Как создать новые сорта растений, устойчивые к вредителям и обработке пестицидами? Как адаптировать культуры к постоянно меняющемуся климату? Эти задачи решают, в том числе, в Научно-исследовательской лаборатории «Математической биологии и биоинформатики» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.
Математика помогает биологии
Казалось бы, математическая биология и биоинформатика для политехнического вуза области не совсем профильные. Однако работа лаборатории, которую возглавляет доктор биологических наук, профессор Мария Самсонова, доказывает, что эти направления хорошо сочетаются и дополняют друг друга.
«Математика – это новый микроскоп для биологии, не зря ее считают царицей всех наук, – говорит ученый. – Сейчас для прогресса в биологии она играет такую же роль, как для становления физики в XVII веке. Благодаря успехам биологии развивается математика, и, наоборот, новые математические методы приводят к тому, что решаются задачи биологии. Эти области знания взаимно обогащают друг друга. Поэтому и появилась математическая биология».
Сегодня сотрудники лаборатории занимаются разработкой математических моделей, которые призваны поддержать агрокомплекс страны. В частности, помочь селекционерам получить культуры высокого качества. На этом пути много преград, где одна из основных – болезни растений. Причем многие из них провоцируются такими же «родственными» организмами. Например, фузариоз – заболевание, вызываемое грибком Fusarium. Оно поражает томаты, горох, кукурузу, ячмень, дыню, капусту и другие сельскохозяйственные культуры. Особенно уязвим лен, который широко применяется в текстильной промышленности, при производстве различных масел и т. д.
Паразиты атакуют!
«При слове лен многие в первую очередь представляют дорогую элитную одежду, – рассказывает Мария Самсонова. – Но он широко используется и в композитных материалах, а значит, судостроении, радиоэлектронике, производстве бытовых предметов, спортивного инвентаря, оконных рам для стеклопакетов и так далее. Также мы работаем над тем, чтобы получить геном, отвечающий за качество волокна, чтобы оно было более прочным, длинным и т. д. А теперь представьте, что из-за грибка Fusarium oxysporum f. sp. lini лен может просто исчезнуть. Поэтому нам надо постоянно вести селекцию, совершенствовать сорта. Ведь между растением и паразитом идет непрерывная борьба. Вредитель постоянно находит новые пути, чтобы обойти барьеры, которые создает растение, «изобретает» все более изощренные способы атаки. Это непрерывный процесс, и выход один – защищаться и получать сорта с повышенным запасом прочности. Кстати, чтобы вывести новый сорт, в среднем уходит двенадцать лет и более. С помощью генных механизмов процесс можно ускорить в полтора раза.
Добавим, что применение композитов, где матрицей служит полимерный материал, дает и значительный экономический эффект. В том числе в высокотехнологичных сферах. Например, использование таких материалов при производстве космической и авиационной техники позволяет сэкономить от 5 до 30% веса летательного аппарата.
А снижение веса искусственного спутника на околоземной орбите на 1 кг приводит к экономии 1000$. И во многих материалах, которые применяются в этих отраслях, используется лен».
Почему снижаются урожаи?
Но гриб-паразит опасен не только для льна. Этот вредитель представляет большую угрозу и для бананов. Он поражает корни растений, их структуру и вызывает так называемую «панамскую болезнь». Из-за смертельной напасти, уничтожающей целые плантации, за последние 70 лет уже исчезли несколько сортов бананов. А ведь сегодня эти тропические плоды остаются важнейшим продуктом питания и источником заработка для миллионов людей по всему миру.
«Известно, что грибок может сохраняться в почве от 30 до 50 лет, обработка химикатами зараженной территории ожидаемого эффекта не даст, – раскрывает детали М. Самсонова. – Поэтому мы пытаемся понять механизм его воздействия на культуры. Наша цель – расшифровать геномы грибков и сделать растения устойчивыми к их разрушительному воздействию, другим негативным явлениям. На данный момент этот способ считается наиболее действенным. Также одна из фундаментальных задач – определить, как геном организован и как гены формируют признаки растения».
Как подтвердили сотрудники лаборатории, если выяснить, какая часть генома заставляет растения гибнуть, можно в будущем ее изменить и таким образом остановить распространение микроорганизмов-разрушителей.
Еще одна задача лаборатории – приспособить культуры к меняющемуся климату. Он становится другим, и сорта, которые раньше были очень урожайными, сегодня теряют свою силу. Поэтому столь важно адаптировать ростки к окружающей среде и тем самым обеспечить их высокую продуктивность. Кроме того, никто не отменял и конкуренцию, борьбу за рынок продовольствия, которая неприкрыто ведется между странами.
В этой работе значительную роль играет математика. Она помогает проанализировать большие объемы данных. Ведь та же запись ДНК содержит сотни миллионов букв, и расшифровать ее вручную невозможно.
Уже достигнуты серьезные успехи. В прошлом году группа исследователей из Политехнического университета, СПбГУ и Федерального научного центра лубяных культур впервые в мире расшифровала геном грибка Fusarium oxysporum f. sp. Lini.
А это значит, что у льна, банана и многих других агрокультур, которые сегодня находятся в зоне риска, есть реальный шанс на спасение.
Кстати
В 2005-м ученые расшифровали геном хорошо всем знакомого риса. В его 12 хромосомах биологи обнаружили 37 544 гена, часть из которых продублированы в нескольких местах. Работа над проектом шла 14 лет, в ней приняли участие представители десяти стран. Данные о структуре хромосом занимают около 400 мегабайт и находятся в свободном доступе. Практика показала, что результаты прорыва ученых положительно сказались на развитии сельского хозяйства и решении аграрных проблем во многих странах мира.
Что за двигатель на марсианском песке создали в Петербурге? 
Почему вымерли мамонты? 
Ученый из Петербурга рассказал, когда закончится пандемия COVID 
Сила кванта. В Петербурге разрабатывают прорывные технологии для медицины