к.т.н., Е.В.Мохов
Мечты человека растить всегда только качественные и вкусные плоды овощей и фруктов, разводить только здоровых коров с хорошими удоями, овец с большим настригом шерсти или же отличных кур-несушек были всегда. Но, пожалуй, лишь в последнее время этот здоровый интерес был подогрет не совсем безобидными и радужными успехами ученых в клонировании животных и растений. Но реально ли осуществить эту мечту человечества именно методами клонирования?
Воспроизводство организмов, которые полностью повторяют уникальные свойства продуктивности особи, возможно лишь при единственном условии, - если генетическая информация матери будет точно и без изменений передана дочерям. В естественных условиях размножения этому препятствует биологический процесс, называемый – мейоз.
При мейозе, еще незрелая яйцеклетка, имеющая двойной (диплоидный) набор хромосом, делится дважды, давая начало возникновению четырех гаплоидных (с одинарным набором хромосом) клеток. Три из них ждет процесс дегенерации, а четвертую, которая имеет наибольший запас питательных веществ, ожидает судьба стать яйцеклеткой. Но большая часть животных в силу их гаплоидной направленности не могут развиваться в новый организм без оплодотворения - слияния ее с гаплоидным сперматозоидом. Естественно, что организм, развившийся из оплодотворенной клетки, приобретает признаки, которые определяются комплексным взаимодействием материнской и отцовской наследственности, что препятствует идентичному повторению материнской копии в потомстве [1].
Но так ли все плохо? Неужели, природа за 3 миллиарда лет своего существования не выявила того, что лучше подходит животным и растениям для их выживания и дальнейшего воспроизводства? Ведь эти процессы развились с течением эволюции не случайно. Если бы клонирование было удачной перспективой постоянного и гарантированного размножения живых существ, именно он бы стал основным, поскольку с началом развития жизни на Земле другого по началу не было. Однако, по прошествии сотен миллионов лет, единственными живыми существами на Земле, кто до сих пор размножается подобным способом, являются лишь отдельные виды слаборазвитых животных (которых можно пересчитать по пальцам), растения, которые имеют два способа размножения, не основные из которых: корневищами, усами и делением луковиц, а также немногочисленные виды простейших одноклеточных животных и бактерий, и неклеточные формы жизни – вирусы (принадлежность которых к Земным формам жизни не доказана и вообще находится под большим сомнением).
Но человеческая жажда найти любые способы, лишь бы ничего не делать или трудиться как можно меньше, постепенно подтолкнула ученых идти по более легкому пути достижения поставленной цели - вырастить суперидеальные животные и растения. А именно, почти “забросить” селекцию и удариться в клонирование.
Конечно же, селекция занимает очень много времени и эта технология чрезвычайно дорогая. Особенно тяжело и долго выводить новые сорта и гибриды плодовых деревьев. С животными немного проще, но также нужно “мучиться”, чтобы получить из сотни пробно выращенных коров, ту единственную, которая и дает наибольшие удои, мясцом не обделена, здорова физически, да и подготовлена для тех или иных условий среды обитания. На это уходят годы, иногда десятилетия. Но это еще не все. Дело в том, что животные и растения не вечны. Они умирают со временем. Как сохранить именно эту породу животного или сорт растения? Чтобы соблюсти чистоту сорта нужно снова теми же методами разводить кучу животных от “идеала”, чтобы снова получить из этой кучи “новый идеал” (нашли выход только для быков и другого скота, замораживая сперму “идельного” самца-производителя). А у растений нужно в лабораторных условиях получить с “идеальных” семян, новые растения, и с них собрать новые семена. А если селекцией создан гибрид, то от него нельзя брать его потомков (или семена с этого растения), поскольку идеальные свойства гибрид получает от скрещивания с разными породами (сортами). То есть, чтобы его снова повторить, нужно снова скрещивать разные породы (сорта), которые с течением лет, изменяют свои свойства, что меняет и свойства гибрида. Поэтому, иногда они становятся с годами лучше, а иногда – хуже. Во втором случае, некогда хороший гибрид можно считать утерянным безвозвратно в прежних качествах.
В этой куче проблем и труда, клонирование – довольно заманчивая перспектива. Теоретически (по замыслам “стратегов” ученой среды), достаточно будет создать один единственный экземпляр животного или растения всего лишь раз, и сотни лет клонируя этот “идеал”, по сути, ничего не делать, только грести урожаи вагонами и мясо рефрижераторами.
Чтобы разобраться в сути процессов клонирования, вернемся к природному процессу мейоза, который “помешал”, встав на пути научного “прогресса”. Как же, вопреки природе, заставить клетку развиваться только с материнским диплоидным набором хромосом? Решение этой проблемы технически вполне осуществимо двумя способами.
Первый способ изобретен довольно давно [1].
Еще сто лет назад зоолог Московского университета А.А.Тихомиров впервые открыл, что яички тутового шелкопряда в результате различных химических и физических воздействий начинают развиваться без оплодотворения. Однако это развитие, названное партеногенезом, рано останавливалось: партеногенетические эмбрионы погибали еще до вылупления личинок из яиц. Но начало клонированию животных было положено.
В последствии (в 30ых годах) удалось подобрать термическое воздействие, которое одновременно стимулировало неоплодотворенное яйцо к развитию и блокировало стадию мейоза, т.е. превращение диплоидного ядра яйцеклетки в гаплоидное. Ядро, оставшееся диплоидным, давало начало жизни новым личинкам, точно повторяющим генотип матери, включая и пол. Таким образом, в результате амейотического партеногенеза были получены первые генетические копии, идентичные матери.
Однако, число вылупившихся этим способом гусениц, находилось в прямой зависимости от жизнеспособности матери, поэтому у "чистых" пород вылупление гусениц не превышало нескольких процентов, в то время как у значительно более жизнеспособных межрасовых гибридов оно достигало 40 - 50%! То есть, тогда природа показала свои преимущества межвидового скрещивания. В итоге, партеногенетическое потомство характеризовалось пониженной жизнеспособностью на эмбриональных и постэмбриональных стадиях развития (гусеницы, куколки, бабочки). Вылупившиеся гусеницы развивались неравномерно, было много уродов, а свитые ими коконы шелка сильно различались по массе.
Позже метод улучшили, применив гибридизацию между селекционными линиями, то есть, “впустив” львиную долю природных процессов в механику клонирования. Так удалось повысить жизнеспособность у новых клонов до нормы, но довести до этого уровня другие количественные признаки тогда не удалось. В частности, масса партеногенетических коконов не превышала 82% от массы нормальных коконов такого же генотипа, что для промышленного применения методики в производстве шелка не приемлемо.
Позднее были установлены причины “партеногенетической депрессии” и сложными методами, которые позволяют накапливать "гены партеногенеза", вывели новые высоко жизнеспособные клоны самок, а позже и партеногенетических самцов. Успехи клонирования в то время могли стать реальностью лишь для животных, стоящих на невысокой ступени развития, к которым и относился тутовый шелкопряд (“депрессия” у которого несравнимо меньше, чем у млекопитающих животных; у млекопитающих, яйцеклетка с диплоидным ядром, образованным в результате слияния двух женских гаплоидных ядер или двух мужских, вообще не развивается в организм).
Для шелкопряда очень важно было вывести именно “идеальных” для клонирования самцов, поскольку самки шелкопряда съедают на 20% больше листа шелковицы, а их коконы содержат шелка на 20% меньше. С экономической точки зрения, это все равно, что на молочной ферме держать половину коров и половину быков, хотя молока от быков, естественно не дождешься. Следовательно, для лучшего сбережения ресурсов и для большей отдачи, выгодно промышленное разведение только самцов.
Поэтому, скрещивая таких самцов со своими клонированными "матерями" или склонными к партеногенезу самками других клонов, было получено потомство с еще большей склонностью к партеногенезу. Из лучших в этом отношении самок брали “мам” для новых клонов.
И, не смотря на удачные результаты многолетнего отбора, в результате которых удалось накопить в генотипе селектируемых клонов невиданно большое число генов, обуславливающих высокую склонность к партеногенезу и жизнеспособность (вылупление гусениц достигло 90%, а их жизнеспособность, повысилась до 95 - 100%, опередив в этом отношении обычные породы и даже гибриды), а также, несмотря на удачный исход в деле клонирования самцов, для практического применения полученные клоны все же остались не пригодны [1]. Их можно было использовать только “на племя” - для получения выдающегося по продуктивности потомства при обычном половом размножении, поскольку количество полученных клонов самцов исчисляется единицами и процесс их получения чрезвычайно дорог и не выгоден.
Как же так? Клонирование стало дороже простой селекции? Почему же все зашло в тупик?..
Интересен и тот факт, что успех в получении высококачественных пород шелкопряда стоил так дорого и шел так долго, что за это время и на эти деньги можно было бы обычной селекцией вывести в 10 раз более продуктивную породу.
Да, стоит признать, что с вовлечением женских партеноклонов в промышленное шелководство полностью снимаются колоссальные трудности выведения урожайных гибридов 100%ой чистоты, поскольку совсем исключается трудоемкое и неточное разделение по коконам племенных самок и самцов для межпородного скрещивания. В результате мы теперь имеем многие сотни тысяч генетических копий матери, отца, сестер и братьев “идеала”, и первые из них уже доведены до промышленного использования.