«Машина творения: Новые организмы, редактирование генома и лабораторные гамбургеры»

В 2012 году мир узнал о технологии CRISPR/Cas9. С тех пор редактирование генома животных и растений стало обычным делом, а Великобритания и США разрешили клиническое использование CRISPR-терапии. Однако генетики не останавливаются на достигнутом: современные инструменты и методы позволяют не только редактировать, но и синтезировать ДНК. В книге «Машина творения: Новые организмы, редактирование генома и лабораторные гамбургеры» (издательство «Альпина нон-фикшн»), переведенной на русский язык Ольгой Корчевской, футуристка Эми Уэбб и изобретатель Эндрю Гессель рассказывают, как синтетическая биология поможет справиться с изменением климата, голодом и энергетическим кризисом, а также о том, какие новые риски она создает для человечества. Предлагаем вам ознакомиться с фрагментом, в котором ботаник Инго Потрикус создает более питательный рис, чтобы бороться с дефицитом витамина А.

Проблема с рисом

Рис — продукт простой. Чего не скажешь о его выращивании. Какое-то время Эми жила на севере Японии, неподалеку от небольшого рисового поля, принадлежавшего местной семье, которая увлекалась возделыванием риса. Каждую весну Эми помогала хозяевам проливать плантацию водой, так чтобы она покрыла грунт примерно на пятнадцать сантиметров. Затем брали лотки с сеянцами и высаживали растения по одному ровными рядами. Летом, в период созревания, приходилось поддерживать определенный уровень воды: если ее было много, зерно загнивало, а если мало — растение шло в листья, а зерна засыхали. Осенью воду с поля сливали и растения слегка отряхивали, чтобы поскорее их просушить. Для уборочного комбайна участок был слишком мал по размеру, поэтому в начале октября урожай собирали вручную, с помощью серпа. (Для Эми это был изнурительный труд, от которого травмировались подколенные сухожилия, а для хозяев— вполне привычная работа.) Пучки риса туго связывали и устанавливали на земле в ряды стожками, напоминающими метлы без ручек. Затем их подвешивали на временные деревянные ограды, чтобы оставшиеся капли воды стекли на землю, а зерна просушились на солнце.

Для выращивания риса традиционным способом, как довелось узнать Эми, требуются знания, умение, удача и тяжкий труд. Даже при самых благоприятных условиях урожайность невелика: на квадратном метре земли помещается только 100 рисовых растений, и каждое из них дает в среднем 70‒100 зерен. Семья, которой Эми помогала ухаживать за рисовым полем, была состоятельной, поэтому, если лето выдавалось слишком влажным или слишком сухим, для нее это не было катастрофой: рис просто покупали в магазине. Но миллионам людей, занимающимся выращиванием риса, — мелким фермерам и беднякам — такое не по карману.

Выдающийся исследователь, ботаник Инго Потрикус с 1960-х годов мечтал решить две проблемы с рисом: повысить его питательность и сделать более простым и предсказуемым выращивание. Будучи ученым, Потрикус знал, насколько важны ключевые питательные элементы для развития детей. Он также знал, каково это — ложиться спать голодным. Во время Второй мировой войны он потерял отца; после войны семья Потрикуса бежала из Восточной Германии. Он и его братья продукты в магазинах и попрошайничали на улице, пытаясь раздобыть хоть какой-нибудь еды.

Потрикус мог модифицировать рис и удвоить или даже утроить урожайность этой культуры, однако проблему питания это бы не решило. Он знал, что рис широко доступен во многих сообществах, однако, хотя у людей в этих сообществах, казалось бы, достаточно пищи, они страдают от тяжелого недоедания. Поэтому Потрикус начал раздумывать о структуре растения и о том, целесообразно ли будет внести изменения в его генетический код. Однажды ночью он заснул с мыслями о разных вариантах решения задачи, а проснувшись, обдумал новые гипотезы: можно ли обогатить рис клетчаткой или калием? А что, если скрестить с генами риса гены шпината?

Потрикусу нужно было растение, которое при объединении с рисом обогатило бы зерно важнейшими питательными элементами, не изменяя его вкуса, текстуры или плотности, и, что самое важное, не потребовало бы изменений в технологии выращивания. Он остановился на культурах с высоким содержанием каротиноидов, которые помогают растениям поглощать необходимую для фотосинтеза световую энергию. Растения, особенно богатые каротиноидами, окрашены в яркие оттенки красного, желтого и оранжевого цветов. Существует более 600 видов каротиноидов, а самый известный из них — бета-каротин, который содержится в моркови, тыкве, батате, манго, грейпфруте, болгарском перце и помидорах. Бета-каротин также действует как антиоксидант, обладает сильными противоопухолевыми свойствами и метаболизируется в витамин А. Последнее очень важно. От дефицита витамина A страдают миллионы людей, его нехватка наносит чудовищный вред организму и здоровью. Старое поверье, что морковь улучшает зрение, отчасти правда. Дополнительное количество витамина A не исправит близорукость, но его дефицит приведет к серьезным последствиям для зрительной, нервной и иммунной систем. Недостаток витамина A препятствует просыханию роговицы — органа, по консистенции напоминающему губку. Слои клеток на нашей роговице непрерывно откачивают из нее влагу, и для их работы необходим витамин A. Если они не справляются, радужная оболочка глаза покрывается молочно-белым налетом. Без лечения она теряет прозрачность, в результате глаз становится белым, а зрение — нечетким. Из всех последствий дефицита витамина A побелевшие глаза и затуманенное зрение, пожалуй, самая незначительная из возможных проблем.

Так, если в организме недостаточно витамина A, роговица начинает со временем разрушаться. Не хватает здоровых, запрограммированных клеток, готовых к борьбе с повреждением. Без роговицы, закрывающей переднюю поверхность глаза, оказываются незащищенными расположенные за ней нервы. Боль при эрозии роговицы не сравнить даже с ударом мячом — по глазам словно непрерывно бьют раскаленной кочергой. Офтальмологи это ощущение как «боль, меняющую вероисповедание», потому что, как сказал один из них, вы будете «молиться любым богам, лишь бы ее унять». Осмотрев глаза человека, давно страдающего от недостатка витамина A, вы, скорее всего, обнаружите необратимые признаки слепоты.

Потрикус знал, что массовый дефицит витамина A неизбежно влечет за собой мучительные боли в глазах и, возможно, полную потерю зрения для сотен миллионов людей. Он также знал, что недостаток витамина A ослабляет иммунную систему и что больше всего от этого страдают дети. Даже небольшой дефицит витамина A резко повышает уровень детской смертности, поскольку снижает сопротивляемость инфекционным заболеваниям, среди которых корь и диарея. В ряде малоимущих сообществ детская смертность из-за недостатка витамина A порой достигает 50 процентов.

Потрикус рассматривал возможные варианты. Государственный сектор здравоохранения мог бы разработать сыворотку с витамином A в точно выверенной дозировке, которая будет работать на протяжении многих лет (задача довольно сложная, поскольку слишком большое количество витамина будет токсичным), а затем убедить миллиарды людей по всему миру сделать инъекцию. Либо — пусть это и грандиозная научная задача — он мог бы зарядить рис бета-каротином.

Наиболее часто употребляемый в пищу рис относится к разновидности Oryza sativa (рис посевной). У него всего 12 хромосом и общая длина ДНК 430 мегабаз (единиц измерения длины нуклеотидов, каждая из которых равна одному миллиону пар оснований). Благодаря этому такой рис— отличный кандидат для геномики растений. Сам по себе Oryza sativa не экспрессирует бета-каротин в крахмалистую, внутреннюю часть рисового зерна (известную как эндосперм), которую большинство людей употребляет в пищу. Потрикус начал с гипотезы, согласно которой мог быть создан новый способ получения бета-каротина растением.

Вместе с небольшой группой коллег он приступил к работе. Потрикус был не единственным из ученых, кто задумывался о бета-каротине и рисе. Фонд Рокфеллера, частная благотворительная организация со штаб-квартирой в Нью-Йорке, обладающая целевым капиталом более 4 миллиардов долларов и ставящая перед собой задачу покончить с голодом во всем мире, размышлял над той же проблемой и тоже пришел к идее получения риса, обогащенного витамином A. Фонд стал одним из первых инвесторов Международного научно-исследовательского института риса (IRRI) — некоммерческого научного центра, базирующегося на Филиппинах. К 1984 году директор по продовольственной безопасности Фонда Рокфеллера Гэри Тэнниссен и некоторые его коллеги считали, что у них есть все необходимое для реализации глобальной программы по разработке нового суперриса: собственные специалисты, сеть учреждений и партнеров, а также средства для привлечения исследователей из других организаций. Вскоре ученые из Фонда Рокфеллера создали первую карту молекулярных ДНК-маркеров риса и в итоге установили связь между рисом и эволюцией таких продовольственных злаков, как кукуруза, рожь и пшеница, — это было ошеломляющее открытие, которое поставило под сомнение давние представления о других ключевых источниках пищи. Но как обогатить рис, чтобы сделать его более питательным? Эта задача по-прежнему решению.

Тэнниссен решил организовать встречу с одним из знакомых исследователей в области биохимии Питером Бейером, специалистом по бета-каротину из Фрайбургского университета в Германии. Хотя Тэнниссен и Потрикус считали, что вывести новый, питательный и простой в выращивании сорт риса можно, им нужен был генетический код не связанного с рисом растения. Болгарский перец и батат — хорошие источники бета-каротина, однако Бейер предположил, что лучше взять еще более далекого родственника. Таким кандидатом всем хорошо знакомый нарцисс — прекрасный цветок, изредка ошибочно принимаемый за съедобное растение, ярко-желтый, с шестью лепестками, окружающими оранжево-желтый раструб.

Исследователи понимали, что идея далека от реальности. Чтобы генетически модифицировать такое растение, как Oryza sativa, сначала предстояло определить, какие гены нарцисса стоит использовать. Затем нужно было выделить эти гены и закодировать их в зародышах растений. Предположив, что выбор генов сделан правильно, ученые надеялись, что проростки по мере развития будут включать эти новые гены в свою ДНК, производить требуемые белки и действовать в согласии с остальным геномом растения. В итоге эти клетки созреют и произведут семена, которые теоретически будут нести в себе новый измененный код и передадут новые гены будущим растениям риса, способным производить бета-каротин.

Это был лишь один элемент пазла. Агрономы-селекционеры традиционно полагались исключительно на эксперименты и терпение. К 1990-м годам ученым удалось добиться переноса одного гена для модификации организма. Но, чтобы получить обогащенный бета-каротином рис, требовалось три гена для проведения модификации. Приступив к работе, Потрикус с командой пробовали разные методы трансформации. Сначала они планировали вводить по одному новому гену в отдельные растения риса, а затем размножить их обычным способом. Хотя несколько первых образцов давали основания для оптимизма, повторные попытки произвести все необходимые ферменты не увенчались успехом. Тогда решили применить более агрессивный подход: сконструировать бактерию, которая внедрила бы свою ДНК в зародыши риса. Этот процесс, известный как Agrobacterium-опосредованная трансформация, позволил бы ввести все необходимые гены одновременно. Новая, модифицированная ДНК должна была включать фитоен-синтазу и ликопин-бета-циклазу из нарцисса и фитоен-десатуразу из бактерий. После полного созревания эти модифицированные растения риса должны были производить и накапливать бета-каротин.

Выращивать рис в теплице Потрикуса у подножья Швейцарских Альп было так же сложно, как и на рисовом поле в Японии. Спустя много лет, посвященных экспериментам, Потрикус, Бейер и их коллеги опубликовали результаты своих исследований с описанием обогащенного витамином A биоинженерного риса. Но научные публикации только начало. Этот биоинженерный рис предстояло изучить и испытать на рисовых полях по всему миру, и на это ушло еще много лет упорной исследовательской работы. Конечной целью команды было не извлечение прибыли, а глобальная безвозмездная раздача семян. Это был гуманитарный проект по бесплатному распределению биоинженерного риса среди фермеров и остального населения. Новый, генетически модифицированный рис предназначался для того, чтобы ни один ребенок в мире больше не погиб от дефицита витамина A⁸.

Примерно в это же время общественность впервые узнала о генетически модифицированных организмах. Томаты сорта Flavr Savr вдохновили других исследователей на решение существующих проблем — кольцевой пятнистости папайи, не темнеющих в местах удара яблок, а их работа привлекла внимание активистов всего мира. В частности, за дискредитацию научного направления, связанного с генетически модифицированными растениями, активно принялся Гринпис. Члены организации были согласны сесть в тюрьму, лишь бы это способствовало запрету ГМО и повлекло за собой освещение протестов в СМИ.

К тому времени Потрикус и Бейер сосредоточили внимание исключительно на своем проекте и на перспективах глобальных изменений в подходе к продовольственной безопасности, которые этот проект способен повлечь. Они все больше погружались в мир чистой науки. В отличие от владельцев Lil’ Dizzy’s они не знали, что завоевание доверия публики требует определенной гибкости, к тому же у них не было ни давних связей с сообществами, которым они стремились служить, ни трогательной семейной истории. Они и те, кто их поддерживал и финансировал, не могли предвидеть, что вскоре миллионы людей начнут искать причины — любые, реальные или полностью надуманные, — чтобы помешать им и оспорить научные основы синтетической биологии.

Подробнее читайте:
Уэбб, Э. Машина творения: Новые организмы, редактирование генома и лабораторные гамбургеры / Эми Уэбб, Эндрю Гессель ; Пер. с англ. [Ольги Корчевской] — М. : Альпина нон-фикшн, 2024. — 470 с.