18+
  • Город
  • Наука и образование
Наука и образование

Зри в корень: как уфимские ученые выращивают ценные растения в колбах

Ученые из Института биохимии и генетики УФИЦ РАН во главе с профессором Академии наук РБ (и лауреатом премии «ТОП 30. Самые знаменитые люди Уфы» –2024!) Булатом Кулуевым совершили прорыв в изучении культуры корней растений. Им удалось найти способы не только создавать культуры корней лекарственных растений, способных к неограниченному и быстрому росту в биореакторах, но и улучшить их свойства на генном уровне.

Ирина Рахматуллина, Булат Кулуев и Эльвина Баймухаметова

Ирина Рахматуллина, Булат Кулуев и Эльвина Баймухаметова

Нам кажется, что все должны знать людей, которые делают великие дела. Давайте знакомиться.

Булат Кулуев: Я – доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник и заведующий лабораторией геномики растений, а также профессор Академии наук Республики Башкортостан.

Расскажите подробнее про лабораторию. Вы же стали ее идеологом?

Да, лаборатория геномики растений была создана под моим руководством. Также в этом году я инициировал создание новой лаборатории молекулярной инженерии в УУНиТ в межвузовском кампусе.

Все эти проекты новые и молодежные как по возрасту, так и по духу. Лаборатория геномики растений создана в 2019 году, и ее коллектив состоит исключительно из молодых ученых, все сотрудники, кроме меня, младше тридцати девяти лет. Всего нас десять человек, включая меня, также есть три аспиранта и к нам на практику ходят около 10-ти дипломников. Мы очень тесно взаимодействуем с Уфимским университетом науки и технологии, особенно с кафедрой биохимии и биотехнологии Института природы человека. У нас есть своя небольшая лаборатория молекулярной биоинженерии в межвузовском кампусе, где мы ведем современные исследования по культурам корней лекарственных растений.

С чего началась реализация ваших идей?

В 2019 году на молодежные лабораториии было выделено федеральное финансирование, и возникло предложение развивать новые направления для Уфы. Одним из них стала именно геномика растений. Моя идея была поддержана коллегами как в институте, так и в министерстве образования и науки.

В Уфе уже хорошо были развиты исследования в области генетики человека, физиологии и ботаники, касающейся общей информации о растениях. Однако генетика и геномика сельскохозяйственных и лекарственных растений не были представлены как отдельное направление. Мы решили восполнить этот пробел и создать лабораторию, которая станет пионером в этой области в нашем регионе. УУНиТ также предложил нам проводить часть исследований совместно. Там мы в 2024 году организовали лабораторию молекулярной биоинженерии.

Мы создаем трансгенные и генетически редактированные растения с хозяйственно-ценными признаками

Вы изучаете не только редкие растения?

Нет, не только. Мы работаем еще с сельскохозяйственными культурами, такими как пшеница, горох, рожь, а также занимаемся каучуконосными растениями и кормовыми культурами. Кроме того, проводим исследования на таких модельных растениях, как табак. Мы создаем трансгенные и генетически редактированные растения с хозяйственно-ценными признаками. Также уделяем внимание лекарственным растениям, у которых полезные вещества находятся в корнях. Наша работа охватывает как фундаментальные, так и прикладные аспекты биологии растений.

В каких направлениях вы работаете?

Основных у нас два. Первое заключается в помощи отбора селекционерами новых линий и сортов сельхозкультур. Оно включает генетические исследования, такие как генетическая паспортизация и поиск генов и ДНК-маркеров, контролирующих ценные признаки, прежде всего, количество и качество урожая. Лаборатория также ищет генетические маркеры, связанные с засухоустойчивостью, холодоустойчивостью, солеустойчивостью культурных растений.

Второе направление посвящено биотехнологии растений, где мы исследуем редкие лекарственные виды и создаем условия для их сохранения в условиях изменяющегося климата и воздействия человечества на окружающую среду. Это важно, так как эти растения могут содержать уникальные лекарственные соединения, полезные для медицинских и фармацевтических целей. Суть работы заключается в создании культур корней этих редких растений, способных к неограниченному росту на дешевых питательных средах в условиях биореакторов. Причем эти корни продуцируют те же самые природные биологически активные вещества и необходимость в сборе природного сырья отпадает, и в этой связи внедрение таких биотехнологий позволяет сохранять природные популяции редких видов.

Наша технология имеет потенциал применения даже в самых суровых условиях, включая полярные регионы и космическое пространство

Вы сказали, что у вас всего десять человек. Кто они?

В нашей команде есть аспиранты и магистранты, завершившие обучение в УФИЦ РАН, УУНиТ и БГПУ. В основном это дипломники и аспиранты, которые учились и работали по нашему направлению – биотехнология и генетика. Но в институте работают также выпускники Уфимского государственного нефтяного технического университета, Башкирского государственного аграрного университета. Кроме того, у нас есть несколько сотрудников из медицинского университета.

Вы сказали, что большое количество исследований направлено на геном и корни растений. Почему?

Мы используем технологию, которая пока еще редко применяется в России. Можем выращивать корневые культуры различных видов растений без листьев, стеблей и верхушек, причем растут они в условиях полной темноты без добавления регуляторов роста. С помощью биоинженерных методов и специальных агробактерий мы способны получать и выращивать эти культуры в чашках Петри и колбах.

Важно отметить, что процесс происходит с довольно высокой скоростью и мы можем получать культуры корней круглый год, независимо от времени года и климатических условий. Обычно природные корни можно собирать только в определенное время года, обычно летом и довольно непродолжительное время. Наша технология имеет потенциал применения даже в самых суровых условиях, включая полярные регионы и даже космическое пространство.

Более того, культуры корней могут стать ключевым инструментом в будущем, когда изменения климата и экологические проблемы поставят под угрозу растения и животных, а также усложнят процесс выращивания. Современные генно-инженерные технологии позволяют поддерживать нужный метаболизм и производство необходимых веществ, что делает их перспективными для применения в различных областях, включая фармацевтику, пищевую промышленность и экологию.

Булат Кулуев

Булат Кулуев

Давайте разбираться, а зачем передавать какие-то гены в корни?

Гены играют ключевую роль в развитии и функционировании растения. Они регулируют рост корней в различных направлениях, независимо от внешних факторов. Эти гены также стимулируют вторичный метаболизм, что приводит к образованию большого количества нужных человеку биологически активных веществ.

Давайте на примере: в природе растение получает из внешней среды определенные макро- и микроэлементы и накапливает в корнях полезные свойства. Но их там мало, поэтому, чтобы сделать настойку, приходится выкапывать большое количество корней. И даже в плантационных условиях, если вдруг удалось вырастить эти растения, часто невозможно добиться желаемого результата: почва не та, не та микрофлора, не те климатические условия и т.д. Однако в культурах корней можно контролировать процесс образования их количества с помощью современных методов анализа, таких как высокоэффективная жидкостная хроматография.

Если объяснять более простым языком, как вы переносите необходимые гены в корни и почему вторые растут постоянно?

Для начала мы изучаем среду, в которой росло растение, чтобы понять, какие элементы необходимы, чтобы полезные вещества накапливались в корнях. Также мы экспериментируем, чтобы улучшить эффект и добавить другие полезные свойства – не всегда получается с первого раза.

Мы быстро выращиваем корни благодаря природному феномену «волосовидный корень». Это разрастание корней развивается из-за воздействия и переноса генов к растениям от особых ризогенных агробактерий. В России это явление малоизвестно, потому что оно проявляется в тропических, субтропических зонах с преимущественным морским климатом. В Башкирии же очень сухо и разрастание корней из-за агробактерий фиксируется в основном в тепличных условиях.

Наша цель – не вернуть растения в экосреду, а сделать возможным выращивание более полезных корней в больших масштабах

В общем, благодаря ризогенным агробактериям мы и вызываем усиленный рост корней, однако мы пользуемся лишь лабораторными штаммами этих бактерий, которые не могут выжить вне лаборатории. Штаммы агробактерий мы получили от наших коллег из разных институтов, в том числе и из-за рубежа, а в нашей коллекции три штамма. Мы уже давно изучаем эти волосовидные корни, можно сказать, у нас одна из базовых школ по данному направлению в России. Название «волосовидный корень» придумали не мы, это перевод с английского hairy roots* и впервые термин в таком виде был использован еще И.Л. Сербиновым в начале 20 века. И вот этими агробактериями мы обрабатываем кусочки листьев или стеблей растений, они переносят на них свои гены, которые вызывают разрастание корней прямо из листьев и стеблей. Затем эти корни можно отделить от растения, и они будут расти уже в виде отдельной культуры волосовидных корней.

Лекарственное растение сапожниковии растопыренной

Лекарственное растение сапожниковии растопыренной

Грубо говоря, вы заражаете растение этим волосовидным корнем, он разрастается и увеличивает количество побегов?

Не совсем так. Давайте вернемся к простым объяснениям. Представьте себе растение в пробирке или колбе, или даже в горшке, мы от него отрезаем небольшой кусочек листа или стебля. Обрабатываем эти кусочки агробактериями, которая дает такой эффект «волосовидности», помещаем в чашку Петри и кусочек растения по краям начинает покрываться «волосиками», образуется корни и разрастаются в разные стороны. Далее мы смываем агробактерию, отделяем корни от куска растения и эти волосовидные корни уже выращиваем отдельно.

И растение не обязательно надо будет высаживать?

Не совсем верная формулировка. Это уже не растение, а только корни. Наши культуры корней не выживут в природе, у них ведь нет побега, они могут развиваться только в лабораторных условиях. Кстати, мы это проверяли. Наша цель – не вернуть растения в экосреду, а сделать возможным выращивание более полезных корней в больших масштабах для производственных целей. Это, во-первых, позволяет создавать эффективные лекарства с дополнительно полезными свойствами. Во-вторых, предотвращает истребление видов за счет того, что растения перестают выкапывать и тревожить, что будет способствовать сохранению естественных экосистем. За границы нашей лаборатории мы никого и ничего не выпускаем. (Улыбается.)

Один из ваших проектов – корневая культура большеголовника серпуховидного. Чем он полезен?

Лучше всего на этот вопрос сможет ответить специалист, который непосредственно занимается этим исследованием.

Ирина Рахматуллина: Одно из лекарственных растений, над которым мы работаем, это большеголовник серпуховидный, известный также под названием левзея. Настойка из очень близкого вида левзеи (большеголовник) сафлоровидной продается в аптеке и довольно давно и широко используется в качестве адаптогена, так как способствует повышению умственной и физической активности. Его назначают при неврастении, упадке сил и даже при депрессии, когда человеку нужно восстановить силы и выйти из состояния стресса.

Булат Кулуев: Ирина сейчас начала работу еще над несколькими растениями, пока не можем поделиться результатами. Надо сказать, что мы никогда не начинаем проект только над одним растением. Их всегда несколько. Так как мы заранее не знаем, получится ли какой-либо результат, ведь аспирантам надо будет защищать кандидатскую диссертацию. Еще одна из моих коллег Эльвина сейчас работает с цикорием. Из его корней люди получают инулин, но в природе его накапливается довольно мало.

Эльвина Баймухаметова

Эльвина Баймухаметова

Эльвина Баймухаметова: Сейчас мы работаем над получением волосовидных корней цикория с повышенным уровнем накопления инулина. Для этого мы можем внедрить природные гены, участвующие в синтезе инулина, или, наоборот, отключить гены, отвечающие за его деградацию. После этого будем сравнивать содержание в корнях с дикими растениями, чтобы оценить эффективность наших методов

А почему вы заинтересовались инулином? Разве его не просто достать?

Инулин стал неотъемлемой частью современного функционального питания. Его добавляют в молочные продукты, такие как кефиры и йогурты, поскольку он служит пищей для нашей микрофлоры. А микрофлору тоже нужно кормить, иначе ее состояние ухудшается. Однако оказалось, что в России вообще нет производства отечественного инулина, что делает наши исследования важными и актуальными.

А сколько времени примерно затрачивается на какое-то одно исследование?

Для получения одного вида волосовидных корней у нас может уйти год, и это при условии, что все пойдет по плану. К концу может оказаться, что наши методы не сработали, и тогда мы отказываемся от одного вида и начинаем работу с другим. Важно учитывать множество факторов: тщательно подбирать питательные среды, проводить различные манипуляции, следить за стерилизацией и состоянием антиоксидантной системы. Если все получается в чашке Петри, затем это все нужно масштабировать в начале на большие колбы, затем на биореакторы. Это долгий процесс, научные исследования требуют много времени и тщательной работы, прежде чем можно будет перейти к производству.

Какими разработками вы планируете заниматься в ближайшее время? На что сделан основной акцент?

Мы будем продолжать работать с волосовидными корнями и расширять перечень видов растений. Проблема в том, что не все растения поддаются модификации и не у всех видов получается создать волосовидные корни. В среднем если мы берем три вида растений, то примерно лишь у одного удается достичь нужного результата. Это говорит о том, что на сегодняшний день биотехнология волосовидных корней не совершенна и требует дальнейшей оптимизации, чем мы и занимаемся в том числе.

Текст: Александера Иванова 

Фото: Ильшат Ахметов

«Уфа.Собака.ru» благодарит за поддержку партнеров премии
«ТОП 30. Самые знаменитые люди Уфы» — 2024:

Федеральную аптечную сеть «Фармленд» 

Группу компаний «Стратег» с жилыми комплексами «Холмогоры» и New Bridge

«Верра Альфа-Сервис» — официального дилера премиальных внедорожников TANK

Инвестиционную компанию «Цифра брокер» — одного из крупнейших российских брокеров

«World Class Уфа» - фитнес-клуб премиум-класса 

Материал из номера:
Июнь-Июль 2024

Комментарии (0)

Купить журнал:

Выберите проект: