На всероссийском фестивале «Вместе с российской наукой» Надежда Исайкина, доцент кафедры фармацевтического анализа Сибирского государственного медицинского университета (Томск), рассказала о выдающихся достижениях Раисы Бутенко. Эта ученая разработала революционный метод культивирования растительных клеток in vitro, открыв тем самым эру биотехнологии в СССР. Фестиваль, проходящий в ПсковГУ при поддержке Минобрнауки России, является частью Десятилетия науки и технологий.
Идея взять обычную морковную клетку и вырастить из нее целое растение в лабораторных условиях казалась научной фантастикой в 1960-е годы. Однако именно этого добилась советский биолог Раиса Бутенко. Ее открытие не только радикально изменило представления о потенциале растительных клеток, но и заложило фундамент для новой области — современной биотехнологии растений.
Научный путь Раисы Бутенко начался в Тимирязевской академии в 1940-х годах, где она изучала полиплоидные овощные культуры – растения с увеличенным числом хромосом. Уже тогда она первой в мире получила тетраплоидную цветную капусту. Однако истинное призвание она нашла позднее, в Институте физиологии растений АН СССР. Под руководством академика Курсанова ей были предоставлены уникальные условия для творчества, поощряющие освоение новых методик и смелые эксперименты.
В основе революционного метода лежала смелая гипотеза о тотипотентности — представлении о том, что каждая растительная клетка содержит полную генетическую программу для развития целого организма. Если это верно, рассуждала Раиса Бутенко, то любую клетку теоретически можно «перепрограммировать» для формирования полноценного растения.
Для подтверждения этой теории она разработала фундаментально новую технологию культивирования изолированных клеток.
Реализация методики требовала исключительной точности и создания совершенно новой лабораторной инфраструктуры. Раиса Бутенко организовала в институте современные системы кондиционирования, климатические камеры и автоклавную службу — оснащение, которое до этого момента отсутствовало в советской биологии. Клетки выращивались на стерильных питательных средах с чрезвычайно сложным составом: тщательно подобранные минеральные соли, углеводы, витамины, стимуляторы роста. Температура поддерживалась на уровне 25–27°C, влажность — около 70%. Малейшее отклонение от этих условий могло привести к провалу эксперимента.
Первый значительный успех был достигнут с тканями табака и моркови. Раиса Бутенко не просто стимулировала деление клеток — она добилась контролируемого органогенеза, то есть направленного формирования корней, стеблей и листьев из недифференцированной клеточной массы. В 1962 году ее сенсационная статья «Контролируемый органогенез и регенерация целого растения в культуре недифференцированной ткани» была опубликована. В ней было доказано, что клетки, прошедшие многократное деление на искусственных средах, способны к полной регенерации растения.
Это открытие имело глубокие последствия для биологии. Метод культуры in vitro впервые предоставил возможность изучать растительные клетки в полной изоляции, контролируя каждый фактор их развития. Ученые получили мощный инструмент для исследования физиологии, биохимии и генетики растений с невиданной ранее точностью. Но самое главное — появилась возможность целенаправленно управлять процессами развития, что открывало путь к созданию растений с заданными свойствами.
Успех советской школы биотехнологии не был случайностью. В СССР существовала уникальная система, которая позволяла талантливым ученым проводить фундаментальные исследования с ориентацией на практическое применение. Государство активно финансировало науку, особенно перспективные направления, а академическая свобода давала возможность для риска и экспериментов. Раиса Бутенко максимально эффективно использовала эти возможности.
На основе своих открытий она разработала шесть практических направлений, которые на десятилетия вперед определили развитие биотехнологии.
Основные направления исследований Раисы Бутенко
1. Исследование биосинтеза биологически активных веществ в культурах тканей редких лекарственных растений. Ценные виды, такие как женьшень, барвинок, раувольфия, произрастали в ограниченных климатических зонах, их сбор был трудоемким и часто наносил вред популяциям. Технология Раисы Бутенко позволила выращивать клетки этих растений в промышленных биореакторах, получая те же лекарственные компоненты в контролируемых условиях. Впервые в мире было организовано промышленное производство клеточных культур женьшеня, ставшее прообразом современной фармацевтической биотехнологии.
2. Создание криобанка для долгосрочного сохранения генофонда. Раиса Бутенко обнаружила, что длительное субкультивирование может привести к утрате клетками способности синтезировать вторичные метаболиты, а также к генетической гетерогенности клеточных популяций in vitro.
Для решения этой проблемы ею были разработаны методы глубокой заморозки клеток в жидком азоте при температуре минус 196°C. Замороженные клетки сохраняли генетическую стабильность и жизнеспособность практически неограниченное время, что позволило создавать банки генетических ресурсов — предвестники современных биобанков.
3. Исследование протопластов — клеток растений с удаленной клеточной стенкой. Эта работа требовала освоения сложнейших ферментативных методик. Обрабатывая клетки специальными ферментами, Раиса Бутенко получала «голые» протопласты, лишенные жесткой клеточной оболочки. С такими протопластами стало возможным проводить уникальные исследования: изучать транспорт веществ, электрические свойства мембран, осуществлять генетические манипуляции, и, что особенно важно, сливать протопласты разных видов растений. В лаборатории Раисы Бутенко был получен первый в мире соматический гибрид картофеля, объединивший гены дикого и культурного видов, что заложило основы клеточной инженерии и современных трансгенных технологий.
4. Клональное микроразмножение — революция в растениеводстве. Раиса Бутенко показала, что апикальные меристемы in vitro свободны от вирусных инфекций. Это привело к разработке технологии оздоровления и микроклонального размножения растений, которая позволяла получить тысячи генетически идентичных растений за короткое время. Метод включал пять этапов: 1) выбор растения-донора, изоляция и стерилизация экспланта, помещение его на питательную среду in vitro; 2) стимуляция развития пазушных почек, микрочеренкование, индукция образования адвентивных почек или микроклубней без каллусогенеза; 3) укоренение полученных побегов и адаптация растений к условиям in vivo; 4) перенос растений в нестерильные условия теплицы на почву или искусственный субстрат; 5) подготовка растений к реализации или высадке в поле. Этот подход не только ускорял размножение в сотни раз, но и гарантировал получение здорового, генетически однородного посадочного материала.
5. Получение безвирусного посадочного материала. Культивирование меристем стебля или органов стеблевого происхождения позволило создавать безвирусный посадочный материал, что было критически важно для картофеля и других сельскохозяйственных культур. Оздоровленные растения затем размножались обычным методом клонального микроразмножения. Раиса Бутенко и ее коллеги разработали методы ускоренного размножения оздоровленного материала в пробирках или гидропонике, а также создали эффективную систему биореактора для получения микроклубней картофеля. Эти инновации значительно снижали потери урожая и улучшали качество семенного материала.
6. Получение растений с новыми свойствами через сомаклональную изменчивость. В культуре клеток частота мутаций оказалась выше, чем в естественных условиях, что создавало дополнительный источник генетического разнообразия для селекции. Раиса Бутенко получила первые сомаклональные растения табака с новыми признаками, продемонстрировав, что биотехнология способна не только сохранять существующие сорта, но и создавать принципиально новые.
Космический эксперимент и международное признание
Одним из самых необычных и символичных экспериментов стал полет клеток растений в космос. 25 ноября 1975 года биоспутник «Космос-782» вывел на орбиту контейнеры с клетками моркови. Этот совместный советско-американский проект, координируемый академиком Олегом Газенко, профессором Раисой Бутенко и профессором Ф. К. Стюардом, ставил целью ответить на фундаментальный вопрос: могут ли растительные клетки развиваться в условиях невесомости?
Двадцать дней клетки провели в космосе при температуре 20–24°C. Результат превзошел все ожидания: тотипотентные соматические клетки моркови в невесомости способны подвергаться морфогенезу и формировать жизнеспособные эмбриоиды, аналогичные тем, что развиваются под действием земной гравитации. Более того, корни у «космических» растений оказались даже длиннее земных — возможно, из-за отсутствия гравитационного стресса. Эксперимент не только подтвердил универсальность методов Раисы Бутенко, но и открыл перспективы для выращивания пищевых растений в ходе длительных космических миссий.
Международное признание не заставило себя ждать. В 1968 году монография Раисы Бутенко «Культура изолированных тканей и физиология морфогенеза растений» была переведена на английский язык и стала настольной книгой для биотехнологов по всему миру. С 1986 года она координировала масштабный проект стран СЭВ по клеточной инженерии, объединивший усилия СССР, Болгарии, Венгрии, Румынии, Чехословакии, ГДР, Монголии, Вьетнама и Кубы. За пять лет участники разработали около 20 биотехнологий, которые в два-три раза ускорили селекционный процесс и на 30–60% увеличили урожайность основных культур.
В Институт физиологии растений в Москву приезжали стажеры из десятков стран, чтобы изучать революционные методы. Раиса Бутенко подготовила более 40 кандидатов и 10 докторов наук, многие из которых основали собственные лаборатории по всему миру. Советская школа биотехнологии растений заняла одно из лидирующих мест в мире.
Секрет успеха Раисы Бутенко заключался не только в выдающемся научном таланте, но и в счастливом стечении личных качеств и обстоятельств. Она выросла в семье, где высоко ценились образование и трудолюбие, училась у выдающихся преподавателей Тимирязевской академии и работала в институте с великолепной научной атмосферой. Ее личная жизнь также сложилась удачно: 42 года она прожила в счастливом браке с военным летчиком и авиаконструктором Юрием Бутенко.
Сегодня культура клеток растений составляет основу современной биотехнологии. Лекарственные препараты, получаемые из клеточных культур, безвирусный посадочный материал, трансгенные растения, клональное размножение редких видов — все это берет начало в работах Раисы Бутенко. Женщина, которая в 1960-е годы научила растения расти в пробирке, заложила фундамент технологий, без которых невозможно представить современную медицину, высокопродуктивное сельское хозяйство, сохранение биоразнообразия планеты и космические исследования.
