Лидеры научных инноваций: в КФУ разработали новый класс инсектицидов

Учёные Крымского федерального университета им. В.И. Вернадского разработали олигонуклеотидные инсектициды для защиты растений против насекомых-вредителей. О данном проекте рассказывает заведующий кафедрой молекулярной генетики и биотехнологий Института биохимических технологий, экологии и фармации, доктор биологических наук Владимир Оберемок.

Исследование проводится при поддержке Российского научного фонда.

В чём суть Вашего проекта?

— Цель нашего проекта заключается в том, чтобы создать инсектициды нового поколения, основанные на цепочках ДНК, так называемых антисмысловых ДНК. Эти инсектициды обладают рядом примечательных качеств, которыми ранее никогда не обладали химические инсектициды (органофосфаты, карбаматы, пиретроиды, неоникотиноиды и т.д.). Это – быстрая биодеградация, высокая избирательность действия, низкий углеродный след и длительный операционный срок действия препаратов.

Корнями интерес к данной теме уходит ещё в мои аспирантские годы, а именно в 2008 год, когда мне посчастливилось открыть, что антисмысловые фрагменты ДНК способны вызывать гибель насекомых, если применять их контактно. К 2008 году в мировой литературе не было данных о таких интересных фактах, и это делало мою разработку уникальной. ДНК обладает рядом интересных характеристик, и, прежде всего, тем, что определённая комбинация азотистых оснований, закодированная в каждом фрагменте ДНК, давала возможность сразу использовать такие соединения в качестве избирательно действующих инсектицидов. Первым насекомым, на котором я увидел инсектицидный эффект, был непарный шелкопряд. Тогда я был крайне воодушевлён обнаруженным фактом, поскольку понимал, какие большие перспективы открываются. Я занимаюсь этой темой уже 16-й год, и то воодушевление, которое я почувствовал тогда, не уходит, а нарастает с каждым годом, так как открываются всё новые и новые горизонты потрясающих научных возможностей, связанных с этим открытием. Мы вместе с командой смогли значительно развить данное направление, и сейчас понятно, что это – новый класс инсектицидов, который обязательно выйдет на рынок и потеснит существующие классы химических инсектицидов, уступающих разрабатываемым нами олигонуклеотидным инсектицидам по многим параметрам. Кстати, ещё мы их называем ДНК-инсектицидами.

Что конкретно Вы исследуете? Какие результаты уже получены?

— Наша основная база для исследований, помимо лаборатории, – Никитский ботанический сад. Если мы видим, что на поверхности листьев какого-либо растения находится наш целевой объект, то растворяем в воде цепочки ДНК определённой последовательности, которая влияет только на конкретного насекомого-вредителя. Такой алгоритм действий не оказывает негативного эффекта на нецелевые организмы, включая само растение. Наилучшие результаты мы получаем на представителях полужесткокрылых, в частности грудохоботных (тли, щитовки, ложнощитовки, белокрылки, червецы и другие насекомые).

И в рамках гранта Российского научного фонда мы обнаружили очень интересные факты. Например, то, что наши олигонуклеотидные инсектициды обладают высокой избирательностью действия. Как правило, мы используем цепочку из 11 нуклеотидов, а она даёт возможность создавать достаточно избирательные последовательности, когда уникальность каждого отдельного олигонуклеотидного инсектицида составляет более чем один на четыре миллиона. Это даёт возможность, используя даже короткую последовательность ДНК, создавать безопасные в действии олигонуклеотидные инсектициды. Открываются широкие возможности применения олигонуклеотидных инсектицидов в сельском хозяйстве, поскольку мы не сможем навредить, например, опылителям или естественным хищникам насекомых-вредителей.

То, что мы разработали в течение 16 лет, называется КВАД-биотехнологией (контактно вводимая антисмысловая ДНК). Что находится в основе такой биотехнологии? Например, вы берёте фрагмент антисмысловой ДНК длиной 11 нуклеотидов, мишенью для которой является рибосомальная РНК насекомого-вредителя. И данный антисмысловой ДНК-фрагмент действует по механизму ДНК-сдерживания. Что именно происходит? Фрагмент антисмысловой ДНК попадает в клетки насекомого, затем совершается так называемый «арест» рибосомальной РНК в составе рибосом, блокировка работы рибосом, а после начинается гиперкомпенсация целевой РНК, которая была «арестована» в составе рибосомальной РНК. То есть сначала мы видим большое накопление рибосомальной РНК, но затем происходит деградация целевой РНК. В процессе механизма ДНК-сдерживания насекомое-вредитель погибает. Таким образом, мы придумали первую в мире КВАД-биотехнологию, которая основана на немодифицированных антисмысловых олигонуклеотидах.

Насколько уникальна разработанная технология?

— Дело в том, что учёные достаточно длительное время знали о том, что при помощи антисмысловых ДНК может возникать эффект блокировки генов, но никто не мог предложить какую-либо биотехнологию в прикладном аспекте. Не знали они и о существовании механизма ДНК-сдерживания. И мы первыми, начиная с 2008 года, продемонстрировали, что это возможно. КВАД-биотехнология – это биотехнология, которая позволяет создавать олигонуклеотидные инсектициды для ведения «зелёного» сельского хозяйства, «зелёной» защиты растений. Ни один класс химических инсектицидов сегодня не может даже приблизиться к таким характеристикам, которыми обладают олигонуклеотидные инсектициды.

Сегодня на Западе развиваются РНК-препараты, которые действуют по другому механизму – РНК-интерференции, но напоминают то, что делаем мы. Отрадно, что они пришли к успешной контактной обработке насекомых позже нас на три года, в 2011 году, и параллельно развивают похожую технологию. Мы не видим особой конкуренции с их стороны, поскольку понимаем, что в определённых препаратах, если мы захотим покрыть большое количество вредителей, скорее всего, будут присутствовать и их молекулы РНК, и наши молекулы ДНК, поскольку их технология лучше всего работает на жёсткокрылых, а наша – на полужёсткокрылых. Очевидно, что по ряду вредителей в какой-то момент произойдёт объединение усилий, то есть будут создаваться комплексные препараты для достижения более высоких результатов в защите растений. Здесь нет предела совершенству.

Параллельно делается очень много других открытий, которые позволяют нам расширяться. Например, мы обнаружили, что в рамках КВАД-биотехнологии применение антисмысловых олигонуклеотидов может увеличивать количество ценных компонентов в составе эфирных масел в лаванде, в лавандине, в мяте. Так и получается, что, когда ты идёшь по какой-то длинной дороге, параллельно начинаешь осваивать всё новые и новые направления.

А насколько конкурентна данная технология по стоимости?

— Любая технология на начальном этапе – это очень дорогая «игрушка», которая не очень хорошо работает. А когда она пройдёт путь развития длительностью в 15-20 лет, она станет «игрушкой», которая стоит копейки, но при этом работает очень хорошо. И мы уже прошли этот длинный путь, когда видим, что себестоимость препарата составляет 1-2 доллара на гектар для некоторых вредителей. В XX веке об этом и мечтать невозможно было. Ни концептуально, ни экономически нельзя было даже представить, что нуклеиновые кислоты, ДНК или РНК, можно будет использовать в качестве инсектицидов. Этого не произошло ни в Нью-Йорке, ни в Париже, ни в Дели, а мы сделали это здесь, в таком небольшом городе, как Симферополь, потому что даже в голову никому не приходило, что это в принципе возможно сделать. Как вы знаете, молодость – она достаточно дерзкая. Я был аспирантом, и мне в голову пришла такая идея, и она сработала! Понятно, что тогда она сработала не оптимально, а вот сейчас мы нашли ту оптимальную систему, в которой не видим сбоя в КВАД-биотехнологии. Она постоянно работает.

Какие цели Вы перед собой ставите теперь?

— Теперь мы понимаем, что нам нужно захватить как можно более широкий плацдарм в виде насекомых-вредителей, чтобы потеснить на рынке такие вещества, как неоникотиноиды, пиретроиды, органофосфаты, диамиды, карбаматы. И тогда не только нашему университету, но и всей защите растений в нашей стране будет, чем гордиться, потому что это – уникальное направление.

Сегодня защита растений подошла к тому, что мы не просто боремся за то, чтобы получить, образно говоря, урожай яблок, а дошли до той точки, когда мы боремся за яблоко, которое не будет содержать в себе остатков химических инсектицидов. И самое большое счастье учёного – это когда он под Новый год купит мандарин, а там будет написано «protected by CUAD biotechnology» (переведено «защищено КВАД-биотехнологией»). Это – определённый уровень амбиций, определённый уровень мировоззрения, это то, что мы оставим своим детям. Я многодетный отец, поэтому, в том числе, думаю и об этом.

В конце концов, почему учёные этим занимаются? Мне уже за 40, но я продолжаю по ночам сидеть и обдумывать грани КВАД-биотехнологии, например, вчера поздно ночью закончил писать статью по данной тематике. Почему? Потому что у меня есть большой интерес к тому, чем занимаюсь. Я не могу остановиться, тем более что вижу, что в определённым смысле соревнуюсь с мировыми учёными, и это – азарт. Понимаете? Это интересно и одновременно прекрасно!