Новая аграрная революция. Через пять лет мы будем есть CRISPR-еду вместо ГМО
В очереди на Нобелевскую премию по физиологии или медицине одними из главных претендентов считаются американка Дженнифер Дудна и француженка Эммануэль Шарпентье. В 2012 г. в своей совместной работе они первые предложили технологию редактирования генов CRISPR, что расценивается как одно из наиболее значительных открытий в истории биологии. Благодаря этой фундаментальной работе и своим дальнейшим успехам в развитии технологии CRISPR Дудна и Шарпентье уже удостоились множества престижных научных премий и стали общепризнанными лидерами в масштабной трансформации медицинских наук, получившей название "революция CRISPR".
Технология CRISPR имеет десятки потенциальных применений, от лечения серповидноклеточной анемии до устранения наследственных форм слепоты. Однако на днях Дженнифер Дудна в интервью Business Insider выступила с сенсационным прогнозом. "В ближайшие пять лет самое глубокое влияние CRISPR на повседневную жизнь людей мы увидим в сельскохозяйственном секторе", - заявила ученая. По ее словам, уже через пять лет мы будем есть пищу с отредактированными генами.
На нашем столе изменится все
Хотите грибы, которые не коричневые? Кукурузу, которая дает больше урожая на гектар? Эти продукты уже существуют, хоть и не дошли пока до тарелок потребителей. А как насчет клубники с более длительным сроком хранения или помидоров, которые лучше держатся на лозе?
"Думаю, все это появится довольно быстро", - говорит Дудна. Ее прогнозу можно доверять не только потому, что она авторитетный и титулованный ученый: профессор Калифорнийского университета в Беркли, исследователь Медицинского института Говарда Хьюза, старший исследователь Института Гладстона, член Национальной академии наук США и Медицинской академии США, иностранный член Лондонского королевского общества. Прогноз Дудны подтверждается множеством исследований, ведущихся в этом направлении в разных странах.
Сама Дудна, кстати, является исполнительным директором Института инновационной геномики, учрежденного совместно Калифорнийским университетом в Беркли и Калифорнийским университетом в Сан-Франциско, и курирует ведущиеся там работы над CRISPR-редактированием генов какао. Ученые хотят вывести такие растения какао, которые выживут в условиях изменений климата, высушивающих сейчас плантации какао в тропических зонах планеты.
Привлекательность CRISPR в пищевом сегменте объясняется целым рядом факторов. Эта технология, во-первых, дешевле и, во-вторых, проще традиционных методов селекции, в том числе и тех, которые используются для выведения культур генетически модифицированных организмов (ГМО) в настоящее время. А в-третьих, CRISPR намного точнее. Образно говоря, там, где традиционные методы выведения культур режут гены тупым ножом, CRISPR работает с точностью и аккуратностью скальпеля.
Еще весной 2016 г. ученые из Университета штата Пенсильвания использовали CRISPR, чтобы получить грибы, которые не коричневеют. В сентябре 2016 г. профессор Университета Умео (Швеция) Стефан Янссон похвастался, что он первый в мире сумел вне лаборатории вырастить, собрать, сварить и съесть CRISPR-капусту.
Активно осваивает CRISPR-технологию компания DuPont Pioneer - ведущий мировой разработчик и поставщик современных технологий в области генетики растений. В январе 2018 г. вице-президент DuPont Pioneer по исследованиям и разработкам Нил Гуттерсон заявил, что уже к 2020 г. компания выведет на рынок CRISPR-кукурузу, которая будет использоваться в таких продуктах, как супы и заправки для салатов. Она, по прогнозу Гуттерсона, станет первым коммерческим продуктом для сельского хозяйства, выведенным с помощью редактирования генов.
А в марте 2018 г. стартап Pairwise привлек $125 млн от сельскохозяйственного гиганта Monsanto для работы над CRISPR-отредактированными продуктами и вывода их в продажу в магазинах в ближайшие пять-десять лет. Первым таким продуктом Pairwise может стать более сладкая клубника с более длительным сроком хранения.
Кукуруза улучшится дважды
Использование редактора генома CRISPR для улучшения сортов некоторых важнейших сельскохозяйственных культур, таких как пшеница и кукуруза, оказалось трудным из-за особенностей этих растений. Их клетки окружены весьма жесткой оболочкой из целлюлозы. Чтобы провести генное редактирование, нужно разрушить клеточную оболочку, не повредив ядро клетки. Для отдельных сортов удается придумать способ, как это сделать. Но для многих сортов прямое CRISPR-редактирование остается невозможным.
Однако, как рассказал в марте этого года Science Magazine, творчески решить эту проблему смогла транснациональная корпорация Syngenta - один из крупнейших мировых производителей высококачественных семян. Исследователи компании нашли способ проникнуть в ядро клетки, не разрушая клеточную оболочку. О своей работе они рассказали в статье, опубликованной в журнале Nature Biotechnology. Официальное название этого метода - "редактирование с помощью гаплоидной индукции", сокращенно "ГИ-редактирование" (HI-edit). Впрочем, авторы открытия называют его более образно: "троянский конь".
Понять суть метода ГИ-редактирования - и оценить его изящество - могут даже неспециалисты. Для этого не нужно вдаваться в технические подробности, но все же необходимо иметь представление о том, что такое гаплоидная индукция.
Обычные растения и животные являются диплоидами - они обладают двойным набором хромосом. Но бывают и гаплоидные особи, у которых набор хромосом одинарный. Естественная гаплоидия встречается в жизненном цикле низших грибов, бактерий и одноклеточных водорослей. У некоторых видов членистоногих и насекомых гаплоидными являются самцы, развивающиеся из неоплодотворенных клеток.
Экспериментально гаплоидные формы получены у пшеницы, кукурузы и ряда других высших растений. Такие исследования ведутся еще с 1920-х. Для этого используется пыльца-обманка, которая, попав в семязачаток, не способна совершить оплодотворение, но, тем не менее, запускает процесс развития семени. Это семя получается гаплоидным, и из него вырастает гаплоидное растение.
Поначалу в роли пыльцы-обманки использовалась либо пыльца растений другого, отдаленного вида, либо пыльца, подвергнутая облучению, из-за чего ее хромосомный аппарат стал дефектным. Однако, когда уже были выведены некоторые гаплоидные сорта, оказалось, что их пыльца тоже годится на роль пыльцы-обманки. То есть, если мы уже имеем один гаплоидный сорт, то мы можем опылить его пыльцой другой сорт (причем не обязательно того же вида), и этот другой сорт тоже превратится в гаплоидный.
Вот эта технология и называется гаплоидной индукцией. Уже много десятилетий она успешно используется селекционерами для получения более урожайных сортов.
А теперь допустим, что нам удалось один из гаплоидных сортов кукурузы, назовем его сорт A, подвергнуть CRISPR-редактированию генома. И в результате проведенной коррекции получился сорт, например, с более тяжелыми зернами, а значит, еще более урожайный. Можно ли передать эти полезные качества какому-то другому сорту, назовем его сорт Z, который диплоидный, менее урожайный, но обладает какими-то иными ценными качествами - к примеру, более устойчив к засухе, зною или резким перепадам температур?
У этого сорта Z клетки наверняка имеют толстую жесткую оболочку, которая и позволяет им сберегать влагу на жаре. А значит, прямое CRISPR-редактирование его генома практически неосуществимо. Но можно взять сорт A, обеспечить, чтобы его пыльца несла в своих клетках CRISPR-редакторы, и опылить ею сорт Z. В этом и заключается обходной путь, который обнаружили исследователи.
Эта технология дает двойной результат. Во-первых, опыление пыльцой-обманкой превращает сорт Z из диплоидного в гаплоидный (по обычному механизму гаплоидной индукции), что уже повышает его урожайность. Во-вторых, хотя пыльца сорта A не способна оплодотворить семязачатки сорта Z, но она внедряет в них CRISPR-редакторы генома, которые превращают этот сорт в еще более урожайный.
По словам ученых, такое ГИ-редактирование генома обещает ускорить создание более качественных и универсальных сортов. "Ключевым нововведением является использование пыльцы гаплоидного индуктора в качестве своего рода троянского коня", - говорит биолог Тимоти Келлихер, возглавляющий это исследование. Он утверждает также, что есть некоторые свидетельства того, что несущая CRISPR пыльца кукурузы может редактировать ДНК пшеницы. Исследователи также разработали вторую систему CRISPR для Arabidopsis - рода растений семейства капустных. Возможно, эта система позволит редактировать ДНК разных сортов капусты.
"Это блестящая работа, - оценивает биолог Лука Комай из Калифорнийского университета в Дэвисе. - Она объединяет две технологии: гаплоидную индукцию и редактирование генома". ГИ-редактирование - "не единственное решение, но оно умное", отмечает биолог Гао Цайся из Китайской академии наук. Он прогнозирует, что оно позволит вывести новые элитные сорта кукурузы.
Пока что Syngenta опробовала ГИ-редактирование только в лабораториях. Но ученые говорят, что можно без опаски переходить к испытаниям в полевых условиях. CRISPR-редактор не будет передаваться из поколения в поколение. Сделав свою работу по коррекции генома, он не закрепляется в ДНК получаемых сельскохозяйственных культур. Поэтому они не должны квалифицироваться как ГМО, что упростит получение нормативных разрешений на продажу этих культур.
Курицы спасут людей от гриппа
Рослинский институт Эдинбургского университета (Шотландия) получил всемирную славу в 1996-м, когда провел первый успешный опыт по клонированию млекопитающего - знаменитой овечки Долли. Сейчас генетики из Рослинского института проводят эксперименты, быть может, не столь громкие, но гораздо более многообещающие для практической пользы человечества.
В феврале 2017 г. статья в научном журнале PLOS Pathogens сообщила, что в Рослинском институте создали свиней, устойчивых к вирусу PRRSV. Этот вирус вызывает у свиней репродуктивно-респираторный синдром, характеризующийся повышенной температурой, кашлем, самопроизвольными абортами и рождением нежизнеспособного потомства.
Как отмечает Gizmodo, для свиноводов эта болезнь свиней является катастрофой. Она возникла в конце 1980-х на фермах в Европе и США и быстро распространилась. По данным Daily Mail, ежегодно эта болезнь обходится сельскому хозяйству США и Европы в $2,5 млрд потерянного дохода.
С помощью CRISPR-редактирования ученые удаляли часть гена, играющего ключевую роль в проникновении PRRSV в клетки. Редактирование осуществлялось на начальной стадии развития эмбрионов, после чего их трансплантировали свиноматкам. Анализ показал, что клетки родившихся поросят невосприимчивы к основным штаммам PRRSV. Никаких признаков неблагоприятного воздействия CRISPR-редактора на свиней не выявлено.
"Эти результаты впечатляют, но, скорее всего, пройдет еще несколько лет, прежде чем мы будем есть бутерброды с беконом из мяса свиней, устойчивых к PRRSV, - рассказала доктор Кристин Тейт-Буркард из Рослинского института в интервью Daily Mail в июне 2018 г. - Нам необходимо провести более длительные исследования, чтобы подтвердить, что эти генетические изменения не оказывают каких-либо непредвиденных неблагоприятных воздействий на животных. Если эти исследования будут успешными и общественность примет эту технологию, мы будем искать возможности работать с компаниями по разведению свиней, чтобы интегрировать эти генные изменения в коммерческие племенные запасы".
Параллельно в Рослинском институте занялись новой амбициозной задачей: изменить геном курицы таким образом, чтобы она стала невосприимчивой к гриппу. В январе 2019 г. агентство Reuters сообщило, что первого CRISPR-отредактированного цыпленка исследователи намерены получить к концу этого года.
Профессор вирусологии в Имперском колледже Лондона Венди Барклай, являющаяся соруководителем проекта, сообщила, что команда исследователей планирует изменить ген, кодирующий белок ANP32, который необходим вирусу гриппа для заражения птицы. Предыдущие исследования Барклай и ее коллег по Имперскому колледжу, отчет о которых был обнародован в журнале Nature в 2016 г., продемонстрировали, что отсутствие этого белка делает птицу невосприимчивой к вирусу.
"Мы нашли очень маленькое изменение генома курицы, которое позволит остановить распространение вируса гриппа от диких птиц к человеку через домашних птиц. Если бы мы смогли предотвратить такое распространение, то пресекли бы следующую пандемию гриппа у ее источника", - подчеркивает Барклай.
Супермясо "из пробирки"
Потенциально технология CRISPR должна помочь вывести породы домашней птицы, свиней, крупного рогатого скота, которые будут не только устойчивы к самым опасным вирусам, но и неприхотливы в корме, приспособлены к жизни в самых разных погодных условиях, максимально плодовиты и способны обеспечить людей супермясом, по сравнению с обычным мясом гораздо более вкусным, питательным, полезным - и притом более дешевым.
Впрочем, это не единственный перспективный путь к мясному изобилию. В последние годы все большее число стартапов в разных странах мира вовлекается в гонку технологий по выращиванию мяса в лабораторных условиях из клеточных культур. Этот путь привлекателен тем, что обещает натуральную курятину, свинину, говядину без убоя животных. Пока что это мясо "из пробирки" обходится гораздо дороже, чем искусственное мясо из компонентов растительного или синтетического происхождения. Но компании, работающие в этом направлении, надеются, что их продукция вскоре станет конкурентоспособной по соотношению цены и качества.
Выведение CRISPR-отредактированных пород, которые обеспечат супермясо, и строительство заводов по выращиванию натурального мяса из клеточных культур - казалось бы, эти два направления обречены на жесткую конкуренцию. Однако нашлись добрые люди, которые увидели возможность третьего пути, сочетающего преимущества обеих перспективных технологий. В самом деле, если на заводах по выращиванию мяса использовать клеточные культуры не обычных пород, а CRISPR-отредактированных, то получится супермясо "из пробирки".
Можно было бы сомневаться в реалистичности этой идеи, если бы не тот факт, что за ее реализацию взялись всемирно известные предприниматели-миллиардеры Билл Гейтс и Ричард Брэнсон вместе с гигантом пищевой промышленности Tyson Foods. В 2017-2018 гг. они инвестировали в стартап Memphis Meats, который занялся экспериментами по выращиванию мяса с использованием CRISPR совместно со стартапом New Age Meats. Оба стартапа расположены в Силиконовой долине (первый в Беркли, второй по соседству в Сан-Франциско).
Подробности проекта выведал в марте этого года сайт Business Insider. "Технология CRISPR позволяет нам безопасно повышать качество роста наших клеток, а это значит, что мы будем делать мясо более вкусным, здоровым и устойчивым, чем мясо убитых животных", - заявил сайту соучредитель и генеральный директор New Age Meats Брайан Спирс. Memphis Meats отклонил запрос Business Insider на беседу. Но сайт разузнал о двух патентах, последний из которых датирован январем этого года, в которых Memphis Meats описал метод создания натуральной курятины и говядины с использованием CRISPR.
И Memphis Meats, и New Age Meats исследуют способность CRISPR стимулировать размножение клеточных культур. Эта технология может потенциально позволить клеткам размножаться "бесконечно", говорится в патенте Memphis Meats. Компания ведет такие работы с клетками коровы и курицы.
По электронной почте представитель Memphis Meats сообщил: "Мы изучаем ряд инновационных технологий, которые позволят нам сделать нашу продукцию лучшей для окружающей среды и общественного здравоохранения, а также более доступной и масштабируемой". Он добавил, что первые продукты, произведенные с помощью CRISPR-редактирования генов, по предварительным оценкам компании, будут доступны в элитном ресторане уже в этом году и появятся в магазинах к 2021 г.
Так что прогноз Дженнифер Дудны может сбыться даже раньше, чем она ожидает.
Редактор, а не модификатор
CRISPR - это технология коррекции, а не модификации генов. Поэтому генетически отредактированные культуры - это совсем не то же самое, что культуры генетически модифицированных организмов (ГМО), которые воспринимаются общественностью крайне противоречиво.
Генетическая модификация связана со смешением ДНК разных биологических видов. Например, ГМО-соя потому устойчива к пестицидам, что в ее ДНК встроены фрагменты ДНК бактерий, обладающих такой устойчивостью.
В отличие от генетической модификации, генетическое редактирование использует для коррекции генов генетический материал того же самого биологического вида. То есть ДНК капусты подправляется только с помощью капустной ДНК, а ДНК курицы - только с помощью куриной ДНК. При этом менее удачные (с той или иной точки зрения) фрагменты заменяются на более удачные. По сути, эта технология делает то же, что в дикой природе осуществляет естественный отбор. С той лишь разницей, что естественный отбор проводит селекцию особей, наиболее приспособленных к выживанию и размножению, и делает это очень неспешно, а CRISPR позволяет получить культуры растений и животных, наиболее полезные для человека, и притом весьма быстро - за несколько лет.
Принципиальное отличие CRISRP от ГМО уже вполне осознали и признали американские регулирующие органы. Недавно они открыли перед генетически отредактированными культурами прямой путь для выхода на широкий потребительский рынок.
В марте 2018 г. USDA (министерство сельского хозяйства США) приняло новое постановление о сельскохозяйственных культурах, которое освобождает ряд культур, выведенных по технологии CRISPR, от надзора, которым обычно сопровождают ГМО. Эти культуры, отредактированные посредством CRISPR, не подлежат никаким дополнительным регулирующим обременениям.
"С таким подходом USDA стремится позволять инновации, когда нет никакого риска", - говорит министр сельского хозяйства Сонни Пердью. Он убежден, что инструменты редактирования генома "помогут фермерам делать то, к чему мы стремимся в USDA: делать все правильно и кормить всех".
