Научни новини: По-сладки домати, спасение за бананите, CRISPR терапии и отърваване от „вечните химикали“

Вкусни домати

Оплакването от „пластмасовите домати“ е често срещано и добре познато на учените, които се занимават със селекция на любимия на мнозина плод. Истината, която стои зад популярността на този тип сортове, е възможността да бъдат транспортирани и съхранявани за дълги периоди, без търговският им вид да пострада значително. Вкусните меки домати се нараняват лесно и се развалят бързо, което носи значителни щети на производителите и търговците.

Създаването на нов сорт е фин процес, при който се балансират много фактори – вкусови качества, добив, размер на плодовете, транспортабилност, устойчивост на различни заболявания. Тъй като те са свързани в сложна мрежа от биохимични взаимодействия, обикновено промяната в един от тях води до други промени, които могат да бъдат и нежелани. Пример за това са гените за устойчивост на патогени, които често влияят негативно на вкуса.

Отрицателен ефект има и подборът на растения с по-големи плодове – те съдържат значително по-малко захари, поради което повечето чери сортове са по-сладки. Учените могат да насочат селекционния процес към повишаване на захарността, но тогава пък спада добивът. Растенията имат ограничено количество енергия и могат да го насочат към различни процеси, определени от молекулярни механизми, които са се развивали в продължение на милиони години. Но с малка намеса в генома им това не може да се промени.

В основата на синтеза на захари стои магията на фотосинтезата. При този процес, най-общо, от въглеродния диоксид във въздуха, от водата и от слънчевата енергия се получава глюкоза, която може да бъде модифицирана до фруктоза, а при свързването на двете се получава захарта, позната ни от белите кубчета – захарозата. Растенията я използват за транспорт и съхранение на енергия (например захарното цвекло я концентрира в кореноплода си) и с помощта на специални ензими я превръщат обратно в по-прости захари, които мога да използват за метаболизма си.

С промяна на тези процеси китайски учени успешно са създали по-сладки домати. Те са открили два протеина, които се експресират основно в плодовете на доматите и унищожават един от ензимите, който може да разгради захарозата до глюкоза и фруктоза. С помощта на CRISPR/Cas9 гените за синтеза им са инактивирани, което води до значително увеличение на количеството захари в плодовете. В едно от растенията нивата на глюкоза са се повишили с 35%, а на фруктозата – с 30%. Най-впечатляващото е, че размерът на плодовете не се е повлиял от редакциите. Негативно е било отражението върху броя и масата на семената, но не и върху способността им за покълване, което може дори да се хареса на потребителите и не създава пречка за селекционерите. По-високото съдържание на захари ще бъде полезно и за сортове, които се използват за преработка, тъй като намалява необходимостта от добавяне на захар в сосове и други продукти.

Хипотезата на учените е, че двата манипулирани гена отговарят за преразпределението на енергия между плода и семената по време на узряване. Това откритие може да се окаже важно, тъй като е много вероятно подобен механизъм да присъства и в други плодове. Експериментът показва как понякога с минимална намеса може да се получат впечатляващи резултати.

Да спасим бананите

Бананът е интересна култура, която има голямо икономическо значение. Поради наличието на семена в дивите видове, сравнително рано в селекционния процес са подбрани сортове, които са триплоидни – те носят три копия на генома, за разлика от по-традиционните две. Полиплоидността е често срещана при растенията и обикновено е търсено качество за културните растения. Но когато броят на копията е нечетен, растенията са стерилни и или не произвеждат семена, или семената са изключително малки.

Принципно липсата на семена не е проблем, тъй като повечето овощни култури се размножават вегетативно, като по този начин се гарантира, че характеристиките на плода ще се запазят. Но тъй като всички растения на практика са едни и същи (клонинги), те са много по-чувствителни към заболявания. Обикновено в процеса на половото размножаване характеристиките на майчиното и бащиното растение се разпределят в потомството и така то е хетерогенно: някои от растенията са по-чувствителни, а други – по-устойчиви и в еволюционния процес видът е по-устойчив на неприятели и патогени.

Именно това налага драстична промяна в производството на банани през 50-те години на миналия век, когато гъбата Fusarium oxysporum f.sp. cubense, причинител на панамската болест (фузарийно увяхване) завзема големите плантации по света. Масовият тогава сорт „Гро Мишел“ (Gros Michel) е изключително чувствителен към заболяването, което прави мащабната му култивация невъзможна. Поради тежките последствия от заболяването и премахването на „Гро Мишел“ от плантациите, за него понякога се говори като за „изчезнал сорт“, но всъщност той все още може да се открие в редица тропически страни. 

Решението е въвеждането на нов сорт – „Кавендиш“ (Cavendish), който поради устойчивостта си на патогена бързо се налага като основен и покрива над 90% от бананите, отглеждани за износ. Освен необходимостта от подмяна на насажденията, преходът има и други негативи – общоприетото мнение е, че вкусът на новия сорт не е толкова добър, колкото на „Гро Мишел“.

50 години по-късно ситуацията се повтаря – нов щам на патогена (tropical race 4, Foc TR4) успява да преодолее защитите на „Кавендиш“ и застрашава масовото производство. За проблема се говори от доста време и за съжаление, към момента няма окончателно решение за справяне със заболяването. Въпреки това не бива да гледаме прекалено драматично на случващото се, тъй като учените работят усилено върху различни подходи за контрол на заболяването.

Благодарение на скорошно изследване знаем повече за произхода и метода на действие на патогена. След сравнителен анализ на генома на 36 щама се оказва, че той не е произлязъл от поразилия „Гро Мишел“, а има собствена еволюционна история. Установено е също, че има специфични гени, които служат както за синтез, така и за детоксификация на азотен оксид. Изследователите не са сигурни каква функция има този механизъм, но е ясно, че е отговорен за високата патогенност на щама, тъй като при премахването на въпросните гени патогенността значително намалява.

Работи се и по създаването на нови сортове. Вече има няколко генетично модифицирани сорта, които показват добра устойчивост. Първото полско изпитване на един от тях е направено още през 2017 г., като за създаването му са използвани два различни гена за устойчивост. Единият от тях (RGA2) е открит в див банан, устойчив на патогена, а другият (Ced9) е трансген, изолиран от нематоди.

Въпреки трудностите при подхода на класическата селекция, немски учени в сътрудничество с компанията „Чикита“ и други партньори са успели да създадат нов сорт – Yelloway One, който освен на фузарийното увяхване е устойчив и на черната сигатока – друго икономически важно заболяване. За улесняване на процеса са използвани и модерните геномни технологии за секвениране и молекулярни маркери. Сортът все още е прототип и се отглежда само в оранжерии, но се планират пилотни изпитвания във Филипините и Индонезия – региони, силно засегнати от заболяванията. Интригуващото е, че той е част от по-мащабен план (т.нар. инициатива Yelloway) за създаване на множество нови сортове, които не отстъпват на „Кавендиш“, но са устойчиви и по-важното – внасят генетично разнообразие в сортовия състав. Така рискът отново да се озовем в сегашната ситуация ще намалее значително.

Интересно решение идва и от Антарктика. Събирайки проби от мъхове и лишеи от студения континент, изследователи са успели да изолират значителен брой актиномицети. Това са бактерии, чиито колонии образуват нишки, подобно на гъбите. Те се срещат повсеместно, дори и в човешкия микробиом, и са важна част от почвената микрофлора, отговорна за разграждането на органични вещества. Част от изолатите проявяват антигъбна активност, като в девет от тях тя е особено висока. При изпитвания върху различни гъбни патогени те се оказват много подходящи за контрол на Foc TR4. Когато патогенът се третира с екстракт от актиномицетите, растежът му се потиска и впоследствие клетките му загиват. Методът показва висока ефективност и се приема за екологосъобразен, което го прави много добро допълнение в арсенала срещу заболяването.

След появата на Foc TR4 бяха публикувани множество сензационни материали как едва ли не бананите ще изчезнат като продукт. Въпреки трудностите, които заболяването поставя пред фермерите, това е малко вероятно, тъй като много учени работят по проблема. С напредъка на науката и появата на нови технологии, сега има доста по-разнообразни методи, които могат да се приложат, някои дори с потенциал за намиране на трайно решение.

Първата CRISPR генна терапия в действие

Casgevy – генната терапия срещу сърповидноклетъчна анемия и бета-таласемия, за която сме разказвали, вече се прилага на пациенти извън клинични проучвания. В съобщение за инвеститорите Verex – компанията, разработила продукта, е обявила приходи от 2 млн. долара от един пациент, който е получил терапията в третото тримесечие на годината.

Към момента има 45 одобрени клиники в обширен географски периметър (САЩ, Канада, Обединеното кралство, Европа, Близкия изток), които могат да извършват процедурата. Освен споменатия пациент още 40 са в началото на процеса – от тях са събрани стволови клетки, които ще бъдат редактирани. Очаквано, процедурата не е бърза, нито лесна и ще отнеме време, преди да бъдат получени данни от терапията. След извършване на редакцията пациентите минават курс на химиотерапия, при който се премахват стволовите клетки в костния им мозък. Тогава редактираните стволови клетки се връщат в пациента и започват да произвеждат хемоглобин F, който намалява симптомите на заболяването.

Според компанията терапията се приема много добре от пациентите и лекарите и се очаква тепърва броят на клиентите да расте, като са предоставени данни, че в САЩ и Европа има около 35 000 пациенти, които могат да бъдат третирани с Casgevy, и допълнителни 25 000 в Саудитска Арабия и Бахрейн. Предстои да разберем дали очакванията ще бъдат оправдани, защото лечението не е евтино и лесно – процесът на извличане на стволовите клетки не е приятен, а химиотерапията крие редица рискове. Въпреки това новината е радостна, защото показва, че този вид генни терапии не са научна самоцел, а имат пряк ефект върху живота на хората.

Пречистване от „вечни химикали“

Пер- и полифлуороалкилираните вещества (PFAS) са широко разпространени химикали, които се използват в множество продукти – незалепващи съдове (тефлонът е най-популярният от тях), най-различни водоустойчиви тъкани, кабелни изолации и дори в козметични продукти (очна линия, червило, спирала). Тъй като съдържат въглерод-флуорни връзки, които са едни от най-силните, те се разграждат изключително трудно, поради което често биват наричани вечни химикали. Някои от тях вече са забранени в ЕС, а забраната на други е обект на дискусия в момента. След като попаднат в човешкото тяло, те имат способността да причинят редица здравословни проблеми, като ракови заболявания, засягащи различни органи, проблеми с хормоналния баланс, понижен фертилитет, проблеми в когнитивното развитие и др. Това ги прави изключително опасен замърсител на околната среда.

Пречистването на вода от PFAS не е лесно и изборът на подход зависи от дължината на веригата на химикалите. Със забраната на молекулите с по-дълга верига, основните замърсители в момента са късите и ултракъсите PFAS. Нова разработка показва обещаващи резултати за премахването им и разкрива потенциал за широкомащабно приложение за третиране на отпадни води. Екипът вече има разработка за пречистване с помощта на метод, наречен електросорбция, при който адсорбцията се стимулира чрез подаване на електричество, но той не е ефективен за ултракъсите PFAS.

За справяне с този проблем в процеса се добавя стъпка на редокс електродиализа – метод, който се използва в обезсоляването на вода. Пробивът настъпва, след като учените установяват, че молекулите с много къси вериги се държат сходно на солевите йони във воден разтвор. Допълнителна иновация е използването на мембрани за нанофилтрация. Те са по-евтини от класическите йонообменни мембрани и за разлика от тях могат да бъдат почиствани чрез пропускането на електричество през тях. След подбиране на методите за пречистване остава екипът да се справи с предизвикателството как в едно устройство да се извършат електросорбцията, електродиализата и електрохимичната оксидация, която унищожава вечните химикали.

Създаденият прототип показва висока ефективност – постигнато е премахване на замърсяването между 76 и 100% в зависимост от типа и дължината на молекулите. Наред с премахването на PFAS, устройството е показало и добра ефективност при обезсоляване на водата, което значи, че може да се използва за едновременно третиране и на води с по-сложна смес от замърсители.

Сега пред учените стои въпросът как могат да увеличат мащаба на устройството, така че да може да се използва извън лабораторията. Това би било от изключителна полза за новите фабрики за производство на полупроводници, които ще работят в САЩ като следствие от указа на американския президент Джо Байдън за създаване на нови мощности в страната с цел намаляване на зависимостта от фабриките в Тайван. Това е стратегически проект за САЩ и първите индикации са добри – преди месец в завода на TMSC в Аризона бяха получени добиви, които са с около 4% по-високи от тези в Тайван.

Новите технологии и молекули обикновено решават много проблеми, но от време на време се оказва че създават нови, които понякога са по-големи. PFAS са изключително полезни, тефлонът е един от „магическите“ материали на XX век, но колкото повече научаваме за тях, толкова повече разбираме, че употребата им трябва да бъде одобрена само след качествена преценка на риска.