По своей природе представители рода Agrobacterium являются почвенными фитопатогенами, вызывающими различные неопластические заболевания у многих видов растений. Однако большинству биологов растений данный род лучше всего известен как агент горизонтального переноса генов, который играет важную роль в фундаментальных научных исследованиях и в сельскохозяйственной биотехнологии. В данном обзоре кратко описан механизм инфицирования растительных клеток, а также приведены примеры успешного использования биологических систем для наработки целевого продукта.
Вирулентные штаммы Agrobacterium обладают исключительной способностью в местах заражения индуцировать образование «корончатых галлов» (A. tumefaciens) или «косматых корней» (A. rhizogenes), путем переноса определенного сегмента ДНК (Т-ДНК, от англ. transfer) плазмиды (Ti – tumor-induced или Ri – root-induced), в ядро инфицированных клеток, где он затем стабильно интегрируется в геном хозяина и транскрибируется. Т-ДНК содержит два типа генов: онкогены, повышающие синтез фитогормонов (iaa и ipt) [1] ответственных за онкогенный или ризогенный рост, а также сенсибилизирующие растение к уровням эндогенных гормонов (rol – root locus и др. гены pRi. gene5 и gene6 pTi) [2] или участвующие в ремоделировании хроматина (gene6b) [3]; и гены, кодирующие синтез опинов [4] – продуктов конденсации амино- и кетокислот или аминокислот и сахаров, источников веществ для самих бактерий. В 1980-х годах ученые научились обезвреживать (удалять онкогены и, как правило, гены опинсинтазы) вирулентных штаммов Agrobacterium, чтобы ткани, инфицированные бактериями, могли регенерироваться в нормальные растения. Дальнейшие исследования показали, что замена генов вирулентности на представляющие интерес гены нередко приводит к экспрессии этих новых трансгенов, что позволяет получать новые фенотипы.
Агробатериально-опосредованная трансформация имеет ряд преимуществ перед физическими методами доставки чужеродной ДНК в клетки (электропорацией, биобаллистикой и пр.), поскольку она является более щадящей для тканей и позволяет регенерировать целые растения из единственной клетки. При этом способе также наблюдается более частое внедрение единичной копии трансгена в отдельно взятые клетки, что исключает косупрессию и, так называемый, сайленсинг трансгена по механизму РНК-интерференции. Но всё же, этот метод трансформации растений имеет свои ограничения. Например, не все растения восприимчивы к инфицированию агробактериями, поскольку в этом процессе участвуют генетические детерминанты как бактерии, так и клетки растения-хозяина. Хотя стоит отметить, что модификации агробактерий для биотехнологических целей привели к расширению диапазона растений-хозяев до экономически важных видов сельскохозяйственных культур.
В царстве растений синтезируется свыше 200 тысяч различных веществ вторичного происхождения [5], которые, в отличии от веществ основного обмена, встречаются не у всех растений и не во всех тканях и органах, а также не существенны для роста и репродукции образующего их организма. Однако эти вторичные метаболиты участвуют в обменных процессах, помогают растению справляться с некоторыми патогенами и абиотическими стрессовыми факторами, придают окраску отдельным частям растения, защищают от поедания животными и т.д., а многие из них нашли широкое применение в качестве фармацевтических препаратов. Например, розмариновая кислота, известная своими противовирусными, антибактериальными, противоаллергическими, антиоксидантными и противовоспалительными эффектами. Она присутствует во многих растениях, но для её выделения целесообразнее использовать in vitro культуры (каллусные, суспензионные), или культуру косматых корней, поскольку показано, что в данной системе выход целевого продукта по сравнению с обычными корнями увеличивался более чем в два раза [6]. Стоит упомянуть биотрансформационный потенциал косматых корней, хорошо освященный в обзоре индийских авторов [7], заключающийся в гидроксилировании, гликозилировании, оксидоредукции, метилировании, ацетилировании, этерификации и пр. реакциях с различными экзогенными субстратами под действием ферментов, которые продуцируются в косматых корнях. Культуры in vitro могут служить продуцентами первичных метаболитов в виде различных рекомбинантных белков в растениях. Созданные ныне системы успешно исполняют роль продуцентов различных, в том числе, человеческих белков (ацетилхолинэстеразы, эпидермального фактора роста, проинсулина, гормона роста и т.д.), и часто именуются «Зеленой фабрикой» [8].
Помимо растительных систем, сообщается также об успешной агробактериальной трансформации клеток других эу- и прокариотических [9] организмов. Например, представителей царства грибов [10], животных [11], и даже культур человеческих раковых клеток [12], причём по механизму, аналогичному переносу Т-ДНК в растения.
Таким образом, Agrobacterium являются удобным, и в некотором смысле, универсальным инструментом для генетической трансформации различных организмов, а также «фабрикой» по производству целевых продуктов и предшественников лекарственных препаратов.