О вмешательстве в геном растений

Интервью с заведующим лабораторией системной биологии ИОГен РАН

  Институт общей генетики РАН выиграл грант на разработку вычислительных методов для обеспечения редактирования геномов растений. Зачем это нужно, какие перспективы открывает и какие опасности таит? Почему люди по-прежнему боятся ГМО и не будет ли такого с генным редактированием? Отвечает не биолог, а доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН Всеволод Макеев, заведующий лабораторией системной биологии и вычислительной генетики Институт общей генетики им. Н. И. Вавилова.

  — Всеволод Юрьевич, вы физик, программист. Что вы делаете в биологическом институте?

  — Современная биология использует экспериментальные методы, и появляются большие данные, требующие огромных мощностей для обработки и искусственного интеллекта для интерпретации. Люди с физико-математическим, вычислительным образованием становятся незаменимыми при планировании таких экспериментов. Появились новые области: биоинформатика, вычислительная генетика, методы, связанные с искусственным интеллектом, еще не получившие своего названия. Все это входит в рутинную практику.

  — Вы получили грант на исследование потенциала геномного редактирования для селекции растений. Что предстоит сделать?

  — Грант называется «Исследование потенциала геномного редактирования в контексте современных методов селекции растений, основанных на достижениях функциональной геномики и машинного обучения» и нужен для выполнения федеральной программы развития генетических технологий, принятой в 2019 году. Вообще у программы много проектов, работает несколько институтов, консорциумы рабочих групп, индустриальные партнеры. Наш проект посвящен созданию генетических технологий для сельского хозяйства.

  — Зачем это нужно? Многие считают, что внедрять генетические технологии в сельское хозяйство совершенно ни к чему. Веками сажали картошку и нормально себя чувствовали.

  — На то есть масса разных причин, а главная — растений, выращенных прежними методами, сейчас попросту не хватает, чтобы прокормить население. Климат меняется, становится менее устойчивым, а традиционные технологии истощают поля. Земля уже неспособна давать необходимые урожаи. Традиционные технологии изначально создавались для применения на относительно небольших фермах, например, можно повысить урожайность на какое-то время путем засевания части полей многолетними травами. В некоторых странах такие методы и сейчас применяются, но их трудно масштабировать, особенно для таких больших стран, как наша.

  Традиционным сельским хозяйством сложнее управлять. Если вы хотите создавать большое технологичное производство с полями, уходящими за горизонт, то кроме опыта и интуиции фермера надо во все большей степени руководствоваться расчетами и четкими решениями, однозначно привязанными к контролируемым условиям местной среды. Это наш случай.

  — Что сейчас происходит с сельским хозяйством в мире, как оно меняется?

  — Сейчас развитие сельского хозяйства, особенно создание новых сортов, переживает качественный скачок, переходит на новый уровень, и связано это с тем, что появились методы чтения и редактирования геномов. Если раньше создатели новых сортов должны были опираться на какие-то признаки, то сейчас человечество научилось довольно дешево анализировать индивидуальные геномы растений. Теперь не нужно, опираясь на опыт селекционера, годами разглядывать и измерять растения, чтобы по косвенным признакам отобрать линии с необходимыми свойствами, новые полезные сорта.

  Есть надежда, что ученые смогут делать все это намного более целенаправленно и быстро.

  Уже сегодня можно получать гибриды с теми или иными хозяйственными признаками, скрещивая известные линии растений, которые этими признаками не обладают.

  Это может быть, например, пшеница, устойчивая к засухе или вредителям, или свекла, устойчивая к вирусу, вызывающему болезни этого растения, из-за чего можно потерять большую часть урожая. Сейчас в Великобритании проводится такая работа.

  — Не получится ли так, что ученые забракуют какой-то признак, который на самом деле нужен этому растению для полноценной жизни и эволюции?

  — Вы правы, такая опасность есть. Растение обладает множеством потенциальных свойств, нужных ему, чтобы выживать в условиях сильно меняющейся внешней среды. Животное может убежать, спрятаться, уйти в тень или выйти на солнце, а растение так сделать не может, но должно реагировать на все это изменением своей физиологии. Мы можем этого не знать, не видеть, но должны учитывать многообразие всех этих реакций, их важность для жизни растений, чтобы не потерять какой-нибудь ценный хозяйственный признак. В этом и есть наша задача.

  — Какова ваша роль в этой программе?

  — Западная система такого рода выглядит примерно так: есть большая теплица с искусственным освещением, где вы можете варьировать освещенность, влажность, температуру и прочие параметры, где высаживают растения с контролируемыми геномами и измеряют у них большое количество признаков. Эти признаки сейчас измеряют роботизированные автоматические станции, которые все это фотографируют, а если у вас имеется опытное поле, то над ним может летать дрон и делать фотографии, причем не только в видимом, но, например, в инфракрасном диапазоне. Все эти показатели нужно получить на очень большом количестве экземпляров растений и сопоставить с известной информацией о генетическом контроле признаков.

  Конечно, это задача для тех, кто владеет информационными технологиями. Все это невозможно осуществить без компьютерных программ и искусственного интеллекта. Поэтому наша роль здесь крайне важна.

  — Какие конкретные задачи перед вами стоят?

  — У нашего проекта три цели. Первая связана с тем, что в России сейчас нет таких мест, где была бы развита агрогенетика на уровне передовых или даже не очень передовых стран. Например, в Индии и в Китае есть очень сильные исследовательские центры, где работают с культурами на очень приличном уровне. Наша задача — создать консорциум из нескольких университетов и исследовательских институтов РАН, в нашем случае это Институт проблем передачи информации, Московский государственный университет, Сколковский институт науки и технологий, Институт молекулярной биологии и наш ИОГен. Состав должен быть такой, что каждый участник консорциума имеет разные компетенции, но общими усилиями консорциум будет в состоянии провести проект от тестирования тех или иных геномных вариантов до получения линий растений с характерными признаками.

  — А вторая цель?

  — У нас большой образовательный потенциал. В ходе проекта мы должны преподать три курса, посвященных генетике растений, а также высокопроизводительным методам анализа генома и его направленной модификации. У нас будут обучаться не менее двух сотен студентов и молодых ученых, которые интересуются этими направлениями. Мы довольно много сил вложили, чтобы разработать эти курсы, и сейчас у нас есть четкая их концепция. Разрабатывается подробная программа, включающая теоретические и практические занятия.

  Идея в том, чтобы люди из разных областей знаний — физиологи растений, ботаники, биоинформатики и так далее — объединились и создали некую единую современную программу, с помощью которой можно обучить следующее поколение студентов.

  Таким образом, в текущей непростой ситуации, когда у нас в стране не очень много исследователей, причем каждый их них что-то знает и умеет в довольно узкой области, можно подготовить молодые кадры, способные выйти на новый уровень знаний и практических решений.

  И третья цель нашего проекта — это отработка технологий направленного редактирования растительных геномов.

  — Интересно, что вы называете это третьей целью, в то время как она кажется самой главной.

  — Я считаю, что с точки зрения «высшего смысла» самая главная задача — образовательная, хотя все они важны. Конечно, наивно думать, что за три года (а именно на столько рассчитан проект) нам удастся поставить отечественное сельское хозяйство на новые рельсы, но сдвинуть дело с мертвой точки хотелось бы. Кроме того, проект может быть продлен, и мы на это надеемся.

  — Иначе говоря, скоро у нас появятся дешевые и безопасные продукты, которые будут обладать искусственно привнесенными полезными свойствами. Но генетическое редактирование в нашем законодательстве почти не отражено — оно касается только методов, но не конечного продукта. Как вы будете решать эту проблему?

  — Эта проблема существует, но у нас исследовательский проект. Мы планируем получить некоторое количество линий с помощью генетических технологий, а вопросов, что с ними потом делать, пока стараемся избегать.

  Проект посвящен не тому, чтобы завтра засеять поля новыми видами растений, а послезавтра выгрузить их на полки магазинов. Он посвящен тому, чтобы научиться такие сорта создавать и с ними работать на самом современном уровне.

  Конечно, если будет успех, то мы надеемся, что удастся быстро выйти на достаточно большие площади посевов. Для этого у нас есть бизнес-партнер — «Союзсемсвекла», совместное предприятие «Русагро» и «Щелково агрохим». Эта компания занимается созданием и производством посевного материала сахарной свеклы.

  Россия сегодня самый крупный производитель сахарной свеклы в мире, но практически все семена покупает за рубежом. Сейчас компании-производители переходят на собственное семеноводство, и если у нас получится им помочь, то это будет большое, важное дело.

  — Чем еще, кроме свеклы, будете заниматься?

  — В Институте молекулярной биологии занимаются льном — это исконно русская культура, из которой испокон веков шили одежду, получали льняное масло и другие ценные продукты. Потом, во времена СССР, появился дешевый узбекский хлопок, он вытеснил лен, сейчас производство льна возрождается, поскольку хлопок в нашей стране не растет.

  Коллеги из Сколтеха и Института проблем передачи информации давно занимаются гречихой. Наше сотрудничество с ними началось десять лет назад (кстати, тогда они все работали в МГУ). Мы тогда опубликовали работу о первой стадии чтения генетической информации — так называемом транскриптоме гречихи. По этой части мы уже тогда были на передовом уровне, поэтому не хочется сдавать позиции.

  — Чем генетически отредактированные растения отличаются от генно-модифицированных, которых сегодня многие продолжают бояться?

  — Под ГМО-растениями обычно понимают результаты большой операции, когда, например, берут ген одного вида и встраивают в геном другого вида. Классическая технология — внедрение в геном растения (обычно соя, но это могут быть и томаты, и другие культуры) искусственной генетической конструкции, обеспечивающей устойчивость к гербициду — яду, убивающему растения, называемому «глифосат». Глифосат ломает биохимическую систему, благодаря которой растения производят так называемые незаменимые аминокислоты, например триптофан, который животные не умеют производить и должны потреблять с пищей. Растениям эти аминокислоты тоже нужны, и если растение не может их синтезировать, оно гибнет.

  Генетики смогли создать конструкцию, которая в природе не встречается, и составлена из генов бактерии, вируса и растения. Эта конструкция, если ее встроить в геном, позволяет производить незаменимые аминокислоты, причем глифосат уже не действует. Стали высевать на поля такие защищенные растения: их не надо пропалывать, а можно на них лить в больших дозах глифосат, и сорняков не будет.

  Глифосат не сильно, но все-таки токсичен, а кроме того, убивает все растения в округе, по крайней мере — если нарушать технологию использования, например, сильно превысить дозировку, что, к сожалению, нередко случается.

  Поэтому люди испугались и стали запрещать ГМО. Определенную роль, разумеется, сыграла и конкуренция компаний, занимающихся традиционными формами растениеводства, которые оказались дороже в производстве. Эти компании подняли шум в СМИ.

  Редактированные растения — это растения, которые подверглись искусственному изменению генома.

  Они не обязательно должны отличаться от растений, которые возникают в результате нормальной генетической изменчивости. Например, мы определили, что какая-то комбинация вариантов генов обладает замечательными свойствами, и можно долго скрещивать растения в надежде, что однажды такая комбинация получится. А можно направленно внести изменения в геном. Сейчас это делают с помощью разных технологий CRISPR — «генетических ножниц», технологий, в прошлом году удостоенных Нобелевской премии. Такой организм не будет отличаться от того, который может возникнуть естественным путем, но получен он с помощью генетического редактирования.

  — Как вы думаете, не будет ли потом, когда вы сделаете свою работу и предложите людям новые продукты, такой же негативной реакции, как сейчас на ГМО?

  — Действительно, люди привыкли бояться того, чего не понимают. Но все-таки я думаю, потребителям не будет большой разницы, отредактировано их платье или полотенце изо льна или нет. Сахарная свекла — это техническая культура, которая используется для производства сахара, а сахар — это продукт высокой очистки, поэтому страхов тоже не должно быть.

  — Допустим, люди поверят, что все генно-модифицированное оттуда «вычистят». Но в целом — не будет ли такого, что наше общество не примет генное редактирование, устроит ему бойкот?

  — Нельзя исключить такого хода событий. Но это ни в коем случае не отменяет необходимости такой работы. Мы получаем важные фундаментальные и прикладные знания о том, как растение устроено, как эволюционировало и как функционирует.

  Кроме того, современное сельское хозяйство, даже если оно не использует технологии генной модификации, далеко от того, каким было сто лет назад. Мы все живем в условиях технологической революции, которая коснулась и сельского хозяйства. Думаю, что все эти опасения, которыми сегодня изобилует общество, постепенно сойдут на нет. Люди привыкнут к мысли, что ученые проверяют все новые технологи, прежде чем они выйдут из лаборатории, поэтому такие растения не опасны.

  А для тех, кто не хочет иметь ничего общего с генетическими технологиями, будет существовать экологическое земледелие. Понятно, что оно будет занимать меньшие площади и намного дороже стоить, поэтому глобальные задачи прокорма растущего населения только экологическим земледелием не решить. Хотим мы этого или нет, но это путь, по которому уже движется человечество.

  Надо сказать, наши партнеры из «Союзсемсвеклы» очень ответственно отнеслись к этому проекту. Мы много времени потратили на обсуждение совместных планов и будущих результатов. Так вот, несмотря на различные запреты, они очень заинтересованы именно в создании технологий генетического редактирования, которые они могли бы использовать.

  По нашему соглашению, четыре пятых их бюджета в проекте направлено на создание технологий генетического редактирования свеклы, а оставшаяся пятая часть — на создание технологий компьютерного зрения для определения свойств семян и наблюдения за полями.

  Коллеги верят, что скоро законодательство изменится, и генные технологии применительно к конечному продукту сельского хозяйства будут четко и внятно описаны. Это обязательно должно произойти, ведь генетические технологии — передний край науки, и если в России они не будут развиваться и поддерживаться на государственном уровне, то мы окажемся в подчиненном положении безнадежно отставшей страны.

  Беседу вела Наталия Лескова

Поделиться