Дженнифер Дудна, один из изобретателей прорывного инструмента генного редактирования CRISPR, утверждает, что эта технология поможет человечеству справиться с растущими угрозами изменения климата. Речь идет о создании сельскохозяйственных культур и животных, лучше приспособленных к более жарким, засушливым, влажным или экстремальным погодным условиям.
«Потенциал огромен, — заявляет Дудна, разделившая Нобелевскую премию по химии 2020 года за ее роль в этом открытии. — Мы стоим на пороге революции, связанной с CRISPR».
В прошлом месяце Институт геномики инноваций (IGI), основанный Дудной, провел Саммит по климату и сельскому хозяйству в Калифорнийском университете в Беркли. Участники обсуждали, какую роль редактирование генома может сыграть в противодействии растущим опасностям климатических изменений. На полях этого закрытого мероприятия Дудна пообщалась с изданием MIT Technology Review.
Двенадцать лет назад она и ее соавторы опубликовали свою эпохальную статью о данной методике в журнале Science, продемонстрировав, как бактериальная иммунная система может быть запрограммирована для поиска и вырезания определенных участков ДНК. Первые пациенты уже начали получать первое одобренное медицинское лечение, созданное с помощью этих «геномных ножниц», — генную терапию серповидноклеточной анемии. Кроме того, растущий список продуктов, созданных с помощью CRISPR, постепенно появляется на полках супермаркетов.
В разработке находится множество других растений и животных, отредактированных с помощью CRISPR. Многие из них изменены для выработки признаков, которые помогут им выживать или процветать в условиях, нарастающих из-за изменения климата, что начинает реализовывать давнее обещание генной инженерии. Сюда относятся потомки двух коров, которых биотехнологическая компания Acceligen из Миннесоты отредактировала для получения более короткой шерсти — лучше соответствующей более высоким температурам. В 2022 году Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) постановило, что мясо и другая продукция от этих коров «представляют низкий риск для людей, животных, продовольственной безопасности и окружающей среды» и могут быть допущены к продаже американским потребителям.
Другие компании используют CRISPR для выведения кукурузы с более короткими и крепкими стеблями, что может снизить потери урожая от усиливающихся штормов; разработки покровных культур, которые помогают связывать больше углекислого газа и производить биотопливо; а также животных, устойчивых к зоонозным заболеваниям, распространение которых изменение климата может способствовать, например, птичьего гриппа.
Со своей стороны, IGI работает над созданием риса, способного выдерживать засушливые условия, а также культур, которые могли бы поглощать и накапливать больше углекислого газа — основного парникового газа, вызывающего изменение климата.
Более старые методы генной модификации, предполагающие перенос генов из одного организма в другой, уже дали сельскохозяйственные прорывы, включая культуры, устойчивые к гербицидам, а также кукурузу, картофель и сою с повышенной защитой от вредителей. Использование таких инструментов для изменения культур вызвало опасения, что так называемая «франкенфуд» усугубит аллергии и вызовет болезни у людей, хотя эти опасения для здоровья были в значительной степени преувеличены.
Главная надежда состоит в том, что способность CRISPR точно удалять определенные участки ДНК в существующих геномах растений и животных сделает процесс создания климатоустойчивых культур и скота более быстрым и простым, позволяя избежать многих ловушек более ранних методов селекции и редактирования. Дополнительное преимущество заключается в том, что полученные продукты могут оказаться более привлекательными для общественности, поскольку они часто не будут содержать ДНК других организмов — и не будут маркироваться как биоинженерные. (Хотя CRISPR также может использоваться для создания таких трансгенных растений и животных.)
«Очень воодушевляет видеть появление этих продуктов, поскольку они имеют реальное значение, невероятно важное, особенно когда мы сталкиваемся с изменением климата и ростом нашего населения», — говорит Дудна, профессор биохимии из Калифорнийского университета в Беркли.
Однако остаются значительные препятствия на пути разработки и коммерциализации революционных новых культур и животных, а также ограничения того, насколько этот инструмент сможет помочь фермерам и сообществам в регионах, которые станут чрезмерно жаркими, сухими или влажными в ближайшие десятилетия.
Грядущие продукты CRISPR
В последние годы Министерство сельского хозяйства США ослабило свои правила регулирования и маркировки генетически модифицированных продуктов, что открывает путь для многих CRISPR-изменений.
Департамент по-прежнему часто осуществляет надзор и требует раскрытия информации о трансгенных растениях и животных. Но он постановил, что не будет регулировать продукты, если инструменты редактирования генома, такие как CRISPR, используются для внесения «одиночного изменения, которое могло бы быть достигнуто за счет традиционной селекции» в течение более длительного времени.
«Мы просто вносим признак, который мог бы возникнуть естественным путем», — говорит Дудна о регуляторном различии. «Просто мы ускорили этот процесс с помощью CRISPR».
Согласно анализу публичных документов, проведенному MIT Technology Review, USDA подтвердило компаниям или исследовательским группам, что несколько десятков культур, разработанных с использованием CRISPR, будут освобождены от регулирования.
Использование CRISPR и аналогичных технологий будет иметь решающее значение для продовольственного обеспечения растущего населения мира без значительного увеличения площадей, удобрений и других ресурсов, выделяемых на сельское хозяйство, считает Чавонда Джейкобс-Янг, главный научный сотрудник USDA. Джейкобс-Янг выступала на конференции в Беркли, а также общалась с MIT Technology Review.
«Нам нужны высокотехнологичные инструменты, — говорит она. — Это станет важным ключом к обеспечению безопасного, обильного, вкусного… и доступного продовольствия».
Традиционные методы селекции — которые включают скрещивание сортов растений и животных или использование радиации/химикатов для создания мутаций — это довольно «грязный» процесс. Он может привести к многочисленным изменениям в геноме, не все из которых полезны, требуя значительного метода проб и ошибок для выделения улучшений.
«Радость от CRISPR для генного редактирования в том, что вы можете вносить изменения именно там, где хотите, — говорит Эмма Ковак, старший аналитик по продовольствию и сельскому хозяйству из Института прорыва (Breakthrough Institute). — Это абсолютно огромный прорыв с точки зрения экономии времени и денег».
Однако, несмотря на всю мощь и точность CRISPR, все еще требуется значительная работа, чтобы точно нацелиться на нужный участок генома, оценить, приносят ли какие-либо изменения ожидаемую пользу, и, что крайне важно, гарантировать, что данные правки не нанесут ущерба общему здоровью растения или безопасности пищевых продуктов.
Усовершенствованные инструменты генного редактирования также помогли возобновить и ускорить исследования для лучшего понимания сложных геномов растений, которые часто в несколько раз превышают по размеру человеческий геном. Эта работа помогает ученым выявлять гены, ответственные за соответствующие признаки, и изменения, которые могут привести к улучшениям.
Дудна отмечает, что мы увидим гораздо больше культур, измененных для повышения устойчивости к изменению климата, по мере развития исследований в этой области.
«В будущем, по мере того как мы будем открывать все больше фундаментальной генетики признаков, CRISPR сможет выступить в качестве очень практического инструмента для создания тех видов растений, которые справятся с этими надвигающимися проблемами», — говорит она.
Практичные растения и вежливый скот
Усилия IGI по разработке сорта риса, который был бы более устойчив к засухе, чем стандартные сорта, демонстрируют как перспективы, так и трудности.
Несколько исследовательских групп использовали CRISPR для отключения гена, который влияет на количество крошечных пор на листьях растения. Эти поры, известные как устьица, позволяют рису поглощать углекислый газ, выделять кислород и испарять воду для контроля температуры. Надежда заключается в том, что при меньшем количестве устьиц растения смогут сохранять больше влаги, чтобы выживать и расти в более сухих условиях.
Но это оказалось сложным балансом. Ранние исследования были направлены на так называемый ген STOMAGEN. Из-за этого было устранено до 80% пор, что, безусловно, уменьшило потерю воды. Но это также нарушило способность растений поглощать углекислый газ и выделять кислород, что критически важно для фотосинтеза.
Исследователи IGI сосредоточились на другом гене, EPFL10, который имел менее драматический эффект, уменьшая количество пор примерно на 20%. Согласно исследованию, опубликованному этой группой, эта небольшая корректировка помогла растениям сохранять воду, но не повлияла на их способность регулировать температуру или газообмен.
«Это выводит растениеводство на новый уровень», — говорит Дудна о CRISPR. «Мы можем регулировать количество этих пор, увеличивая или уменьшая экспрессию определенных генов… до уровней, которые фактически поддерживают рост растений [и] позволяют фермерам получать рис нужного качества и урожайности, но без потерь воды».
Организация также изучает способы, которыми CRISPR может более прямо бороться с изменением климата. Это включает исследовательскую программу, направленную на сокращение метана, который выдыхают коровы. Метан является основным источником выбросов парниковых газов, связанных с животноводством.
IGI сотрудничает с исследователями из Калифорнийского университета в Дейвисе и других учреждений, чтобы выяснить, можно ли использовать CRISPR и другие новые инструменты для изменения микробов в желудках крупного рогатого скота таким образом, чтобы снизить выработку этого мощного парникового газа.
Ряд исследовательских групп и стартапов работают над снижением этих выбросов с помощью кормовых добавок, часто получаемых из вида морских водорослей. Но надежда на то, что изменения в микробиоме коров могут быть постоянными и наследуемыми, говорит Брэд Рингхайзен, исполнительный директор IGI.
«Если мы добьемся успеха, это потенциально может быть применимо практически к каждой корове в мире», — отмечает он.
Маркировка и безопасность
Ковак считает, что существует множество проблем, которые могут замедлить разработку отредактированных CRISPR животных и растений. К ним относятся сохраняющиеся регуляторные препятствия для продуктов, при которых вносится чужеродная ДНК, или выполняются более сложные изменения. Сюда же относятся продолжающиеся споры об интеллектуальных правах на сам инструмент и появляющиеся его варианты, а также затраты или бремя, которые компании должны нести для использования этой технологии.
Сама Дудна находилась в центре запутанного, ожесточенного и извилистого спора с Институтом Броуда по поводу владения основными патентами на CRISPR. (Институт Броуда аффилирован с MIT, которому принадлежит MIT Technology Review.) Каждая сторона получила множество патентов в различных странах на определенные аспекты и варианты этого инструмента.
Продолжающиеся судебные тяжбы создали сложность и неопределенность для компаний, стремящихся использовать CRISPR для разработки коммерческих продуктов.
Дудна основала или стала соучредителем нескольких стартапов, включая Caribou Biosciences, которая получила сублицензию на доступ к определенным патентам CRISPR для использования в том числе в сельском хозяйстве. Она не ответила на дополнительный вопрос по этому поводу к моменту сдачи статьи в печать.
«Хотя мы видели большой прогресс за относительно короткое время, тот факт, что различные патенты на CRISPR контролируются несколькими организациями, иногда замедлял или останавливал вывод некоторых сельскохозяйственных продуктов на рынок», — написал Рингхайзен из IGI в ответ по электронной почте.
Однако он добавляет, что продолжается прогресс в открытии и использовании родственных инструментов генного редактирования, которые еще не обременены патентами.
Тем временем продавцы натуральных продуктов, скептики, выступающие против ГМО, и другие организации резко раскритиковали позицию USDA по регулированию и маркировке генетически измененных продуктов. Они утверждают, что измененные культуры имели пагубные последствия для окружающей среды, а правила не обеспечивают потребителей прозрачностью, необходимой для принятия обоснованных решений о покупаемых и потребляемых продуктах.
Дудна подчеркивает, что крайне важно использовать CRISPR и аналогичные инструменты осторожно. Но она считает, что США нашли правильный баланс в своем подходе к регулированию и маркировке.
«Это действительно информированный подход, основанный на науке, — говорит она. — Вместо того чтобы смотреть на то, как был создан этот сорт или культура, вопрос в том, каков конечный продукт?»
Она отмечает, что IGI стремится выступать в качестве «голоса разума» по этим вопросам, помогая противостоять страхам и недопониманию, предоставляя научную информацию о том, как CRISPR может использоваться для лечения заболеваний человека, помощи фермерам в адаптации к изменению климата или решения других угроз в жизни людей.
«С самого начала, конечно, было ясно, что это будет мощный инструмент, который может быть неправильно понят и неправильно использован, — заключает Дудна. — Но он также обладает огромным потенциалом, чтобы помочь нам справиться со многими из этих проблем».
