Na mizerię, do kiszenia, konserwowy… A jeszcze są przecież dojrzałe pikle i małe, cienkie korniszony. Nie, nie, najnowszego przepisu na to, co zrobić z ogórkiem, tutaj nie będzie. Jeśli już, to recepta na sukces z… ogórkiem w roli głównej. I wcale nie kulinarna, a naukowa. Nieprawdopodobne?

AZJA INSPIRUJE

Cucumis sativus znany jest już od siedmiu tysięcy lat. Śpiewano o nim piosenki, a i w literaturze nie brakuje ogórkowych akcentów. Na warsztat wzięli go też uczeni. Dr hab. Wojciech Pląder ze Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie uczynił ogórek bohaterem swoich badań. I, co ciekawe, odniósł sukces na skalę światową.

– Ku mojemu zaskoczeniu, po opublikowaniu przez nas w największej i najbardziej kompletnej, jeśli chodzi o biologię molekularną, bazie National Center for Biotechnology Information, pełnej sekwencji genomu chloroplastowego ogórka, pojawiła się podobna praca, wykonana przez zespół koreański. To dodatkowa satysfakcja. Uprzedziliśmy konkurentów, którzy prowadzili badania równolegle z nami. Jednak to my pierwsi dostarczyliśmy sekwencje do bazy danych – nie kryje dumy kierownik Międzywydziałowego Studium Biotechnologii SGGW.

Kontynent azjatycki przewija się niemal bez przerwy w jego opowieści. Nie może być inaczej, skoro właśnie stamtąd, a konkretnie z Indii, ogórek przywędrował do Europy. I to tam, w Azji, nieco ponad dwie dekady temu dokonano całkiem nowatorskiego osiągnięcia, jakim było „rozszyfrowanie” roślinnego genomu. Na pierwszy ogień poszedł wówczas tytoń, a zajmowali się nim badacze dowodzeni przez prof. Masahiro Sugiurę z Nagoi. Prędzej czy później obaj uczeni musieli się spotkać. Kiedy pojawiła się okazja wyjazdu na roczny kontrakt do laboratorium prof. Sugiury, i to na jego zaproszenie, dr Pląder nie zastanawiał się ani przez chwilę.

– Na początku było dość sympatycznie, aczkolwiek nie wylewnie. Dopiero później zorientowałem się, że to sprawa sposobu bycia Japończyków. Niemniej, sensei zawsze był do mnie życzliwie nastawiony, nigdy nie odmówił spotkania. Myślę, że obok prof. Stefana Malepszego był osobą, która w dużym stopniu ukształtowała moją ścieżkę zawodową.

Dr Pląder miał wyjątkowe szczęście, bo po 12 miesiącach uzyskał z kolei stypendium rządu japońskiego i mógł zostać na kolejny rok. Przebywając w Japonii przez prawie dwa lata zdążył „zarazić” się nie tylko tamtejszą kulturą, ale przede wszystkim chloroplastami.

– Japonia to mój „konik” i mógłbym mówić o tym godzinami. Udało mi się bez trudności zaadaptować do tamtych warunków, choć znam ludzi, którzy uciekali po 3−4 miesiącach. W trakcie pobytu zajmowałem się najpierw transformacją chloroplastów tytoniu, a potem – translacją in vitro genów chloroplastowych tytoniu. Po wielu rozmowach z profesorem Sugiurą zacząłem zastanawiać się nad ogórkiem. Mimo iż sensei ostro studził mój zapał – wspomina trudne początki dr Pląder.

Jak się okazało, zupełnie niepotrzebnie. Już wtedy, tam na miejscu, w Japonii, wiedział, że musi podjąć wyzwanie. Kiedy rozpoczynał swoje badania, odczytanych było jedynie piętnaście genomów roślinnych. W SGGW niejako naturalnym obiektem badawczym wydawał się być ogórek. Zajmują się nim już od kilkudziesięciu lat. To właśnie w tej uczelni powstały takie odmiany, jak Polan F1, Dar, Tessa F1 czy Malaga F1.

– Nie jesteśmy firmą hodowlaną i nowych odmian nie wytwarzamy zbyt dużo, aczkolwiek nasiona tych, które wytworzyliśmy, są reprodukowane i dostępne w ciągłej sprzedaży – tłumaczy dr Wojciech Pląder, który swoje badania prowadził na starej, przedwojennej jeszcze odmianie Borszczagowski, niespotykanej już raczej na polskich polach.

– Posiadamy wysoce wsobną, czyli homozygotyczną linię tej odmiany i większość prac jest wykonywana przy jej użyciu. To sprawia, że mamy wyjątkowy materiał biologiczny i dzięki temu możemy otrzymane wyniki bez utrudnień ze sobą porównywać. W naszym laboratorium mamy bogatą kolekcję mutantów i somaklonów ogórka, linii haploidalnych czy izogenicznych oraz kolekcję różnych linii transgenicznych – opisuje.

Ze znalezieniem materiału do badań nie było więc problemu. Optymizmu i zapału też nie brakowało, wszak tylko tym tłumaczyć chyba można porywanie się na coś, czym zajmuje się kilkanaście, może kilkadziesiąt ośrodków na świecie, i to wcale nie najbiedniejszych. Czyste szaleństwo. Ale niekiedy ryzyko popłaca. Tak było i w tym przypadku. I chociaż od momentu pionierskiego sekwencjonowania genomu rośliny minęło nieco ponad dwadzieścia lat, a w tym czasie udało się odczytać również genom ludzki, dr Pląder jest pewien jednego: „rozszyfrowanie” genomów roślinnych będzie miało również praktyczny wymiar.

– Odczytanie całego genomu, czyli w zasadzie poznanie informacji genetycznej niezbędnej do funkcjonowania rośliny, pozwoli na identyfikowanie tych genów, których mutacje powodują różnego rodzaju niedoskonałości. Będzie można opracować mechanizmy kontrolujące wzrost rośliny, a nawet modyfikować ją genetycznie poprzez wymianę fragmentów DNA i usuwanie z genomu konkretnych genów. W ten sposób unikniemy odmian niezdolnych do rozwoju w obliczu niekorzystnych czynników, na przykład niskiej temperatury czy braku światła.

KONSERWATYWNE GENY

W trakcie badań przez dłuższy czas nie udawało się uzyskać długich fragmentów DNA chloroplastowego przy zastosowaniu techniki PCR, czyli łańcuchowej reakcji polimerazy. Chodziło o fragmenty zawierające od 7 do ok. 25 tys. par zasad. Sprawdzono kilka zestawów do tego typu reakcji i nic. Dwa miesiące minęły, a prace stały praktycznie w miejscu. To był trudny okres. Nadzieja pojawiła się dopiero po konsultacjach z japońskim zespołem prof. Sugiury. Ten, choć już na emeryturze, nadal aktywnie pracuje i dla wielu młodych naukowców stojących u progu kariery jest niekwestionowanym autorytetem w sprawach związanych nie tylko z chloroplastami.

– Profesor pomógł w amplifikacji, czyli namnożeniu tych fragmentów. Następnym etapem było samo sekwencjonowanie. Wykonaliśmy je w japońskiej firmie Shimadzu. W tej chwili jest to już standard. Gdybyśmy chcieli to zrobić samodzielnie, zajęłoby to nam około roku. W przypadku przedsiębiorstwa komercyjnego trwało to dwa tygodnie. A dzisiaj byłoby jeszcze krócej. Rozwój techniki jest tak szybki, że obecnie czekalibyśmy niecały tydzień.

Po otrzymaniu sekwencji dr Pląder przystąpił do analiz komputerowych. Wstępne wyniki wskazywały na to, że udało się otrzymać sekwencje opisujące niewiele ponad 70 proc. genomu. Pozostałą część trzeba było dorobić we własnym zakresie. Prace polegały na żmudnym projektowaniu starterów do reakcji PCR i amplifikacji krótkich tym razem fragmentów – od 500 do 5−6 tys. par zasad. Następnie w Instytucie Biochemii i Biofizyki PAN w Warszawie metodą kroczenia po chromosomie dokonano ich sekwencjonowania. W kolejnym etapie dołączano je do istniejących fragmentów, tak aby w efekcie końcowym otrzymać całość w formie zamkniętego, kolistego genomu chloroplastowego. To, co miało nastąpić potem, wyglądało już na przysłowiową bułkę z masłem. Pozostało bowiem „tylko” sprawdzić poprawność struktury, zanalizować ją, wyodrębnić geny i obszary podejrzane o to, że mogą kodować informację i porównać je do innych, opisanych genomów chloroplastowych.

– Udowodniłem, że genom chloroplastowy ogórka ma dokładnie 155 293 pary nukleotydów. W dużej mierze potwierdziłem również znane wcześniej informacje dotyczące tego, że genomy chloroplastowe roślin są do siebie bardzo podobne. Geny są wysoko konserwatywne, to znaczy bardzo podobne u różnych gatunków – wyjaśnia dr hab. Wojciech Pląder.

„Rozszyfrowanie” ogórka zostało zakończone, ale prawdziwym wyzwaniem jest teraz poznanie funkcji poszczególnych genów. Ich struktura bowiem to nie wszystko. Znacznie bardziej skomplikowane jest dojście do tego, w jaki sposób one współdziałają. To całkiem świeża sprawa, którą dr Pląder dopiero zaczyna się zajmować. Do tej pory mógł analizować jedynie za pomocą programów komputerowych, które wykonywały pewne symulacje. Teraz możliwe stało się zdobycie wielu informacji szczegółowych, jak chociażby występowanie miejsc redagowania informacji genetycznej i ich znaczenie. Przy okazji okazało się, że ogórek, choć najczęściej można go pomylić z melonem, bardziej spokrewniony jest z żeń−szeniem.

– Może to wskazywać na nieznany dotąd wspólny epizod z historii obu gatunków – tajemniczo odpowiada badacz.

Sekwencjonowanie i analiza genomów nie są procesami łatwymi. Od chwili rozpoczęcia prac do opublikowania sekwencji w bazie komputerowej upłynęły prawie dwa lata. Oprócz czasu wymagają również doskonałego przygotowania bioinformatycznego, a także sporych funduszy. Chociaż, ku uciesze polskich badaczy, ten ostatni czynnik nie jest już wiodący.

– Trzeba pamiętać, że ta czysto ambicjonalna i zupełnie niezamierzona rywalizacja z zespołem koreańskim, który także w tym samym czasie prowadził identyczne badania, rozgrywała się też na polu finansowym. Azjatyckie ośrodki dysponują wszakże olbrzymimi budżetami na badania biotechnologiczne. Mój przykład pokazał, że to już teraz nie ma aż takiego znaczenia. Do niedawna badania te były bardzo kosztowne. Ostatnio to się bardzo szybko zmienia i możliwość dostępu do laboratoriów mają też naukowcy z mniejszymi budżetami – podkreśla z nieukrywaną satysfakcją dr Pląder.

NIEOBOJĘTNIE OBOK OGÓRKA

Nie tylko on w Katedrze Genetyki Hodowli i Biotechnologii Roślin SGGW zajmuje się genomem ogórka. Ten odczytany przez niego – chloroplastowy, odpowiadający za fotosyntezę – jest jednym z trzech występujących w komórce roślinnej, a w dodatku tym najmniejszym. Oprócz niego są jeszcze dwa inne. Nad genomem mitochondrialnym, kontrolującym procesy energetyczne w roślinie, pracuje dr Grzegorz Bartoszewski z zespołu prof. Katarzyny Niemirowicz−Szczytt. Z kolei największy, który odpowiada za wszystkie cechy fenotypowe rośliny – genom jądrowy, z liczbą nukleotydów sięgającą nawet miliardów – jest domeną prof. Zbigniewa Przybeckiego. Jego zespół stworzył już kompletną bibliotekę genomową, zwaną BAC (Bacterial Artifical Chromosome).

– Spełniają się więc powoli marzenia wieloletniego szefa naszej katedry, prof. Stefana Malepszego, o poznaniu wszystkich tajemnic molekularnych ogórka.

W swoim dorobku naukowcy ze Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego mają już opracowanie systemów regeneracji ogórka w kulturach in vitro, począwszy od regeneracji z protoplastów, a skończywszy na opracowaniu systemów uzyskiwania dużej liczby zarodków somatycznych, które mogą być w przyszłości wykorzystywane jako sztuczne nasiona. Poznali też systemy transformacji jądrowej, określili wzory chromosomów i opracowali metodę uzyskiwania mutantów mitochondrialnych. Wiedza o genomie chloroplastowym będzie przydatna głównie do precyzyjnych badań genetycznych i rozwoju biotechnologii tego gatunku. Tym bardziej że to najdokładniej na świecie zbadany genom z rodziny dyniowatych.

– Możliwości wykorzystania wyników moich prac jest wiele. Po pierwsze, daje to przyczynek do kompleksowych badań nad udziałem informacji zawartej w chloroplastach w kształtowaniu cech o znaczeniu praktycznym. Zamierzamy koncentrować się na odporności na stresy, szczególnie niskiej temperatury. Wiadomo przecież, że ogórek jest bardzo wrażliwy na chłód. Już spadek temperatury do +10 stopni może poważnie zachwiać uprawą. Drugi wątek to uzupełnianie informacji zawartej w chloroplastach o nową, pomocną w uprawie lub dającą nowe możliwości wykorzystywania, na przykład do produkcji leków. Tu wchodzą w grę modyfikacje genetyczne – wyjaśnia dr Pląder.

Znajomość genomu chloroplastowego z pewnością przyczyni się również do hodowli nowych odmian, odpornych choćby na zagrożenia czynników zewnętrznych. Być może dojdzie do tego, że niektóre nie będą potrzebowały do wzrostu tak wiele światła. A co z ogórkami kiszonymi czy konserwowymi? Czy je także dosięgnie biotechnologia?

– Co do przetwórstwa, to trudno przewidzieć przyszłość tych badań, ale dziś nie jesteśmy w stanie tego całkowicie wykluczyć – zaznacza dr Pląder, który w Polsce jest niejako pionierem. Dokonał rzeczy wcześniej zdawałoby się niemożliwej. Jeszcze nikt przed nim nie odczytał genomu rośliny. Na świecie udało się to też nielicznym. Do tej pory zsekwencjonowano genomy blisko czterdziestu roślin. Po tytoniu przyszła kolej na ryż, kukurydzę, pomidory, a nawet tak oryginalne, jak rzodkiewnik. Polski naukowiec dopisał do tej listy całkiem niepozorny ogórek. Ale dzięki temu już teraz nikt nie będzie mógł powtarzać za Konstantym I. Gałczyńskim:

Mijają lata, zimy,

raz słoneczko, raz chmurka,

a my obojętnie przechodzimy

koło niejednego ogórka.