клеточной биологии и биологии развития. «Это выдающийся пример того, как строгие фундаментальные исследования, проводимые в небольших и специализированных лабораторных группах, таких как лаборатория Чжао в Школе биологических наук, способствуют развитию фундаментальной науки и стимулируют инновационные приложения в реальном мире».

Трансгены — это гены, которые вводятся с помощью методов генной инженерии, таких как генетически модифицированные организмы (ГМО). После внедрения в геном растения трансгены могут быть сложными для отличия от генов, которые не были генетически модифицированы.

РУБИН как инструмент для изучения генетических изменений

Создатели РУБИНа использовали беталаины — природные пигменты, отвечающие за яркие цвета, которые мы видим в свёкле, драконьем фрукте, мангольде и других растениях. Они создали РУБИН как синтетический ген, который преобразует аминокислоту тирозин в красный беталаин. Эта «кассета» затем вставляется в геном растения в целевых генах, представляющих интерес. Если эти гены экспрессируются, например, в соцветиях цветной капусты или листьях, то область интереса будет окрашена в ярко-красный цвет.

В одном из демонстрационных экспериментов на живых животных РУБИН использовался для получения розового шёлка от тутового шелкопряда.

РУБИН в образовании и бизнесе

Исследователи видят потенциал применения РУБИНа в некоторых микробах и животных, поскольку субстрат тирозин существует во всех клетках.

Преподаватели обнаруживают, что РУБИН может быть использован в качестве мощного учебного пособия. В классах и учебных лабораториях преподаватели используют недорогие и простые в использовании функции РУБИНа для обучения биологическим концепциям и инструментам, таким как редактирование генома.

РУБИН также проникает в бизнес-сектор. В рамках открытой науки РУБИН предоставляется бесплатно для использования в академических лабораториях и классах. Однако промышленные пользователи платят за лицензирование технологии в коммерческих бизнес-приложениях.

Компания Cquesta, недавно основанная в Сан-Диего на базе Института Солка, разрабатывает новые технологии, помогающие растениям удерживать углерод в почве и делать культуры более устойчивыми перед лицом повышения температур. РУБИН помогает компании визуализировать генетические изменения в сельскохозяйственных культурах, включая кукурузу, сою, рапс и сорго, уделяя особое внимание корневой системе растений.

«В рамках бизнеса Cquesta технология RUBY позволяет нам ускорить процесс открытия и разработки, — сказал Тим Ульмасов, генеральный директор Cquesta. — Наша компания использовала РУБИН с самого начала. Это замечательный инструмент визуализации, который сообщает нам, что происходит с трансгенами от одной клетки до зрелых растений. Для меня очевидно, что РУБИН является трансформационным — мы не смогли бы прогрессировать без него».

Будущие применения РУБИНа, которые исследователи рассматривают в молекулярной биологии, включают расширенное использование в исследованиях функций ДНК и РНК. В области биологии растений учёные рассматривают возможность более широкого использования РУБИНа в сельском хозяйстве, где дроны на базе искусственного интеллекта однажды могут помочь в более эффективном управлении ресурсами, сканируя посевы на наличие признаков засухи или разрушительных атак патогенов.

«РУБИН меняет ситуацию во многих отношениях, потому что мы открыли его для всей науки, — сказал Чжао. — Это напоминание о том, что фундаментальные исследования имеют решающее значение, поскольку они часто приводят к неожиданным и важным открытиям».

Предоставлено Университетом Калифорнии в Сан-Диего.

Источник