Нова аграрна революція. Через п'ять років ми будемо їсти CRISPR-їжу замість ГМО
У черзі на Нобелівську премію з фізіології або медицині одними з головних претендентів вважаються американка Дженніфер Дудна і француженка Еммануель Шарпентьє. У 2012 р. у своїй спільній роботі вони перші запропонували технологію редагування генів CRISPR, що розцінюється як одне з найбільш значних відкриттів в історії біології. Завдяки цій фундаментальній роботі і своїм подальшим успіхам у розвитку технології CRISPR Дудна і Шарпентьє вже удостоїлися безлічі престижних наукових премій і стали загальновизнаними лідерами масштабної трансформації медичних наук, отримала назву "революція CRISPR".
Технологія CRISPR має десятки потенційних застосувань, від лікування серповидноклітинної анемії до усунення спадкових форм сліпоти. Однак днями Дженніфер Дудна в інтерв'ю Business Insider виступила з сенсаційною прогнозом. "У найближчі п'ять років найглибше вплив CRISPR на повсякденне життя людей ми побачимо в сільськогосподарському секторі", - заявила вчений. За її словами, вже через п'ять років ми будемо їсти їжу з відредагованими генами.
На нашому столі все зміниться
Хочете гриби, які не коричневі? Кукурудзу, яка дає більше врожаю на гектар? Ці продукти вже існують, хоч і не дійшли поки до тарілок споживачів. А як щодо полуниці з більш тривалим терміном зберігання або помідорів, які краще тримаються на лозі?
"Думаю, все це з'явиться досить швидко", - говорить Дудна. Її прогнозом можна довіряти не тільки тому, що вона авторитетний і титулований вчений: професор Каліфорнійського університету в Берклі, дослідник Медичного інституту Говарда Хьюза, старший дослідник Інституту Гладстона, член Національної академії наук США та Медичній академії США, іноземний член Лондонського королівського товариства. Прогноз Дудны підтверджується безліччю досліджень, що ведуться в цьому напрямку в різних країнах.
Сама Дудна, до речі, є виконавчим директором Інституту інноваційної геноміки, заснованого спільно Каліфорнійським університетом у Берклі і Каліфорнійським університетом у Сан-Франциско, і займається там ведуться роботи над CRISPR-редагуванням генів какао. Вчені хочуть вивести такі рослини какао, які виживуть в умовах змін клімату, высушивающих зараз плантації какао в тропічних зонах планети.
Привабливість CRISPR в харчовому сегменті пояснюється цілим рядом факторів. Ця технологія, по-перше, дешевше і, по-друге, простіше традиційних методів селекції, в тому числі і тих, які використовуються для виведення культур генетично модифікованих організмів (ГМО) в даний час. А по-третє, CRISPR набагато точніше. Образно кажучи, там, де традиційні методи виведення культур ріжуть гени тупим ножем, CRISPR працює з точністю і акуратністю скальпеля.
Ще навесні 2016 р. вчені з Університету штату Пенсільванія використовували CRISPR, щоб отримати гриби, які не стають коричневими. У вересні 2016 р. професор Університету Умео (Швеція) Стефан Янссон похвалився, що він перший у світі зумів поза лабораторії виростити, зібрати, зварити і з'їсти CRISPR-капусту.
Активно освоює CRISPR-технологію компанія DuPont Pioneer - провідний світовий розробник та постачальник сучасних технологій в області генетики рослин. У січні 2018 р. віце-президент DuPont Pioneer з досліджень і розробок Ніл Гуттерсон заявив, що вже до 2020 р. компанія виведе на ринок CRISPR-кукурудзу, яка буде використовуватися в таких продуктах, як супи і заправки для салатів. Вона, за прогнозом Гуттерсона, стане першим комерційним продуктом для сільського господарства, виведеним з допомогою редагування генів.
А в березні 2018 р. стартап Попарно залучив $125 млн від сільськогосподарського гіганта Монсанто для роботи над CRISPR-відредагованими продуктами і виведення їх у продаж в магазинах в найближчі п'ять-десять років. Першим таким продуктом Попарно може стати більш солодка полуниця з більш тривалим терміном зберігання.
Кукурудза покращиться двічі
Використання редактора геному CRISPR для поліпшення сортів деяких найважливіших сільськогосподарських культур, таких як пшениця і кукурудза, виявилося важким особливостей цих рослин. Їх клітини оточені досить жорсткою оболонкою з целюлози. Щоб провести генне редагування, потрібно зруйнувати клітинну оболонку, не пошкодивши ядро клітини. Для окремих сортів вдається придумати спосіб, як це зробити. Але для багатьох сортів пряме CRISPR-редагування залишається неможливим.
Проте, як розповів у березні цього року Science Magazine, творчо вирішити цю проблему змогла транснаціональна корпорація Syngenta - один з найбільших світових виробників високоякісного насіння. Дослідники компанії знайшли спосіб проникнути в ядро клітини, не руйнуючи клітинну оболонку. Про свою роботу вони розповіли в статті, опублікованій в журналі Nature Biotechnology. Офіційна назва цього методу - "редагування за допомогою гаплоїдною індукції", скорочено "ГІ-редагування" (HI-edit). Втім, автори відкриття називають його більш образно: "троянський кінь".
Зрозуміти суть методу ГІ-редагування - і оцінити його витонченість - можуть навіть неспеціалісти. Для цього не потрібно вдаватися в технічні подробиці, але все ж необхідно мати уявлення про те, що таке гаплоїдна індукція.
Звичайні рослини і тварини є диплоидов - вони володіють подвійним набором хромосом. Але бувають і гаплоїдні особини, у яких одинарний набір хромосом. Природна гаплоидия зустрічається в життєвому циклі нижчих грибів, бактерій і одноклітинних водоростей. У деяких видів членистоногих і комах гаплоидными є самці, що розвиваються з незапліднених клітин.
Експериментально гаплоїдні форми отримані у пшениці, кукурудзи і ряду інших вищих рослин. Такі дослідження ведуться ще з 1920-х. Для цього використовується пилок-обманка, яка, потрапивши в семязачаток, не здатна здійснити запліднення, але, тим не менш, запускає процес розвитку насінини. Це насіння виходить гаплоидным, і з нього виростає гаплоидное рослина.
Спочатку в ролі пилку-обманки використовувалася або пилок рослин іншого, віддаленого виду, або пилок, піддана опромінення, з-за чого її хромосомний апарат став дефектним. Однак, коли вже були виведені деякі гаплоїдні сорту, виявилося, що їх пилок теж годиться на роль пилку-обманки. Тобто, якщо ми вже маємо один гаплоїдний сорт, то ми можемо обпилити його пилком інший сорт (причому не обов'язково того ж виду), і цей інший сорт теж перетвориться в гаплоїдний.
Ось ця технологія називається гаплоїдною індукцією. Вже багато десятиліть вона успішно використовується селекціонерами для отримання більш врожайних сортів.
А тепер припустимо, що нам вдалося один з гаплоидных сортів кукурудзи, назвемо його сорт A, піддати CRISPR-редагування геному. І в результаті проведеної корекції вийшов сорт, наприклад, з більш важкими зернами, а значить, ще більш урожайний. Чи можна передати ці корисні якості якого іншого сорту, назвемо його сорт Z, який диплоїдний, менш врожайний, але володіє якимись іншими цінними якостями - наприклад, більш стійкий до посухи, спеки або різких перепадів температур?
У цього сорту Z клітини напевно мають товсту жорстку оболонку, яка і дозволяє їм зберігати вологу на спеці. А значить, пряме CRISPR-редагування його генома практично нездійсненно. Але можна взяти сорт A забезпечити, щоб його пилок несла в своїх клітинах CRISPR-редактори, і обпилити нею сорт Z. У цьому і полягає обхідний шлях, який виявили дослідники.
Ця технологія дає подвійний результат. По-перше, запилення пилком-обманкою перетворює сорт Z з диплоїдного в гаплоїдний (за звичайного механізму гаплоїдною індукції), що вже підвищує його врожайність. По-друге, хоча пилок сорту A не здатна запліднити семязачатки сорти Z, але вона впроваджує в них CRISPR-редактори геному, які перетворюють цей сорт в ще більш урожайний.
За словами вчених, таке ГІ-редагування геному обіцяє прискорити створення більш якісних та універсальних сортів. "Ключовим нововведенням є використання пилку гаплоїдного індуктора в якості свого роду "троянського коня", - говорить біолог Тімоті Келлихер, який очолює це дослідження. Він стверджує також, що є деякі свідчення того, що несуча CRISPR пилок кукурудзи може редагувати ДНК пшениці. Дослідники також розробили другу систему CRISPR для Arabidopsis - роду рослин сімейства капустяних. Можливо, ця система дозволить редагувати ДНК різних сортів капусти.
"Це блискуча робота, - оцінює біолог Лука Комай з Каліфорнійського університету в Девісі. - Вона поєднує дві технології: гаплоидную індукцію і редагування генома". ГІ-редагування - "не єдине рішення, але воно розумне", зазначає біолог Дат Цайся з Китайської академії наук. Він прогнозує, що воно дозволить вивести нові елітні сорти кукурудзи.
Поки що Syngenta випробувала ГІ-редагування тільки в лабораторіях. Але вчені кажуть, що можна без остраху переходити до випробувань в польових умовах. CRISPR-редактор не буде передаватися з покоління в покоління. Зробивши свою роботу з корекції геному, він не закріплюється в ДНК одержуваних сільськогосподарських культур. Тому вони не повинні кваліфікуватися як ГМО, що спростить отримання нормативних дозволів на продаж цих культур.
Курки врятують людей від грипу
Рослинский інститут Единбурзького університету (Шотландія) отримав всесвітню славу в 1996-му, коли провів перший успішний досвід з клонування ссавця - знаменитої овечки Доллі. Зараз генетики з Рослінського інституту проводять експерименти, бути може, не настільки гучні, але набагато більш багатообіцяючі для практичної користі людства.
У лютому 2017 р. стаття в науковому журналі PLOS Pathogens повідомила, що в Рослинському інституті створили свиней, стійких до вірусу PRRSV. Цей вірус викликає у свиней, репродуктивно-респіраторний синдром, який характеризується підвищеною температурою, кашлем, мимовільними абортами та народженням нежиттєздатного потомства.
Як зазначає Gizmodo, для свинарів ця хвороба свиней є катастрофою. Вона виникла наприкінці 1980-х на фермах у Європі та США і швидко поширилася. За даними Daily Mail, щороку ця хвороба обходиться сільському господарству США і Європи в $2,5 млрд втраченого доходу.
З допомогою CRISPR-редагування вчені видаляли частину гена, що грає ключову роль у проникненні PRRSV в клітини. Редагування здійснювалося на початковій стадії розвитку ембріонів, після чого їх трансплантували свиноматкам. Аналіз показав, що клітини народжених поросят несприйнятливі до основних видів PRRSV. Ніяких ознак несприятливого впливу CRISPR-редактора на свиней не виявлено.
"Ці результати вражають, але, швидше за все, пройде ще кілька років, перш ніж ми будемо їсти бутерброди з беконом з м'яса свиней, стійких до PRRSV, - розповіла доктор Крістін Тейт-Буркарде з Рослінського інституту в інтерв'ю Daily Mail у червні 2018 р. - Нам необхідно провести більш тривалі дослідження, щоб підтвердити, що ці генетичні зміни не мають яких-небудь непередбачених несприятливих впливів на тварин. Якщо ці дослідження будуть успішними і громадськість прийме цю технологію, ми будемо шукати можливості працювати з компаніями по розведенню свиней, щоб інтегрувати ці генні зміни в комерційні племінні запаси".
Паралельно в Рослинському інституті зайнялися нової амбітної завданням: змінити геном курки таким чином, щоб вона стала несприйнятливою до грипу. У січні 2019 р. агентство Reuters повідомило, що першого CRISPR-відредагованого курчати дослідники мають намір отримати до кінця цього року.
Професор вірусології в Імперському коледжі Лондона Венді Барклай, є співкерівником проекту, повідомила, що команда дослідників планує змінити ген, що кодує білок ANP32, який потрібен вірусу грипу для зараження птиці. Попередні дослідження Барклай і її колег з Імперського коледжу, звіт про яких було оприлюднено в журналі Nature в 2016 р., продемонстрували, що відсутність цього білка робить птицю несприйнятливою до вірусу.
"Ми знайшли дуже маленьке зміну геному курки, яке дозволить зупинити поширення вірусу грипу від диких птахів до людини через домашніх птахів. Якщо б ми змогли запобігти таке поширення, то припинили б наступну пандемію грипу у її джерела", - підкреслює Барклай.
Супермясо "з пробірки"
Потенційно технологія CRISPR має допомогти вивести породи свійської птиці, свиней, великої рогатої худоби, які будуть не тільки стійкі до найбільш небезпечних вірусів, але і невибагливі в кормі, пристосовані до життя в самих різних погодних умовах, максимально плідні і здатні забезпечити людей супермясом, порівняно з звичайним м'ясом набагато більш смачним, поживним, корисним - і притому більш дешевим.
Втім, це не єдиний перспективний шлях до м'ясного достатку. В останні роки все більше число стартапів в різних країнах світу втягується в гонку технологій по вирощуванню м'яса в лабораторних умовах з клітинних культур. Цей шлях привабливий тим, що обіцяє натуральну курятину, свинину, яловичину без забою тварин. Поки що це м'ясо "з пробірки" обходиться набагато дорожче, ніж штучне м'ясо з компонентів рослинного або синтетичного походження. Але компанії, що працюють в цьому напрямку, сподіваються, що їх продукція стане конкурентоспроможною по співвідношенню ціни і якості.
Виведення CRISPR-відредагованих порід, які забезпечать супермясо, і будівництво заводів по вирощуванню натурального м'яса з клітинних культур - здавалося б, ці два напрямки приречені на жорстку конкуренцію. Проте знайшлися добрі люди, які побачили можливість третього шляху, що поєднує переваги обох перспективних технологій. У самому справі, якщо на заводах по вирощуванню м'яса використовувати клітинні культури не звичайних порід, а CRISPR-відредагованих, то вийде супермясо "з пробірки".
Можна було б сумніватися в реалістичності цієї ідеї, якби не той факт, що за її реалізацію взялися всесвітньо відомі підприємці-мільярдери Білл Гейтс і Річард Бренсон разом з гігантом харчової промисловості Tyson Foods. В 2017-2018 роках вони інвестували в стартап Memphis Meats, який зайнявся експериментами по вирощуванню м'яса з використанням CRISPR спільно зі стартапом New Age Meats. Обидва стартапу розташовані в Силіконовій долині (перший в Берклі, другий по сусідству в Сан-Франциско).
Подробиці проекту вивідав у березні цього року сайт Business Insider. "Технологія CRISPR дозволяє нам безпечно підвищувати якість зростання наших клітин, а це значить, що ми будемо робити м'ясо більш смачною, здоровою і стійким, ніж м'ясо убитих тварин", - заявив сайту співзасновник і генеральний директор New Age Meats Брайан Спірс. Memphis Meats відхилив запит Business Insider на бесіду. Але сайт дізнався про двох патентах, останній з яких датований січнем цього року, в яких Memphis Meats описав метод створення натуральної курятини та яловичини з використанням CRISPR.
І Memphis Meats, і New Age Meats досліджують здатність CRISPR стимулювати розмноження клітинних культур. Ця технологія може потенційно дозволити клітинам розмножуватися "нескінченно", говориться в патенті Memphis Meats. Компанія веде такі роботи з клітинами корови і курки.
По електронній пошті представник Memphis Meats повідомив: "Ми вивчаємо ряд інноваційних технологій, які дозволять нам зробити нашу продукцію кращою для навколишнього середовища і охорони здоров'я, а також більш доступною і масштабованої". Він додав, що перші продукти, вироблені з допомогою CRISPR-редагування генів, за попередніми оцінками компанії, будуть доступні в елітному ресторані вже в цьому році і з'явиться в магазинах до 2021 р.
Так що прогноз Дженніфер Дудны може збутися навіть раніше, ніж вона чекає.
Редактор, а не модифікатор
CRISPR - це технологія корекції, а не модифікації генів. Тому генетично відредаговані культури - це зовсім не те ж саме, що культури генетично модифікованих організмів (ГМО), які сприймаються громадськістю вкрай суперечливо.
Генетична модифікація пов'язана зі змішанням ДНК різних біологічних видів. Наприклад, ГМО-соя тому стійка до пестицидів, що в її ДНК вбудовані фрагменти ДНК бактерій, що володіють такою стійкістю.
На відміну від генетичної модифікації, генетичне редагування використовують для корекції генів генетичний матеріал того ж самого біологічного виду. Тобто ДНК капусти подправляется тільки з допомогою капустяної ДНК, а ДНК курки - тільки з допомогою курячої ДНК. При цьому менш вдалі (з тієї чи іншої точки зору) фрагменти замінюються на більш вдалі. По суті, ця технологія робить те ж, що в дикій природі здійснює природний відбір. З тією лише різницею, що природний відбір проводить селекцію особин, найбільш пристосованих до виживання і розмноження, і робить це дуже неспішно, а CRISPR дозволяє отримати культури рослин і тварин, найбільш корисні для людини, і притому досить швидко - за кілька років.
Принципова відмінність CRISRP від ГМО вже цілком усвідомили і визнали американські регулюючі органи. Нещодавно вони відкрили перед генетично відредагованими культурами прямий шлях для виходу на широкий споживчий ринок.
У березні 2018 р. USDA (міністерство сільського господарства США) прийняв нову постанову про сільськогосподарських культурах, яке звільняє ряд культур, виведених за технологією CRISPR, від нагляду, яким зазвичай супроводжують ГМО. Ці культури, відредаговані за допомогою CRISPR, не підлягають ніяким додатковим регулюючим обременениям.
"З таким підходом USDA прагне дозволяти інновації, коли немає ніякого ризику", - говорить міністр сільського господарства Сонні Пердью. Він переконаний, що інструменти редагування геному "допоможуть фермерам робити те, до чого ми прагнемо в USDA: робити все правильно і годувати всіх".
