Материалы Международной студенческой научной конференции
Студенческий научный форум 2024

AGROBACTERIUM – МОЩНЫЙ ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНЖЕНЕРИИ И ПРОМЫШЛЕННОГО БИОСИНТЕЗА

Сухарева А.С. 1
1 ФГБНОУ ИБГ УФИЦ РАН
1. Akiyoshi D.E., Klee H., Amasino R.M., Nester E.W., Gordon M.P. T-DNA of Agrobacterium tumefaciens encodes an enzyme of cytokinin biosynthesis. Proc. Natl. Acad. Sci. 1984. Vol. 81. No. 19. P. 5994–5998.
2. Korber H., Strizhov N., Staiger D., Feldwisch J., Olsson O., Sandberg G., Palme K., Schell J., Koncz C. T-DNA gene 5 of Agrobacterium modulates auxin response by autoregulated synthesis of a growth hormone antagonist in plants. 1991. EMBO J. Vol. 10. No. 13. P. 3983–3991.
3. Terakura S., Ueno Y., Tagami H., Kitakura S., Machida C., Wabiko H., Aiba H., Otten L., Tsukagoshi H., Nakamura K., Machida Y. An oncoprotein from the plant pathogen Agrobacterium has histone chaperone-like activity. Plant Cell. 2007. Vol. 19. No. 9. P. 2855–2865.
4. Vladimirov I.A., Matveeva T.V., Lutova, L.A. Opine biosynthesis and catabolism genes of Agrobacterium tumefaciens and Agrobacterium rhizogenes. Russ. J. Genet. 2015. Vol. 51. No. 2. P. 121–129.
5. Hartmann T. From waste products to ecochemicals: fifty years’ research of plant secondary metabolism. Phytochemistry. 2007. Vol. 68. No. 22-24. P. 2831-2846.
6. Grzegorczyk I., Królicka A., Wysokińska H. Establishment of Salvia officinalis L. hairy root cultures for the production of rosmarinic acid. Z. Naturforsch C. 2006. Vol. 61. No. 5-6. P. 351-356.
7. Banerjee S., Singh S., Ur Rahman L. Biotransformation studies using hairy root cultures – A review. Biotechnol. Adv. 2012. Vol. 30. No. 3. P. 461-468.
8. Xu J., Dolan M.C., Medrano G., Cramer C.L., Weathers P.J. Green factory: plants as bioproduction platforms for recombinant proteins. Biotechnol. Adv. 2012. Vol. 30. No. 5. P. 1171-1184.
9. Lacroix B., Citovsky V. Beyond Agrobacterium-mediated transformation: horizontal gene transfer from Bacteria to Eukaryotes. In: Gelvin S. (eds) Agrobacterium Biology. Current Topics in Microbiology and Immunology. 2018. Vol. 418. P. 443-462.
10. de Groot M., Bundock P., Hooykaas P., Beijersbergen A. G. M. Agrobacterium tumefaciens-mediated transformation of filamentous fungi. Nat. Biotechnol. 1998. Vol. 16. P. 839–842.
11. Bulgakov V.P., Kiselev K.V., Yakovlev K.V., Zhuravlev Y.N., Gontcharov A.A. Odintsova N.A. Agrobacterium-mediated transformation of sea urchin embryos. Biotechnology Journal. 2006. Vol. 1. P. 454-461.
12. Kunik T., Tzfira T., Kapulnik Y., Gafni Y., Dingwall C., Citovsky V. Genetic transformation of HeLa cells by Agrobacterium. National Academy of Sciences. 2001. Vol. 98. No. 4. P. 1871-1876.

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.


Библиографическая ссылка

Сухарева А.С. AGROBACTERIUM – МОЩНЫЙ ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНЖЕНЕРИИ И ПРОМЫШЛЕННОГО БИОСИНТЕЗА // Материалы МСНК "Студенческий научный форум 2024". – 2021. – № 8. – С. 37-39;
URL: https://publish2020.scienceforum.ru/ru/article/view?id=443 (дата обращения: 29.03.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674