28 октября 2022

Вредный ген не пройдет: российские учёные создадут «гипоаллергенных» коров

Учёные КубГАУ разработали генетический тест, с помощью которого можно определить, какая корова будет давать вредное молоко, вызывающее аллергические реакции, а какая — полезное и безопасное. Для проведения анализа необходима всего одна молекула ДНК животного. В будущем благодаря этому тесту можно будет вырастить целые стада коров, несущих только хорошие гены. 

 

Роковой десерт

Свой 23-й день рождения израильтянка Ошер Дери решила отметить в одном из кошерных мясных ресторанов города Рош-Пинна. Всё шло замечательно до тех пор, пока девушке не принесли десерт. Съев пару ложек мороженого, она начала задыхаться.

В приёмном покое девушку сразу же направили в реанимационное отделение и подключили к аппарату искусственного жизнеобеспечения, поскольку дышать самостоятельно она уже не могла. Несмотря на все принятые меры, через час после госпитализации девушки не стало. Причина смерти — анафилактический шок, острая аллергическая реакция на молоко.

Ошер с детства знала о том, что её организм не способен усваивать молоко. В её доме никогда не было молочных продуктов, ведь один лишь запах молока вызывал у неё раздражение слизистых и зуд. А на случай внезапной аллергической реакции девушка всегда носила с собой шприц с эпинефрином (адреналином) — гормоном, высокая дозировка которого помогает освободить дыхательные пути и снизить кровяное давление. Но отправляясь в мясной ресторан, Ошер решила, что там-то уж он ей не пригодится.

О своей аллергии девушка также предупредила официанта, заказав мороженое на растительной основе, а не на молоке. Но по трагической случайности мороженое в ресторане закончилось. И повар был вынужден отправить своего 16-летнего помощника в магазин. В результате его невнимательности девушке подали обычное сливочное мороженое, которое и вызвало смертельную реакцию.

Непереносимость казеина, молочного белка, который содержится в коровьем молоке, в России встречается у 30-40% грудничков. Степень непереносимости и симптомы могут отличаться: от боли в животе и крапивницы до затруднённого дыхания и анафилактического шока. Так или иначе, это большая проблема, поскольку коровье молоко содержится в огромном количестве продуктов, а значит, опасность людей с таким диагнозом подстерегает буквально на каждом шагу.

 

Пища богов

Древние народы считали молоко пищей богов, символом плодородия, бессмертия и эликсиром жизни. Согласно индийской мифологии, боги пахтали (сбивали) Молочный океан, чтобы создать солнце, луну, священную корову и эликсир бессмертия. В античном греческом мифе описано, как богиня Гера, покровительница брака, пролила своё молоко во время кормления маленького Геракла, а оно побежало по небесному куполу и создало Млечный путь.

Регулярно пить молоко крупного рогатого скота люди начали ещё с 9000–7000 годов до н.э. в Месопотамии и с 3500–3000 годов до н.э. в Америке. Это произошло в ходе неолитической революции, когда люди перешли от присваивающего хозяйства к собственному сельскому хозяйству, производящей экономике.

С точки зрения состава, молоко — это эмульсия, смесь воды и молочного жира. Кроме этого, в молоке содержатся молочный сахар — лактоза, различные микроэлементы и белки. Самый сложный среди белков — казеин. В коровьем молоке он составляет до 85% от всех белков. В высушенном виде казеин выглядит как белый порошок без вкуса и запаха. Как отдельное природное соединение казеин был выделен в середине XVIII века шведским химиком Карлом Шееле.

 

Секретный ингредиент

Около 30% от всего казеина составляет бета-казеин. Он бывает двух типов: А1 и А2. Отличаются эти типы только одной аминокислотой, органическим соединением, входящим в их состав: в белке А1 в цепи аминокислот на 67-м месте стоит гистидин, а в белке А2 — пролин. В молоке может содержаться либо только белок типа А1, либо только белок А2, либо оба белка в разных соотношениях.

Содержание того или иного белка в коровьем молоке зависит исключительно от генетики. Исследователи утверждают, что изначально всё коровье молоко содержало бета-казеин типа А2. А вот возникновение типа А1 — это результат случайной мутации, которая произошла у европейских коров еще несколько тысяч лет назад в период одомашнивания. Конечно, тогда этот вопрос никого не заботил, ресурсов для проведения исследований не было. Поэтому популяция скота, пораженного мутацией, распространилась не только по всей Европе, но и по миру.

Небольшая разница в составе казеина довольно сильно влияет на его усвоение желудком человека, поскольку пищеварительные ферменты (например, пепсин и трипсин) по-разному взаимодействуют с гистидином и пролином. При переваривании казеина типа А1 (того, который содержит гистидин) в тонком кишечнике выделяется белковое соединение под названием опиоидный пептид бета-казоморфин-7, или БКМ-7. При переваривании казеина типа А2 такого не происходит.

БКМ-7 — это агонист, соединение, которое при взаимодействии с рецептором (группой нервных окончаний) вызывает его биологический отклик. БКМ-7 вызывает отклик μ-опиоидных рецепторов в мозге, сердце, легких, пищеварительной системе. Активация этих рецепторов влечет за собой изменения в работе желудочно-кишечного тракта. В частности, меняется моторика, сокращения желудка и кишечника, увеличивается количество вырабатываемой слизи, увеличивается время прохождения молока по ЖКТ, запускаются воспалительные процессы в слизистой ЖКТ. Все эти реакции указывают на то, что организм противится присоединению БКМ-7 и пытается защитить себя, атакуя молекулы молочного белка.

Дополнительно может запуститься аллергическая реакция с большим выбросом гистамина. Это тканевый гормон, который в обычной жизни, когда все процессы идут так, как надо, никак себя не проявляет. Гистамин содержится в тех клетках, которые реагируют на проникновение чужеродных молекул. Его зона ответственности — быстрая иммунная реакция в ответ на проникновение в организм чужеродных молекул. Когда это происходит, клетки, содержащие гистамин, просыпаются и начинают выбрасывать гистамин в межклеточную среду. Запускается тотальное воспаление: расширение сосудов, отёк. Человек начинает чихать, кашлять, появляется зуд и насморк. Это значит, что организм всеми силами пытается вытолкнуть аллерген из организма. Слишком большой выброс гистамина может спровоцировать удушье.

Соответственно, когда казеин попадает в организм, тот воспринимает белок как чужеродное вещество и пытается поскорее избавиться от него. В зависимости от степени чувствительности того или иного человеческого организма, результатом этой реакции может стать как простой чих, так и анафилактический шок.

 

Спасительный тест 

Создать стада «гипоаллергенных» коров, дающих только полезное и безопасное молоко, решили учёные из Кубанского государственного аграрного университета (КубГАУ). Для этого они занялись разработкой метода быстрого и дешёвого выявления животных, несущих вариант гена, который отвечает за бета-казеин А2.

Выявить нужный ген можно, исследовав ДНК, дезоксирибонуклеиновую кислоту, — молекулу, в которой закодирована генетическая информация. Она выглядит как две длинные спирали, обернутые друг вокруг друга и соединенные между собой мостиками — водородными связями. Спирали состоят из повторяющихся блоков нуклеотидов, органических соединений, которые можно представить в виде мелких шариков. Нуклеотиды собраны в цепи в определенном порядке. Этот порядок определяет самые разные характеристики организма (от цвета глаз до предрасположенности к каким-либо заболеваниям). Ген — это участок ДНК, ответственный за какой-либо наследуемый признак живого организма. Изменения в последовательности ДНК — это мутации.

Сегодня в России для определения мутаций крупного рогатого скота, в том числе определения гена бета-казеина А1 и А2, используют метод на основе ПДРФ-анализа (полиморфизм длин рестрикционных фрагментов). Он включает такие этапы, как выделение ДНК, её расщепление специальным ферментом, а затем анализ образующихся фрагментов, рестриктов, их длин и скорости движения под действием внешнего электрического тока. ПДРФ-анализ относится к сложным методам исследования, которые требуют повышенной квалификации персонала. Кроме того, он занимает много времени. А в процессе исследования может произойти загрязнение исследуемого образца, что станет причиной неверных результатов.

Учёные из КубГАУ предлагают проводить исследование этого гена методом ПЦР в реальном времени. ПЦР, полимеразная цепная реакция, — это метод молекулярной биологии, с помощью которого можно добиться значительного увеличения определённых фрагментов ДНК и производить с ними различные манипуляции. В медицине и биологии этот метод чаще всего используется для диагностики заболеваний, как инфекционных, так и наследственных, а также для клонирования, выделения генов и даже для определения отцовства.

Классическая полимеразная цепная реакция состоит из нескольких этапов. На первом этапе необходимо произвести активацию полимеразы и денатурацию (разделение) цепей ДНК. Полимераза — это фермент, который катализирует, ускоряет синтез ДНК, производство копий фрагментов нуклеотидной цепи. Фермент как бы «читает» нужный участок цепи и, используя его в качестве шаблона, создает такие же цепочки. То есть,  на первом этапе двойная цепь ДНК расходится на две отдельные нити, чтобы с ней проще было работать, а полимераза активируется под воздействием температуры и готовится к дальнейшей работе с отдельными участками цепи. Эту стадию проводят на температуре 93-95 °C и занимает она от 45 секунд до минуты.

После того, как цепочки ДНК разъединились, нужно присоединить праймеры. Это короткие последовательности ДНК, обычно длиной 18-25 нуклеотидов, которые отграничивают тот участок, который нужно амплифицировать, размножить. Праймеры подбираются специально под конкретные цели в базах данных, с помощью специальных программ или вручную, а затем синтезируются на заводе. Отграничение участка с помощью праймера проводится при температуре 50-70 °C. Температура зависит от структуры праймера.

На следующем этапе происходит элонгация, удлинение цепей ДНК за счёт полной активации полимеразы. Она присоединяет добавленные дополнительно нуклеотиды к ограниченному праймером кусочку ДНК, в результате чего на двух противоположных концах цепи начинают нарастать идентичные фрагменты. Так образуются две первые копии выделенного фрагмента цепи ДНК. Эта стадия проводится при температуре 72°C и длится около минуты.

Все стадии, кроме первой, повторяются циклично от 30 до 40 раз. В общей сложности вся процедура может занимать от часа до полутора. В результате можно в миллионы раз размножить интересующие нас участки ДНК, поскольку увеличение их количества происходит в геометрической прогрессии.

Для проведения ПЦР-теста все его необходимые компоненты смешивают в пробирке. Внешне это выглядит как прозрачный раствор. Пробирка с раствором помещается в амплификатор — прибор, обеспечивающий охлаждение и нагревание пробирок с нужной периодичностью. Затем специалист задает программу, настраивает периоды нагревания, охлаждения, количество циклов на амплификаторе — и все дальнейшие процессы происходят автоматически.

После ПЦР проводят ряд дополнительных манипуляций, чтобы определить последовательность нуклеотидов в цепочках ДНК, «прочитать» и проанализировать полученный материал, сделать заключение. То есть даже несмотря на то, что основной процесс анализа происходит автоматически, времени и ресурсов он отнимает довольно много.

При ПЦР-тесте в реальном времени всё намного проще, поскольку в этом случае праймер усиливается флуоресцентными метками — специальными красителями, которые светятся в ответ на проведение реакции. Это свечение регистрирует специальный датчик флуориметр, который встроен в амплификатор. На мониторе компьютера, который подсоединен к амплификатору, можно сразу увидеть график, результат реакции в реальном времени, наличие тех или иных генов. Это удобно, потому что не нужно ждать, пока пройдут все 40 циклов и дополнительные манипуляции. Кроме того, если классический ПЦР-тест — это качественное исследование (то есть оно просто определяет наличие или отсутствие чего-либо), то ПЦР-тест в реальном времени — это количественное исследование, которое может показать количество чего-либо (бактерий, генов и т.д.)

Уникальность проекта учёных из КубГАУ состоит в разработке модифицированных флуоресцентно-меченых праймеров и создания на их основе набора (реагентов, веществ) для определения методом ПЦР в реальном времени животных, несущих вариант гена бета-казеина А2. Подробности своей разработки учёные пока не разглашают, но утверждают, что для анализа будет достаточно всего одной молекулы ДНК и 20-60 минут времени. Кроме того, такое исследование не имеет каких-то строгих требований к стерильности лаборатории, а сам тест довольно прост в исполнении, а значит не потребуется задействовать высококвалифицированный персонал, что значительно ускорит процесс и снизит его стоимость.

С помощью этого теста владельцы фермерских хозяйств смогут отбирать коров, носителей бета-казеина А2, заниматься их разведением и масштабировать производство полезного молока, которое не содержит вредный бета-казеин типа А1 и не провоцирует заболевания ЖКТ, а также тяжёлые и иногда даже смертельные аллергические реакции.

Автор: Анна Добровольская

Источник: https://www.gazeta.ru/science/news/2022/09/09/18518731.shtml

Фото: Изображение от wirestock на Freepik

 

Далее

Это у нас в крови: пермские ученые планируют создать антибиотик из крови человека

Все
новости