Na mizeri, do kiszenia, konserwowy… A jeszcze s przecie dojrzae pikle i mae, cienkie korniszony. Nie, nie, najnowszego przepisu na to, co zrobi z ogrkiem, tutaj nie bdzie. Jeli ju, to recepta na sukces z… ogrkiem w roli gwnej. I wcale nie kulinarna, a naukowa. Nieprawdopodobne?
Cucumis sativus znany jest ju od siedmiu tysicy lat. piewano o nim piosenki, a i w literaturze nie brakuje ogrkowych akcentw. Na warsztat wzili go te uczeni. Dr hab. Wojciech Plder ze Szkoy Gwnej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie uczyni ogrek bohaterem swoich bada. I, co ciekawe, odnis sukces na skal wiatow.
– Ku mojemu zaskoczeniu, po opublikowaniu przez nas w najwikszej i najbardziej kompletnej, jeli chodzi o biologi molekularn, bazie National Center for Biotechnology Information, penej sekwencji genomu chloroplastowego ogrka, pojawia si podobna praca, wykonana przez zesp koreaski. To dodatkowa satysfakcja. Uprzedzilimy konkurentw, ktrzy prowadzili badania rwnolegle z nami. Jednak to my pierwsi dostarczylimy sekwencje do bazy danych – nie kryje dumy kierownik Midzywydziaowego Studium Biotechnologii SGGW.
Kontynent azjatycki przewija si niemal bez przerwy w jego opowieci. Nie moe by inaczej, skoro wanie stamtd, a konkretnie z Indii, ogrek przywdrowa do Europy. I to tam, w Azji, nieco ponad dwie dekady temu dokonano cakiem nowatorskiego osignicia, jakim byo „rozszyfrowanie” rolinnego genomu. Na pierwszy ogie poszed wwczas tyto, a zajmowali si nim badacze dowodzeni przez prof. Masahiro Sugiur z Nagoi. Prdzej czy pniej obaj uczeni musieli si spotka. Kiedy pojawia si okazja wyjazdu na roczny kontrakt do laboratorium prof. Sugiury, i to na jego zaproszenie, dr Plder nie zastanawia si ani przez chwil.
– Na pocztku byo do sympatycznie, aczkolwiek nie wylewnie. Dopiero pniej zorientowaem si, e to sprawa sposobu bycia Japoczykw. Niemniej, sensei zawsze by do mnie yczliwie nastawiony, nigdy nie odmwi spotkania. Myl, e obok prof. Stefana Malepszego by osob, ktra w duym stopniu uksztatowaa moj ciek zawodow.
Dr Plder mia wyjtkowe szczcie, bo po 12 miesicach uzyska z kolei stypendium rzdu japoskiego i mg zosta na kolejny rok. Przebywajc w Japonii przez prawie dwa lata zdy „zarazi” si nie tylko tamtejsz kultur, ale przede wszystkim chloroplastami.
– Japonia to mj „konik” i mgbym mwi o tym godzinami. Udao mi si bez trudnoci zaadaptowa do tamtych warunkw, cho znam ludzi, ktrzy uciekali po 3−4 miesicach. W trakcie pobytu zajmowaem si najpierw transformacj chloroplastw tytoniu, a potem – translacj in vitro genw chloroplastowych tytoniu. Po wielu rozmowach z profesorem Sugiur zaczem zastanawia si nad ogrkiem. Mimo i sensei ostro studzi mj zapa – wspomina trudne pocztki dr Plder.
Jak si okazao, zupenie niepotrzebnie. Ju wtedy, tam na miejscu, w Japonii, wiedzia, e musi podj wyzwanie. Kiedy rozpoczyna swoje badania, odczytanych byo jedynie pitnacie genomw rolinnych. W SGGW niejako naturalnym obiektem badawczym wydawa si by ogrek. Zajmuj si nim ju od kilkudziesiciu lat. To wanie w tej uczelni powstay takie odmiany, jak Polan F1, Dar, Tessa F1 czy Malaga F1.
– Nie jestemy firm hodowlan i nowych odmian nie wytwarzamy zbyt duo, aczkolwiek nasiona tych, ktre wytworzylimy, s reprodukowane i dostpne w cigej sprzeday – tumaczy dr Wojciech Plder, ktry swoje badania prowadzi na starej, przedwojennej jeszcze odmianie Borszczagowski, niespotykanej ju raczej na polskich polach.
– Posiadamy wysoce wsobn, czyli homozygotyczn lini tej odmiany i wikszo prac jest wykonywana przy jej uyciu. To sprawia, e mamy wyjtkowy materia biologiczny i dziki temu moemy otrzymane wyniki bez utrudnie ze sob porwnywa. W naszym laboratorium mamy bogat kolekcj mutantw i somaklonw ogrka, linii haploidalnych czy izogenicznych oraz kolekcj rnych linii transgenicznych – opisuje.
Ze znalezieniem materiau do bada nie byo wic problemu. Optymizmu i zapau te nie brakowao, wszak tylko tym tumaczy chyba mona porywanie si na co, czym zajmuje si kilkanacie, moe kilkadziesit orodkw na wiecie, i to wcale nie najbiedniejszych. Czyste szalestwo. Ale niekiedy ryzyko popaca. Tak byo i w tym przypadku. I chocia od momentu pionierskiego sekwencjonowania genomu roliny mino nieco ponad dwadziecia lat, a w tym czasie udao si odczyta rwnie genom ludzki, dr Plder jest pewien jednego: „rozszyfrowanie” genomw rolinnych bdzie miao rwnie praktyczny wymiar.
– Odczytanie caego genomu, czyli w zasadzie poznanie informacji genetycznej niezbdnej do funkcjonowania roliny, pozwoli na identyfikowanie tych genw, ktrych mutacje powoduj rnego rodzaju niedoskonaoci. Bdzie mona opracowa mechanizmy kontrolujce wzrost roliny, a nawet modyfikowa j genetycznie poprzez wymian fragmentw DNA i usuwanie z genomu konkretnych genw. W ten sposb unikniemy odmian niezdolnych do rozwoju w obliczu niekorzystnych czynnikw, na przykad niskiej temperatury czy braku wiata.
W trakcie bada przez duszy czas nie udawao si uzyska dugich fragmentw DNA chloroplastowego przy zastosowaniu techniki PCR, czyli acuchowej reakcji polimerazy. Chodzio o fragmenty zawierajce od 7 do ok. 25 tys. par zasad. Sprawdzono kilka zestaww do tego typu reakcji i nic. Dwa miesice miny, a prace stay praktycznie w miejscu. To by trudny okres. Nadzieja pojawia si dopiero po konsultacjach z japoskim zespoem prof. Sugiury. Ten, cho ju na emeryturze, nadal aktywnie pracuje i dla wielu modych naukowcw stojcych u progu kariery jest niekwestionowanym autorytetem w sprawach zwizanych nie tylko z chloroplastami.
– Profesor pomg w amplifikacji, czyli namnoeniu tych fragmentw. Nastpnym etapem byo samo sekwencjonowanie. Wykonalimy je w japoskiej firmie Shimadzu. W tej chwili jest to ju standard. Gdybymy chcieli to zrobi samodzielnie, zajoby to nam okoo roku. W przypadku przedsibiorstwa komercyjnego trwao to dwa tygodnie. A dzisiaj byoby jeszcze krcej. Rozwj techniki jest tak szybki, e obecnie czekalibymy niecay tydzie.
Po otrzymaniu sekwencji dr Plder przystpi do analiz komputerowych. Wstpne wyniki wskazyway na to, e udao si otrzyma sekwencje opisujce niewiele ponad 70 proc. genomu. Pozosta cz trzeba byo dorobi we wasnym zakresie. Prace polegay na mudnym projektowaniu starterw do reakcji PCR i amplifikacji krtkich tym razem fragmentw – od 500 do 5−6 tys. par zasad. Nastpnie w Instytucie Biochemii i Biofizyki PAN w Warszawie metod kroczenia po chromosomie dokonano ich sekwencjonowania. W kolejnym etapie doczano je do istniejcych fragmentw, tak aby w efekcie kocowym otrzyma cao w formie zamknitego, kolistego genomu chloroplastowego. To, co miao nastpi potem, wygldao ju na przysowiow buk z masem. Pozostao bowiem „tylko” sprawdzi poprawno struktury, zanalizowa j, wyodrbni geny i obszary podejrzane o to, e mog kodowa informacj i porwna je do innych, opisanych genomw chloroplastowych.
– Udowodniem, e genom chloroplastowy ogrka ma dokadnie 155 293 pary nukleotydw. W duej mierze potwierdziem rwnie znane wczeniej informacje dotyczce tego, e genomy chloroplastowe rolin s do siebie bardzo podobne. Geny s wysoko konserwatywne, to znaczy bardzo podobne u rnych gatunkw – wyjania dr hab. Wojciech Plder.
„Rozszyfrowanie” ogrka zostao zakoczone, ale prawdziwym wyzwaniem jest teraz poznanie funkcji poszczeglnych genw. Ich struktura bowiem to nie wszystko. Znacznie bardziej skomplikowane jest dojcie do tego, w jaki sposb one wspdziaaj. To cakiem wiea sprawa, ktr dr Plder dopiero zaczyna si zajmowa. Do tej pory mg analizowa jedynie za pomoc programw komputerowych, ktre wykonyway pewne symulacje. Teraz moliwe stao si zdobycie wielu informacji szczegowych, jak chociaby wystpowanie miejsc redagowania informacji genetycznej i ich znaczenie. Przy okazji okazao si, e ogrek, cho najczciej mona go pomyli z melonem, bardziej spokrewniony jest z e−szeniem.
– Moe to wskazywa na nieznany dotd wsplny epizod z historii obu gatunkw – tajemniczo odpowiada badacz.
Sekwencjonowanie i analiza genomw nie s procesami atwymi. Od chwili rozpoczcia prac do opublikowania sekwencji w bazie komputerowej upyny prawie dwa lata. Oprcz czasu wymagaj rwnie doskonaego przygotowania bioinformatycznego, a take sporych funduszy. Chocia, ku uciesze polskich badaczy, ten ostatni czynnik nie jest ju wiodcy.
– Trzeba pamita, e ta czysto ambicjonalna i zupenie niezamierzona rywalizacja z zespoem koreaskim, ktry take w tym samym czasie prowadzi identyczne badania, rozgrywaa si te na polu finansowym. Azjatyckie orodki dysponuj wszake olbrzymimi budetami na badania biotechnologiczne. Mj przykad pokaza, e to ju teraz nie ma a takiego znaczenia. Do niedawna badania te byy bardzo kosztowne. Ostatnio to si bardzo szybko zmienia i moliwo dostpu do laboratoriw maj te naukowcy z mniejszymi budetami – podkrela z nieukrywan satysfakcj dr Plder.
Nie tylko on w Katedrze Genetyki Hodowli i Biotechnologii Rolin SGGW zajmuje si genomem ogrka. Ten odczytany przez niego – chloroplastowy, odpowiadajcy za fotosyntez – jest jednym z trzech wystpujcych w komrce rolinnej, a w dodatku tym najmniejszym. Oprcz niego s jeszcze dwa inne. Nad genomem mitochondrialnym, kontrolujcym procesy energetyczne w rolinie, pracuje dr Grzegorz Bartoszewski z zespou prof. Katarzyny Niemirowicz−Szczytt. Z kolei najwikszy, ktry odpowiada za wszystkie cechy fenotypowe roliny – genom jdrowy, z liczb nukleotydw sigajc nawet miliardw – jest domen prof. Zbigniewa Przybeckiego. Jego zesp stworzy ju kompletn bibliotek genomow, zwan BAC (Bacterial Artifical Chromosome).
– Speniaj si wic powoli marzenia wieloletniego szefa naszej katedry, prof. Stefana Malepszego, o poznaniu wszystkich tajemnic molekularnych ogrka.
W swoim dorobku naukowcy ze Szkoy Gwnej Gospodarstwa Wiejskiego maj ju opracowanie systemw regeneracji ogrka w kulturach in vitro, poczwszy od regeneracji z protoplastw, a skoczywszy na opracowaniu systemw uzyskiwania duej liczby zarodkw somatycznych, ktre mog by w przyszoci wykorzystywane jako sztuczne nasiona. Poznali te systemy transformacji jdrowej, okrelili wzory chromosomw i opracowali metod uzyskiwania mutantw mitochondrialnych. Wiedza o genomie chloroplastowym bdzie przydatna gwnie do precyzyjnych bada genetycznych i rozwoju biotechnologii tego gatunku. Tym bardziej e to najdokadniej na wiecie zbadany genom z rodziny dyniowatych.
– Moliwoci wykorzystania wynikw moich prac jest wiele. Po pierwsze, daje to przyczynek do kompleksowych bada nad udziaem informacji zawartej w chloroplastach w ksztatowaniu cech o znaczeniu praktycznym. Zamierzamy koncentrowa si na odpornoci na stresy, szczeglnie niskiej temperatury. Wiadomo przecie, e ogrek jest bardzo wraliwy na chd. Ju spadek temperatury do +10 stopni moe powanie zachwia upraw. Drugi wtek to uzupenianie informacji zawartej w chloroplastach o now, pomocn w uprawie lub dajc nowe moliwoci wykorzystywania, na przykad do produkcji lekw. Tu wchodz w gr modyfikacje genetyczne – wyjania dr Plder.
Znajomo genomu chloroplastowego z pewnoci przyczyni si rwnie do hodowli nowych odmian, odpornych choby na zagroenia czynnikw zewntrznych. By moe dojdzie do tego, e niektre nie bd potrzeboway do wzrostu tak wiele wiata. A co z ogrkami kiszonymi czy konserwowymi? Czy je take dosignie biotechnologia?
– Co do przetwrstwa, to trudno przewidzie przyszo tych bada, ale dzi nie jestemy w stanie tego cakowicie wykluczy – zaznacza dr Plder, ktry w Polsce jest niejako pionierem. Dokona rzeczy wczeniej zdawaoby si niemoliwej. Jeszcze nikt przed nim nie odczyta genomu roliny. Na wiecie udao si to te nielicznym. Do tej pory zsekwencjonowano genomy blisko czterdziestu rolin. Po tytoniu przysza kolej na ry, kukurydz, pomidory, a nawet tak oryginalne, jak rzodkiewnik. Polski naukowiec dopisa do tej listy cakiem niepozorny ogrek. Ale dziki temu ju teraz nikt nie bdzie mg powtarza za Konstantym I. Gaczyskim:
Mijaj lata, zimy,
raz soneczko, raz chmurka,
a my obojtnie przechodzimy
koo niejednego ogrka.