Теория эволюции Дарвина говорит нам, что современные организмы превосходят предков. Однако последние исследования Китайской академии сельскохозяйственных наук и Аньхойского сельскохозяйственного университета привели к неожиданному выводу: «воскрешенный» древний инсектицидный белок Bt обладает гораздо более высокой инсектицидной активностью, чем его современные потомки — он эффективен против 9 видов чешуекрылых вредителей, а также способен уничтожать комаров, в то время как современные белки Cry2A могут контролировать лишь 3-5 видов вредителей.

I. «Тупик в разработке» инсектицидных белков Bt

Инсектицидные белки бактерии Bacillus thuringiensis (Bt) благодаря своей специфичности и экологической безопасности являются ключевой технологией зеленой борьбы с сельскохозяйственными вредителями и широко используются в трансгенных устойчивых к насекомым культурах и биопестицидах. Однако длительное однообразное применение привело к развитию у вредителей устойчивости к основным белкам класса Cry1A, что серьезно угрожает устойчивому развитию сельского хозяйства.

Поиск новых высокоэффективных широкоспектральных белков Bt, не обладающих перекрестной устойчивостью с Cry1A, стал насущной задачей для ученых всего мира. Но за последние несколько десятилетий, ни поиск новых белков из природных штаммов, ни модификация существующих белков методами белковой инженерии не позволили получить новое поколение высокоэффективных широкоспектральных инсектицидных белков, сопоставимых с белками Cry1A, что создало общепризнанный в отрасли барьер в разработках.

II. Научные инновации: заставляем древние белки «заговорить»

В марте 2026 года Исследовательская группа по изучению и использованию функциональных генов устойчивости к насекомым Института защиты растений Китайской академии сельскохозяйственных наук совместно с Аньхойским сельскохозяйственным университетом опубликовала прорывные результаты исследования в ведущем международном журнале Science Bulletin (импакт-фактор IF=21.1). Исследование впервые систематически применило технологию реконструкции предковых последовательностей (Ancestral Sequence Reconstruction, ASR) в области разработки инсектицидных белков Bt, предложив новую парадигму для преодоления вышеупомянутого тупика.

Инновация 1: Реконструкция 7 предковых генов, «воскрешение» древних инсектицидных белков

Исследовательская группа сосредоточилась на семействе белков Cry2, не обладающих перекрестной устойчивостью с Cry1A. Проведя филогенетический анализ и проследив эволюцию семейства Cry2A на протяжении десятков миллионов лет, команда успешно реконструировала и синтезировала 7 предковых генов (от Anc0 до Anc6) и добилась их растворимой экспрессии в кишечной палочке.

Инновация 2: Разрушение традиционного представления о том, что «современное лучше предкового»

Результаты биологических испытаний оказались ошеломляющими: предковый белок Anc0 продемонстрировал поразительную широкоспектральную инсектицидную активность — он был активен против всех 9 протестированных видов чешуекрылых вредителей (охватывающих основных сельскохозяйственных вредителей из семейств Noctuidae, Geometridae, Pyralidae и др.), а также против комара Aedes albopictus из отряда Diptera.

В отличие от этого, существующие современные токсины класса Cry2A (такие как Cry2Ae, Cry2Ah) эффективны лишь против 3-5 видов чешуекрылых, их спектр хозяев значительно уже. Это открытие полностью опровергает традиционное эволюционное представление о том, что «функции современных белков превосходят предковые», и показывает, что предковые белки представляют собой неиспользованный «ресурс широкоспектральных инсектицидных белков».

Инновация 3: Впервые раскрыта модель «флуктуирующей эволюции» белка Cry2A

Исследовательская группа далее проанализировала, как эффективность токсина Cry2A менялась с течением эволюционного времени, и впервые обнаружила, что она следует модели «флуктуирующей эволюции»: токсичность против ключевых сельскохозяйственных вредителей, таких как Noctuidae и Geometridae, не увеличивалась линейно, а демонстрировала нелинейные колебания по схеме «высокая — низкая — снова высокая».

Анализ данных показал, что такие колебания могут быть связаны с тем, что белок в процессе эволюции приобретал разные мишени воздействия на одних и тех же вредителей. Это ключевое открытие предлагает революционный подход к управлению устойчивостью современных вредителей: путем обращения к разнообразию мишеней предковых белков можно разрабатывать новые инсектицидные белки, распознающие разные участки, что в корне решает проблему устойчивости вредителей, возникающую при длительном использовании белков Bt.

Инновация 4: Предоставление «карты горячих точек» для белковой инженерии

Исследование не только «воскресило» высокоэффективный широкоспектральный предковый белок, но и путем сравнения последовательностей и структурного анализа точно определило ключевые функциональные сайты, определяющие инсектицидную активность, и «горячие точки» для инженерной модификации, предоставив точное руководство для последующего рационального дизайна еще более совершенных инсектицидных белков.

III. Технологическая сущность: Как технология ASR способствует разработке белков Bt

Технология реконструкции предковых последовательностей подобна «молекулярной палеонтологии» — сравнивая аминокислотные последовательности существующих белков и используя эволюционные модели, она позволяет вывести последовательности их общего предка, синтезировать их в лаборатории и проверить их функции.

Впервые систематически примененная в области инсектицидных белков Bt, эта технология имеет следующие ключевые преимущества:

Выход за пределы локального оптимума: традиционная белковая инженерия ограничена мелкими изменениями существующих белков, тогда как технология ASR позволяет исследовать гораздо большее пространство последовательностей и находить функции, «забытые» эволюцией;

Раскрытие закономерностей эволюции: реконструкция нескольких промежуточных узлов на эволюционном пути позволяет четко проследить историю функциональной эволюции, предоставляя теоретическое руководство для рационального дизайна;

Идентификация ключевых сайтов: сравнение различий между предковыми и современными последовательностями позволяет точно определить ключевые аминокислоты, ответственные за функциональные различия.

IV. Перспективы применения: Новый импульс для зеленой борьбы с вредителями

1. Прямое использование для разработки устойчивых культур и биопестицидов

Предковый белок Anc0 сам по себе может служить кандидатным геном для разработки новых трансгенных устойчивых к насекомым культур или микробных инсектицидов. Его широкий спектр активности может охватывать множество основных вредителей, что открывает широкие перспективы для промышленного применения.

2. Предоставление «арсенала для ротации» в борьбе с устойчивостью

Anc0 не обладает перекрестной устойчивостью с существующими белками класса Cry1A и может использоваться как «оружие для ротации» в управлении устойчивостью, замедляя или преодолевая эволюцию устойчивости вредителей к основным белкам Bt.

3. Дизайн белков, преодолевающих устойчивость, на основе модели «флуктуирующей эволюции»

Анализируя изменения мишеней воздействия белка Cry2A на одних и тех же вредителей на разных этапах эволюции, можно разрабатывать новые инсектицидные белки с комбинациями распознающих сайтов, решая проблему устойчивости на корню.

4. Расширение на поиск других функциональных белков

Это исследование предоставляет успешный пример применения технологии реконструкции предковых последовательностей в области сельскохозяйственной биотехнологии, который может быть расширен на другие семейства белков Bt и даже на поиск и модификацию других функциональных белков (например, белков устойчивости к болезням, белков устойчивости к стрессам).

V. Промышленное значение: Открытие новой «археологической» парадигмы в разработке белков Bt

Глубинная ценность этого исследования заключается в полном изменении парадигмы разработки белков Bt. Раньше ученые, подобно «старателям», тщетно искали новые белки в природных штаммах или вносили мелкие изменения в существующие белки, достигая ограниченных результатов. Теперь технология ASR превращает ученых в «археологов», позволяя им раскапывать забытые сокровища из эволюционной истории.

Как отметил исследователь Ли Синьхай из Института растениеводства Китайской академии сельскохозяйственных наук в своем комментарии в Science Bulletin: «Это исследование прорывает барьер в разработке инсектицидных белков, предоставляя успешный пример применения технологии ASR для анализа функциональной эволюции и рациональной модификации инсектицидных белков Bt, что имеет большое значение для продвижения зеленой борьбы с сельскохозяйственными вредителями».

Когда современные белки столкнулись с проблемой устойчивости, ключом к решению оказались древние предки — это не только победа технологии, но и победа эволюционного мышления.

Источник: Институт защиты растений Китайской академии сельскохозяйственных наук (Исследовательская группа по изучению и использованию функциональных генов устойчивости к насекомым), Колледж защиты растений Аньхойского сельскохозяйственного университета (Исследовательская группа по биологической борьбе); Авторы: автор-корреспондент — старший научный сотрудник Шу Чанлун (Институт защиты растений КАСХН); первый автор — лектор Ван Куй (Аньхойский сельскохозяйственный университет); среди соавторов — старший научный сотрудник Чжан Цзе, профессор Цао Хайцюнь, профессор Ляо Минь, лектор Цао Бэйбэй, профессор Бен Реймонд (Эксетерский университет, Великобритания) и др.; Название: Resurrecting the past: ancestral Bacillus thuringiensis pesticidal proteins reveal broad-spectrum insecticidal activity and protein engineering hotspots; Опубликовано в: Science Bulletin (март 2026 г.).