Зачем генетики редактируют «второй хлеб»?
В подмосковном Рогачеве прошла научно-практическая конференция «Система CRISPR/Cas в редактировании геномов картофеля и других культур»
Американские дизайнеры и футуристы, которых интересует, как будет выглядеть еда будущего, придумали CRISPR-чипсы, Potato CRISPRs (игра слов — чипсы по-английски называются crisps). Эти «идеальные» чипсы сделаны из картофеля, который с помощью геномного редактирования довели до совершенства; правда, в чем именно оно заключается, авторы концепта не уточняют. На самом деле чипсы из CRISPR-картофеля, хоть и не совершенного, при желании можно сделать хоть сегодня, причем и в России.
Прямо сейчас на одном подмосковном поле в селе Рогачево растет генетически отредактированный картофель. Растения на основе сорта «Чикаго» сделали и посадили специалисты компании «Дока — Генные Технологии», Института биоорганической химии РАН и Научно-исследовательского института физико-химической биологии МГУ в рамках проекта по гранту Российского научного фонда. Картошку там уже копали, но купить в магазине и съесть ее не получится — пока это строго научная история. И на вид клубни, само собой, ничем не отличаются от обычных: «в лицо» этот CRISPR-картофель вы не узнаете.
«Картофель [для проекта по генетическому редактированию] был взят как полигон. Во-первых, мы никогда не должны забывать, что картофель для России — второй хлеб, очень чувствительная культура. Второе — это та культура, на которой очень многие вещи можно попробовать», — заявил помощник президента Андрей Фурсенко на большом картофельном форуме группы компаний «ДокаДжин», куда входят разработчики генетически отредактированного картофеля.
Картофель, по статистике Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН, — пятая в мире сельхозкультура по объему производства после сахарного тростника, кукурузы, пшеницы и риса. В 2016 году во всем мире вырастили не менее 376 миллионов тонн картофеля, Россия по объему производства стоит на третьем месте (Белоруссия — на одиннадцатом). При этом какая-то часть этого картофеля вполне может быть генетически модифицированной: ГМ-сорта одобрены к коммерческому выращиванию в Европе в 2010 году, а в США — в 2014 году.
Первый блин из ГМ-картошки вышел комом: сорт, устойчивый к колорадскому жуку, Monsanto разработала в середине 1990-х годов. «Фермеры тут же стали его использовать, так как это снижало их затраты и увеличивало урожайность. Однако крупные ритейлеры и перерабатывающие компании отказывались его покупать, не желая брать на себя риски, связанные с непредсказуемой реакцией покупателей, без каких-либо выгод. В итоге спустя четыре года этот ГМ-картофель пропал с рынка», — рассказывает N + 1 Марк Гислен, руководитель программ в Международном центре картофеля (CIP).
Интересные признаки
В CIP генетической модификацией картофеля занимаются уже 30 лет. В частности, эксперты центра получили картофель, устойчивый к картофельной моли, вирусу скручивания листьев картофеля и фитофторозу. Пер Хофвандер из Шведского института сельскохозяйственных наук говорит, что его группа работает над качеством картофельного крахмала, а параллельный коллектив занимается устойчивостью к грибковым заболеваниям. В целом проектов по редактированию генома картофеля достаточно много, причем помимо CRISPR/Cas у всех на слуху и другие методы: так, в компании Calyxt из американского штата Миннесота разработали сорт картофеля, у которого с помощью рестриктаз TALEN отключили ген, ответственный за превращение сахарозы в глюкозу и фруктозу. Такой картофель дольше хранится, а при его жарке образуется меньше акриламида, который считается канцерогеном.
«Есть много интересных нам признаков, которые можно было бы получить с помощью генетического редактирования, потому что на традиционную селекцию нужно очень много времени. В 2005 году на рынок вышел сорт картофеля, у разработчиков которого ушло 46 лет на то, чтобы получить один новый ген устойчивости к фитофторе», — объясняет Гислен. По его словам, приоритеты зависят от среды, в которой выращивается картофель. Там, где растением занимаются мелкие фермеры, важно повысить урожайность и сократить использование химикатов. С ним согласен и Хофвандер: «С точки зрения устойчивого развития, на мой взгляд, важно уменьшать расход ресурсов — воды, удобрений, фунгицидов и так далее, это приоритет».
Марк Гислен уверен, что если выбор будет за фермерами, генетически отредактированный картофель обязательно появится на прилавках. «В ближайшем будущем, по нашему мнению, многие развивающиеся страны, в частности в Африке, начнут сажать картофель, устойчивый к фитофторозу, поскольку фермеры теряют урожай, не имея возможности использовать дорогие фунгициды», — считает Гислен.
С потребителями все несколько сложнее: даже если отложить в сторону «традиционное» неприятие ГМО, иногда модификация гена-мишени приводит и к нежелательным последствиям, например для урожайности, что неизменно сказывается на цене. «Простой пример: если [в картофеле] много амилопектина, то его гликемический индекс достаточно высокий. Желательно снизить количество амилопектина, и тогда картофель будет более здоровой пищей. Но при этом падает урожай, и вопрос — готово ли наше население к покупке более здорового продукта по более высокой цене?» — рассказал на форуме Михаил Тальянский, руководитель лаборатории молекулярных основ стрессоустойчивости растений ИБХ РАН.
Первый же вопрос от зрительного зала на форуме предсказуемо касался безопасности генетически отредактированных растений для здоровья человека. Несколько неожиданно на него взялся ответить Фурсенко, который начал с того, что мутации в результате традиционной селекции — это, строго говоря, тоже генетическая модификация растения как «некоторое ускорение природных процессов, но не их слом, не движение против природы». «Главная проблема — не перейти тонкую грань, когда мы берем на себя функцию господа Бога, условно говоря. Мне представляется, что те технологии [геномного редактирования], которые мы сегодня обсуждаем, как раз не переходят эту грань», — сказал Фурсенко.
Сделано в России
Геномы растений — достаточно слабо изученная область по сравнению с геномами животных и человека, говорит Дмитрий Мирошниченко из лаборатории экспрессионных систем и модификации генома растений «БИОТРОН» в Институте биоорганической химии РАН. Тем не менее, это не мешает биологам работать с ними: по подсчетам ученого, геномному редактированию тем или иным методом подверглись 43 вида высших растений. CRISPR/Cas для геномного редактирования используют, и весьма активно, с 2012 года, на эту технологию приходится около 90 процентов всех опубликованных в этой области работ.
Всего в геноме картофеля 844 миллиона пар нуклеотидов и 39 тысяч генов (для сравнения, в недавно прочитанном геноме пшеницы более 17 миллиардов пар нуклеотидов и более 107 тысяч генов). Первую версию генома для одного из сортов картофеля международный консорциум по его секвенированию (PGSC) опубликовал в 2011 году, частично работа завершена и для второго сорта. «В принципе, при желании [с помощью технологий геномного редактирования] мы можем понять работу и функцию всех генов, которые существуют у растений. Естественно, для этого нужны большие затраты, потому что количество генов огромно, и многие из них остаются совершеннейшими белыми пятнами», — сказал Мирошниченко на форуме.
Генетически отредактированный картофель у группы, в которой работает ученый, получился двух сортов. У одного из них «нокаутирован» ген коилина — белка, играющего роль в защитном ответе растений на заражение вирусами и в ответе на абиотический (например, солевой) стресс. Новый сорт в полевых испытаниях, где, в частности, оценивался внешний вид растения и состояние его листьев, показал повышенную устойчивость к засолению почвы и к Y-вирусу картофеля — одному из самых опасных для семенного картофеля патогенов (потери урожая для зараженных растений доходят до 85 процентов). У второго сорта частично «выключили» ген вакуолярной инвертазы, определяющей содержание крахмала и сахаров в клетках. Так получился картофель с пониженным содержанием редуцирующих сахаров, придающих ему сладковатый вкус, — и при производстве тех самых чипсов из такого картофеля образуется меньше акриламида. Эти гены выбрали после почти 10 лет исследований их функций.
Гидовые РНК, необходимые для редактирования нужных участков генома, в отличие от белка Cas9, уникальны: их нужно разрабатывать и синтезировать для каждой новой задачи. Дизайном таких РНК для эксперимента занимались в НИИ физико-химической биологии. Для доставки комплекса из нуклеазы и гидовой РНК в ядро клетки ученые применили разработанный ими метод вакуумной инфильтрации, при котором хитозановые наночастицы проникают в растительную клетку за счет создания отрицательного давления. Это позволяет не использовать плазмиду и не добавлять в клетку чужеродную ДНК (когда-нибудь это будет важно в России, где ГМ-растения по закону «содержат генно-инженерный материал, внесение которого не может являться результатом природных (естественных) процессов»).
ГМО — не ГМО
Для генетически отредактированного картофеля под Дмитровом вопрос о классификации ГМО пока не стоит — по словам Тальянского, это исключительно научный проект, далекий от каких-либо коммерческих перспектив. Тем не менее, вопрос о том, куда относить CRISPR-растения, поднимало сразу несколько докладчиков, в том числе и сам Тальянский. Обсуждение этой проблемы активизировал Европейский суд, который в июле этого года фактически приравнял такие разработки к ГМО на территории ЕС. В США регуляторы придерживаются противоположной позиции, мотивируя это тем, что CRISPR- и другие генетически редактированные растения фактически неотличимы от продуктов, полученных традиционными методами селекции.
Чтобы понять, почему ЕС и США пришли к таким разным выводам, полезно знать, что такое Картахенский протокол по биобезопасности, объясняет N + 1 Александр Игнатов, директор по науке исследовательского центра «ФитоИнженерия». Это международное соглашение, вступившее в силу в 2003 году, относит отредактированные растения к понятию «живой измененный организм» (living modified organism, LMO). Считается, что это понятие функционально тождественно ГМО, потому что так протокол называет «любой живой организм, обладающий новой комбинацией генетического материала, полученной благодаря использованию современной биотехнологии», говорит Игнатов. «Понятие «современная биотехнология» означает, в том числе, и применение методов in vitro с использованием нуклеиновых кислот, включая рекомбинантную ДНК и прямую инъекцию нуклеиновых кислот в клетки или органеллы. Это дополнение формально относит растения, полученные с гидовой РНК, к классу ГМО», — добавляет ученый.
ЕС ратифицировал Картахенский протокол, а США нет — поэтому американцы могут руководствоваться собственными представлениями о том, что является и не является ГМО. «Россия не ратифицировала Картахенский протокол, поэтому, с юридической точки зрения, мы на стороне США. У нас принято определение ГМ-растений, которое оставляет шанс для использования растений с CRISPR/Cas9 мутациями, не связанными с трансформацией генами CRISPR/Cas9», — говорит Игнатов.
«Оставляет шанс» — довольно зыбкая и ненадежная формулировка, когда речь идет о коммерциализации разработок, но никто из выступавших на форуме не взялся даже предположить, кто именно должен внести ясность в этот вопрос. «Окончательный вывод должны делать специалисты как в сельском хозяйстве, в медицине, так и в юриспруденции. Я жду, что будут созданы достаточно разноплановые рабочие группы, которые этот вопрос всесторонне обсудят», — сказал N + 1 Андрей Фурсенко, главный представитель российского государства на картофельном форуме. «При этом надо, чтобы участвовали политики, — понимаете, без них все равно не обойтись. Но очень важно, чтобы политики, участвуя в этих группах, не навязывали свою точку зрения, а выслушивали экспертов», — добавил советник президента.
Представитель компании «Дока – Генные Технологии» Сергей Банадысев в своем докладе на форуме так резюмировал итоги работ по геномному редактированию растений (не уточнив, правда, распространяется ли этот вывод на их собственные эксперименты): «Первоначальный ажиотаж и эйфория в отношении безграничных возможностей геномного редактирования постепенно трансформируются в понимание сути специфических возможностей селекционной работы». Михаил Тальянский в беседе с N + 1 не согласился с такой позицией. «Я бы не сказал, что ажиотаж сменился — по-моему, ажиотаж продолжается, и неоправданный. Не нужно рассматривать геномное редактирование как панацею от всех бед. Ну научимся мы редактировать — а какие гены, вот вопрос. Нужно изучить функции всех генов, выбрать те, которые нужно редактировать — эта область вообще заброшена», — заключил ученый.
Ольга Добровидова