13 лет сотрудничества более 200 исследователей из 73 научно-исследовательских учреждений в 20 странах мира, в том числе ученых из университетов Хайфы и Тель-Авива и специалистов израильской компании хай-тек NRGene потребовалось, чтобы завершить решение монументальной задачи по расшифровке генома пшеницы, который в пять раз больше человеческого.

Огромная база данных, которая содержит полную последовательность генов пшеницы, (статьи о завершении этой работы были опубликованы на этой неделе в журнале Science), прокладывает путь для разработки более устойчивых и питательных сортов пшеницы, чем те, которые доступны сегодня и которые обеспечивают более 20% необходимого человечеству растительного белка.

Одна из основных вех в научных усилиях по разгадке секретов ДНК была также связана с выпечкой хлеба. В 1996 году используемые при приготовлении теста дрожжи стали первым живым существом с настоящим ядром эукариотических клеток, чей геном был полностью составлен исследователями. Это был результат сотрудничества более 600 ученых из 100 исследовательских лабораторий в США, Европе, Канаде и Японии, которые отобразили 12 миллионов знаков ДНК в 16 хромосомах дрожжей и идентифицировали около 6000 разных генов.

Составление генома дрожжей имеет большое значение для исследований в разных сферах, но он является небольшим по сравнению с геномом пшеницы, который содержит 16 миллиардов знаков в 21 хромосоме и которые в свою очередь делятся на три разных под-генома, что усложняет расшифровку. Даже Human Genome Cracking Project — один из крупнейших научных проектов в истории науки за последние десятилетия — должен решать меньшую задачу по расшифровке всего около трех миллиардов знаков (хотя и это исследование частично основано на прорывах предыдущих работ в этой области).

Руководитель Института эволюции в Хайфском университете профессор Сион Фахима, который участвовал в исследованиях, говорит, что два израильских прорыва позволили завершить этот огромный проект. Современная технология определения последовательности генома состоит из нескольких этапов. Во-первых, геномную ДНК выделяют и разрезают на мелкие кусочки, каждый длиной только 200 знаков. Короткие последовательности этих питательных веществ помещают в прибор, который считывает ДНК-фрагменты. Затем исследователи сталкиваются с огромной задачей собрать этот пазл из десятков миллионов фрагментов ДНК, в каждом из которых 200 знаков.

При расшифровке генома пшеницы, объясняет профессор Фахима, исследователи сталкиваются с дополнительной сложностью: геном пшеницы фактически состоит из трех отдельных геномов, каждый из которых содержит семь хромосом. Два из них происходят от матери пшеницы, которая имеет два под-генома, а третья — от другого дикого вида — «пшеницы-сына», который присоединился в результате случайного перекрестного оплодотворения в естественных условиях после окультуривания пшеницы. Эти три под-генома очень похожи друг на друга, говорит исследователь из Хайфского университета, что еще более затрудняет определение точного расположения каждой части из 200 знаков.

Коллега Фахимы Абрахам Корол, тоже из Института эволюции Хайфского университета, разработал алгоритм, который помогает решить задачу составления так называемой физической карты хромосом. И это был первый из двух израильских научных прорывов. Таким образом была образована библиотека физических карт. После этого ученые принялись решать еще более гигантскую задачу: искать точное место для каждого фрагмента генома из 200 знаков в последовательности ДНК каждой хромосомы, а каждая хромосома – это от 500 миллионов до миллиарда знаков.

Профессор Фахима: «И тут ко мне обратился доктор Гиль Ронен, возглавляющий компанию старт-ап в Нес-Ционе, и сказал: «Я могу это сделать. Я могу взять весь геном и определить последовательность цепочек ДНК сразу. Их не нужно делить на хромосомы. У меня есть алгоритмы, которые позволяют мгновенно собрать из фрагментов в 200 знаков весь геном».

Как отметил профессор Фахима, за 25 лет исследований ему вместе с коллегами в Израиле и в других странах мира удалось идентифицировать три гена, которые влияют на урожайность и качество пшеницы. «До сих пор это было похоже на управление машиной без водительского удостоверения, — говорит он. «Мы не знали, что делаем, мы были в темноте, без карты, зато теперь у нас есть инструменты для осознанного повышения качества пшеницы».