Исследователи используют редактирование генома для разработки биоразлагаемых агентов, защищающих урожай от патогенов. В то время как в мире нарастает необходимость прокормить все больше и больше людей, данные технологии обещают производство большего количества продуктов питания без использования химических пестицидов.
Когда европейские исследователи анонсировали новые технологии, потенциально способные избавиться от необходимости в использовании химических пестицидов, это звучало слишком хорошо, чтобы быть правдой. Одной из причин подобного скепсиса являлся тот факт, что частенько передовые технологии, прекрасно проявляющие себя в лабораториях, на деле оказываются не слишком эффективны. Кроме того, в сельском хозяйстве в целом слишком сильна вера в продукты зеленой революции – химические удобрения, фунгициды, гербициды, и другие вещества, обеспечивающие повышенную урожайность полей и защиту культур.
Новые открытия в редактировании генома впервые позволили провести детальный анализ микробных сообществ, живущих внутри и вокруг растений, представляющих собой сельскохозяйственный аналог человеческого микробиома. Изучение мутуалистических микробов стало весьма популярным трендом, поскольку сулило перспективы полного замещения биопестицидов и био-удобрений. Исследователи вовсю расхваливали различные микроорганизмы, помогающие растениям извлекать фосфор, азот и другие нутриенты из окружающей среды, а также противостоять засухе, засоленности почвы, жаре, холоду, паразитам, заболеваниям и другим негативным факторам. К сожалению, часто многообещающие результаты в лабораториях не находили подтверждения в реальности, где сотни видов микроорганизмов начинали активно взаимодействовать друг с другом и с растением, последствия которых ученые лишь начинают понимать.
Классическим примером партнерства микробов и растения является азотная фиксация, арахисом, горохом и другими бобовыми. Эти культуры имеют специальные колонии бактерий в своих корнях, которые и извлекают азот из атмосферы, что позволяет растению обходиться без азотных добавок. Теоретически. На практике же последующие поколения культур имеют все менее и менее эффективные колонии бактерий, которые потребляют гораздо больше питательных веществ из растения, выдавая взамен значительно меньшие порции азота. Причина такой деградации учеными пока не обнаружена. Поэтому, как это ни парадоксально, фермер в итоге вынужден вносить азотные удобрения в культуры, изначально спрокектированные для самостоятельной добычи азота.
Растение слева инфицировано вирусом табачной мозаики, видимой при использовании флуоресцентных маркеров. Справа – растение, обработанное дцРНК-агентом.
И тем не менее именно новые технологии редактирования генома и управления отношениями на уровне растение-микроорганизм потенциально способны существенно изменить облик современной сельскохозяйственной отрасли, дав возможность аграриям существенно увеличить урожайность полей при снижении нагрузки на окружающую среду. По правде сказать, времени у аграриев не так уж и много, поскольку уже в этом веке перед ними станет задача обеспечения продовольственной безопасности для 10 млрд. человек населения. И это в условиях деградирующей почвы и непредсказуемых климатических изменениях.
Идея создания агентов, защищающих растения от патогенов, присутствовала в агробизнесе уже многие десятилетия. Однако основные подвижки произошли лишь в последние годы, когда ученым удалось продемонстрировать возможность настроить естественные механизмы растения для борьбы с определенными патогенами. Оказалось, что ключевым активатором иммунной системы растений и других организмов является двухцепочечная РНК (далее дцРНК), модификация которой позволяет запрограммировать растение на борьбу с напастью.
Генетическая инженерия, тем не менее, столкнулась с существенными технологическими и правовыми ограничениями, снижающими ее способность быстро реагировать на новые патогены. Кроме того, далеко не всегда подобного рода решения находят признание в обществе, особенно если это касается продовольственных культур. В исследовании, опубликованном в прошлом месяце в издании Plant Biotechnology, создатели используют несколько другой подход – целевой патоген секвенируется в лабораториях, после чего производятся особые дцРНК с длинной нуклеотидной последовательностью, наиболее подходящей для борьбы с данным патогеном. Бактериальные ферментационные камеры могли бы быстро продуцировать достаточное количество этой целевой дцРНК для распыления на сельскохозяйственных культурах. По мнению молекулярного биолога Манфреда Хейнлейна (Manfred Heinlein) из Национального центра научных исследований (Франция), новый метод позволит перейти от идентификации нового патогена к изготовлению нужного спрея всего за шесть месяцев, а то и меньше.
В отличие от химических пестицидов новые РНК-агенты являются биосовместимыми и биоразлагаемыми соединениями, являющимися частью природы и встречающимися повсеместно внутри и за пределами организмов, а также в продуктах питания, считают ученые. Поскольку целевая дцРНК агента совпадает с нуклеотидной последовательностью патогена, агент остается действенным решением даже в случае последующей мутации вредоносного микроорганизма.
Есть, однако, и ограничения. Так, созданный на основе РНК пестицид не является вакциной и потому не может привить обрабатываемой культуре стойкий иммунитет к патогену. Пестицид работает только пока существует целевой патоген, и лишь в первые 10-20 дней, т.к. далее агент распадается. Исследователям еще предстоит проверить дцРНК-решение на вирусе табачной мозаики, и ряде других патогенов. Также необходимо изучить побочные эффекты как на растения, так и на полезных насекомых.
Выведенный сорт пшеницы, резистентный к мучнистой росе, возникающей в результате действий грибка Blumeria graminis.
Технология редактирования генома (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats – кластерные короткие палиндромные повторы, разделённые регулярными промежутками) уже начинает применяться в сельскохозяйственных культурах, причем темпы внедрения ускоряются. Данная технология является лучшей альтернативой генной инженерии, которая многими рассматривается как средство для создания очередных ГМО-продуктов, поскольку происходит внедрение генов одного вида в другой. Редактирование генома же, напротив, не является трансгенным. С помощью нее ученые способны с высокой точностью удалить мельчайшие генетические последовательности из генома, либо наоборот, добавить в геном последовательность из генома другой особи одного вида.
Наибольшая привлекательность редактирования генома заключается в том, что возможно заставить растения выполнять функции, которые сегодня выполняют пестициды. Так, пшеница обычно требует интенсивного использования фунгицидов против мучнистой росы. Тем не менее, в Китае уже вывели сорт, резистентный к данному заболеванию. Редактирование генома также является достаточно дешевой технологией, поэтому в будущем она может успешно применяться в развивающихся странах.
