Пионер клеточной инженерии

Кандидат фармацевтических наук, доцент кафедры фармацевтического анализа Сибирского государственного медицинского университета из Томска Надежда Исайкина на всероссийском фестивале «Вместе с российской наукой» рассказала «Ъ-Науке» о революционных достижениях Раисы Бутенко — ученой, которая разработала метод культивирования растительной клетки in vitro и открыла эру биотехнологии в СССР. Фестиваль проходит в ПсковГУ при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Взять обычную морковку, выделить из нее одну клетку и вырастить целое растение в пробирке… В 1960-е годы это звучало как научная фантастика, но именно этого добилась советский биолог Раиса Бутенко. Ее открытие не только перевернуло представления о возможностях растительных клеток, но и заложило основы целой отрасли — современной биотехнологии растений.

Все началось в стенах Тимирязевской академии, где в 1940-е годы Раиса Бутенко изучала полиплоидные овощные растения — формы с увеличенным набором хромосом в клетках. Уже тогда она первой в мире получила тетраплоидную цветную капусту, но свое настоящее призвание биолог нашла позже, в Институте физиологии растений АН СССР. Здесь под руководством академика Курсанова она получила уникальные условия для научного творчества: ее руководитель поощрял изучение новых методов и не боялся рискованных исследований.

В основе революционного метода лежала смелая гипотеза тотипотентности — идея о том, что каждая клетка растения содержит полную генетическую программу организма. Если это действительно так, рассуждала Раиса Бутенко, то теоретически любую клетку можно «перепрограммировать» и заставить развиться в полноценное растение.

Для проверки этой теории она разработала принципиально новую технологию культивирования изолированных клеток.

Техника требовала ювелирной точности и создания совершенно новой лабораторной инфраструктуры. Раиса Бутенко организовала в институте системы кондиционирования, климатические камеры и автоклавную службу — то, чего раньше в советской биологии просто не существовало. Клетки культивировали на стерильных питательных средах со сложнейшим составом: точно подобранные минеральные соли, углеводы, витамины, стимуляторы роста. Температуру поддерживали на уровне 25–27°C, влажность — около 70%. Малейшее нарушение условий означало провал эксперимента.

Первый прорыв произошел с тканями табака и моркови. Раиса Бутенко не просто заставила клетки делиться — она добилась контролируемого органогенеза, то есть направленного образования корней, стеблей и листьев из бесформенной клеточной массы. В 1962 году она опубликовала сенсационную статью «Контролируемый органогенез и регенерация целого растения в культуре недифференцированной ткани», которая доказала: клетки, прошедшие многократное деление на искусственных средах, способны к полной регенерации растения.

Это открытие имело революционные последствия для биологии. Метод культуры in vitro впервые позволил изучать клетки растений в полной изоляции, контролируя каждый фактор их развития. Ученые получили инструмент для исследования физиологии, биохимии и генетики растений с невиданной ранее точностью. Но главное — появилась возможность управлять процессами развития, что открывало путь к созданию растений с заданными свойствами.

Успех советской школы биотехнологии не был случайностью. В СССР сложилась уникальная система, которая позволяла талантливым ученым развивать фундаментальные исследования с прицелом на практическое применение. Государство щедро финансировало науку, особенно перспективные направления, а академическая свобода давала возможность рисковать и экспериментировать. Раиса Бутенко воспользовалась этими возможностями максимально эффективно.

На основе своих открытий она разработала шесть практических направлений, которые определили развитие биотехнологии на десятилетия вперед.

Первое направление — исследование биосинтеза биологически активных веществ в культурах тканей редких лекарственных растений. Женьшень, барвинок, раувольфия и другие ценные виды росли в строго ограниченных климатических зонах, их сбор был трудоемким и часто вредил популяциям. Технология Раисы Бутенко позволила «выращивать» клетки этих растений в промышленных биореакторах, получая те же лекарственные вещества, но в контролируемых условиях. Для женьшеня впервые в мире организовали промышленное производство клеточных культур, что стало прообразом современной фармацевтической биотехнологии.

Второе направление — создание криобанка для долгосрочного сохранения генофонда. Раиса Бутенко заметила, что длительное субкультивирование может привести к потере способности клеток синтезировать вторичные метаболиты. Кроме того, клеточные популяции in vitro генетически гетерогенны.

Для решения этой проблемы она разработала методы глубокой заморозки клеток в жидком азоте при температуре минус 196°C. Замороженные клетки сохраняли генетическую стабильность и жизнеспособность практически неограниченно долго, что позволяло создавать банки генетических ресурсов — прообразы современных биобанков.

Третье направление — исследование протопластов, клеток растений с удаленной клеточной стенкой. Эта работа потребовала освоения сложнейших методик с использованием ферментов. Обработав клетки специальными ферментами, Раиса Бутенко получала «голые» протопласты, лишенные жесткой клеточной оболочки. С такими протопластами можно было проводить исследования, невозможные в обычных условиях: изучать транспорт веществ, электрические свойства мембран, проводить генетические манипуляции, а главное — сливать протопласты разных видов растений. В лаборатории Раисы Бутенко получили первый в мире соматический гибрид картофеля, объединив гены дикого и культурного видов. Это заложило основы клеточной инженерии и современных трансгенных технологий.

Четвертое направление — клональное микроразмножение, революционизировавшее растениеводство. Раиса Бутенко показала, что апикальные меристемы in vitro свободны от вирусных инфекций. Это привело к разработке технологии оздоровления и микроклонального размножения растений, которая позволяла получить тысячи генетически идентичных растений за короткое время. Метод работал в пять этапов: 1) выбор растения-донора, изолирование и стерилизация экспланта, помещение его на питательную среду in vitro; 2) стимуляция развития пазушных почек, микрочеренкование, индукция образования адвентивных почек или микроклубней без каллусогенеза; 3) укоренение полученных побегов и адаптация растений к условиям in vivo; 4) перенос растений в нестерильные условия теплицы на почву или искусственный субстрат; 5) подготовка растений к реализации или высадке в поле. Этот подход не только ускорял размножение в сотни раз, но и гарантировал получение здорового, генетически однородного посадочного материала.

Пятое направление тесно связано с четвертым — получение безвирусного посадочного материала. Культивирование меристем стебля или органов стеблевого происхождения позволило создавать безвирусный посадочный материал, что было особенно важно для картофеля и других сельскохозяйственных культур. Оздоровленные растения дальше размножали обычным методом клонального микроразмножения. Раиса Бутенко с коллегами разработала методы ускоренного размножения оздоровленного материала в пробирках или гидропонике. Была создана эффективная система биореактора для получения микроклубней картофеля. Эти новые технологии снижали потери урожая и улучшали качество семенного материала.

Шестое направление — получение растений с новыми свойствами через сомаклональную изменчивость. В культуре клетки мутировали чаще, чем в природе, что создавало дополнительный источник генетического разнообразия для селекции. Раиса Бутенко получила первые сомаклональные растения табака с новыми признаками, показав, что биотехнология может не только сохранять существующие сорта, но и создавать принципиально новые.

Самым необычным и символичным экспериментом стал полет клеток растений в космос. 25 ноября 1975 года биоспутник «Космос-782» вывел на орбиту контейнеры с клетками моркови. Этот совместный советско-американский проект, координируемый академиком Олегом Газенко, профессором Раисой Бутенко и профессором Ф. К. Стюардом, должен был ответить на фундаментальный вопрос: могут ли растительные клетки развиваться в невесомости?

Двадцать дней клетки провели в космосе при температуре 20–24°C. Результат превзошел все ожидания: тотипотентные соматические клетки моркови в невесомости могут подвергаться морфогенезу и сформировать жизнеспособные эмбриоиды, такие же как и при действии силы тяжести на Земле.

Более того, корни у «космических» растений оказались даже длиннее земных — возможно, из-за отсутствия гравитационного стресса. Эксперимент не только подтвердил универсальность методов Раисы Бутенко, но и открыл перспективы выращивания пищевых растений в долгих космических миссиях.

Международное признание пришло быстро. В 1968 году монография Раисы Бутенко «Культура изолированных тканей и физиология морфогенеза растений» была переведена на английский язык и стала настольной книгой биотехнологов во всем мире. С 1986 года она координировала масштабный проект стран СЭВ по клеточной инженерии, объединивший усилия СССР, Болгарии, Венгрии, Румынии, Чехословакии, ГДР, Монголии, Вьетнама и Кубы. За пять лет участники создали около 20 биотехнологий, ускоривших селекционный процесс в два-три раза и увеличивших урожайность основных культур на 30–60%.

В Институт физиологии растений в Москву приезжали стажеры из десятков стран изучать революционные методы. Раиса Бутенко подготовила более 40 кандидатов и 10 докторов наук, многие из которых основали собственные лаборатории по всему миру. Советская школа биотехнологии растений стала одной из ведущих в мире.

Секрет успеха Раисы Бутенко заключался не только в научном таланте, но и в счастливом сочетании личных качеств и обстоятельств. Она выросла в семье, где ценились образование и трудолюбие, училась у выдающихся преподавателей Тимирязевской академии, работала в институте с превосходной научной атмосферой. Личная жизнь тоже сложилась удачно: 42 года она прожила в счастливом браке с военным летчиком и авиаконструктором Юрием Бутенко.

Сегодня культура клеток растений стала основой современной биотехнологии. Лекарственные препараты, получаемые из клеточных культур, безвирусный посадочный материал, трансгенные растения, клональное размножение редких видов — все это выросло из работ Раисы Бутенко. Женщина, которая в 1960-е годы научила растения расти в пробирке, заложила фундамент технологий, без которых сегодня невозможно представить ни современную медицину, ни высокопродуктивное сельское хозяйство, ни сохранение биоразнообразия планеты, ни космические исследования.

Татьяна Мейлахс