Замедление или полный газ в генной инженерии растений
С помощью генных ножниц CRISPR мир должен стать лучше: сельское хозяйство более устойчивым, урожай более здоровым и крепким, и все это быстрее и без монопольного положения крупных сельскохозяйственных корпораций. Время для проверки фактов.
Нет недостатка в похвалах, когда речь заходит о процессе редактирования генома CRISPR-Cas. Прилагательные, используемые для описания метода, являются революционными, целенаправленными, точными, дешевыми и простыми. С помощью генных ножниц ученые хотят вывести растения, устойчивые к засухе и засоленным почвам, устойчивые к вредителям, экономящие пестициды и дающие более высокий урожай. Таким образом, это чудо-инструмент, который может устойчиво гарантировать, что растущее население мира будет накормлено во времена изменения климата. Критики отмечают, что обещания такого рода звучали и раньше: когда рекламировались преимущества классической генной инженерии. На самом деле, многие «трансгенные» растения теперь довольно устойчивы к гербицидам или насекомым, но большого успеха не произошло. Может ли CRISPR сделать больше?
Технология CRISPR-Cas, впервые описанная в 2012 году, еще молода. Всего семь лет спустя CRISPR явно является доминирующим методом редактирования генома в исследованиях растений. Согласно обзору, опубликованному в журнале «Environmental Evidence» к маю 2018 года, исследователи из Института Юлиуса Кюна в Кведлинбурге провели 1328 исследований по редактированию генома 68 видов растений. На CRISPR приходилось 1032 исследования. Три четверти исследований были опубликованы в Китае (599), затем следуют США (487), Япония (94) и Германия (88). Часто это все еще фундаментальные исследования, но обзорное исследование определяет 99 исследований по 28 культурам как ориентированные на рынок.
"Сегодняшние культурные растения генетически бедны" (Йорг Кудла, Институт биологии растений и биотехнологии, Университет Мюнстера)
Рис явно лидирует среди исследованных культур, за ним следуют томаты, кукуруза, пшеница и соя. Также проводятся исследования картофеля, огурцов, грейпфрутов, арахиса, салата и бананов. Цели исследований CRISPR те же, что и на протяжении тысячелетий. Речь всегда идет об адаптации полезных растений к потребностям человека. Помимо классики, урожайности и устойчивости к болезням, исследователи сейчас пытаются улучшить и качество: выводят картофель, который дольше остается свежим и при нагревании вырабатывает меньше акриламида, пшеницу с пониженным содержанием клейковины или салат с повышенным содержанием витаминов. Соя, модифицированная с помощью более старого процесса редактирования генома TALEN с «улучшенным профилем жирных кислот», выращивается и продается в небольших масштабах в США с 2018 года.
Для риса международный исследовательский консорциум He althy Crops недавно смог объявить о прорыве в журнале Nature Biotechnology, который должен принести пользу людям и окружающей среде: исследователи во главе с Вольфом Фроммером из Университета В Дюссельдорфе были выведены растения риса, устойчивые к нескольким видам бактерий Xoo, возбудителям «болезни белых листьев», разрушительной болезни риса, которая может привести к неурожаю до 75 процентов. Особенно страдают мелкие фермеры, которые не могут позволить себе пестициды. Затем бактерии подключаются к запасам сахара незащищенного растения риса, доставляя белки в клетки растений, которые стыкуются с ДНК рядом с генами транспортировки сахара SWEET, активируя их. Затем растение выделяет сахар, и о бактериях заботятся; но растение засыхает. С помощью CRISPR-Cas исследователи модифицировали эти места стыковки бактериальных белков во всех трех соответствующих генах SWEET. Это предотвратит их активацию, и ограблению сахара придет конец.
Время уступает
Редактирование генома предлагает множество возможностей для ускорения и усовершенствования селекции, но публике его часто представляют как простое отключение или изменение определенных генов, придание нового признака, а затем вывод растения на рынок. Это неправильно», - подчеркивает соавтор обзора Франк Хартунг из Института безопасности биотехнологических процессов в растениях Института Юлиуса Кюна. Как только цель редактирования достигнута, «начинается фактическая работа по селекции. Это означает, что растение должно быть проверено на предмет его измененных свойств. Это занимает столько же времени, как и в случае с растениями, выведенными традиционным способом, поэтому обычно несколько лет выращивания и тестирования».
"Прецедентное право нереалистично и основано на научном статусе 1990-х годов" (Йорг Кудла, генетик)
В случае выращивания риса устойчивые варианты необходимо сначала скрестить с местными сортами на месте. Тем не менее, по оценкам специалистов, с помощью методов молекулярной селекции можно сэкономить много лет работы по сравнению с обычными методами - в зависимости от типа культуры он оценивается от 6 до 50 лет. Потому что желаемые изменения можно внести в растения намного быстрее и более целенаправленно, чем обычными методами.
Новые последовательности, новые идеи
CRISPR и Ко также открывают перед селекционерами совершенно новые способы селекции растений: «Благодаря огромному прогрессу в секвенировании генома мы знаем все больше и больше геномов растений и можем сравнивать их», - говорит Хольгер Пухта, глава Ботанический институт при Технологическом институте Карлсруэ (KIT). «Поразительно, что относительно небольшое количество групп генов участвует в развитии диких растений до культурных».
Если вы измените эти гены только у диких растений, это позволит «ускорить одомашнивание». В идеале сельскохозяйственные культуры должны иметь преимущества перед дикорастущими растениями, которые обычно более устойчивы и часто имеют лучший вкус, и преимуществами культурных растений, которые более продуктивны. «И это через пять, десять лет, а не через века», - говорит Пухта.
Основой всех селекционных успехов (и основой эволюции) является так называемая генетическая изменчивость: если вы сравните несколько растений одного вида, которые растут на одном и том же поле, вы обнаружите, что их геномы не совпадают. идентичный. У них разные мутации, т.е. небольшие и большие изменения ДНК, которые иногда приводят к разным свойствам. Отдавая предпочтение растениям с особенно высокоурожайными плодами в течение тысячелетий, люди сделали выбор мутаций, которые были для них выгодны. Таким образом, из дикорастущих трав и брокколи были созданы кукуруза и пшеница, кольраби, савойская капуста и Ко.«Из-за процесса селекции, который в первую очередь был направлен на получение урожая, разнообразие генома значительно сократилось на протяжении веков. Сегодняшние культурные растения генетически обеднены», - объясняет Йорг Кудла из Института биологии растений и биотехнологии Мюнстерского университета..
"Такие растения считаются потенциально опасными. Это абсурд!" (Хольгер Пухта, руководитель Ботанического института Технологического института Карлсруэ)
Хотя вы больше не можете сделать дикое растение из генетически обедненного культивируемого растения, с CRISPR все наоборот работает на удивление быстро, как Кудла смог показать на диком помидоре: с помощью CRISPR, исследователи отключили шесть генов у видов томата Solanum pimpinellifolium. Это дает только плоды размером с горошину, которые очень ароматны и имеют высокое содержание ликопина, антиоксиданта, описывают исследователи в своей публикации в «Nature Biotechnology».«У нашего культивируемого помидора были вкусные плоды размером с вишню и значительно более высокое содержание ликопина, чем у дикого помидора», - говорит Кудла. «С помощью CRISPR-Cas мы можем запустить процесс одомашнивания с нуля и сохранить ценные свойства диких растений».
Так действительно ли CRISPR является мастером на все руки, когда дело доходит до селекции растений? нет Сложные свойства, такие как солеустойчивость или засухоустойчивость, невозможно легко создать у культурных растений даже с помощью CRISPR. «Препятствия в создании повышенной устойчивости к засухе, например, заключаются в том, что обычно задействован не один ген, а несколько. В некоторых случаях эти гены являются факторами транскрипции, и они играют роль в нескольких метаболических путях в растении, а не только засухоустойчивость. Если вы включите или выключите такой ген, необходимы сложные тесты, чтобы впоследствии проверить изменившиеся свойства растения. К сожалению, это иногда показывает, что устойчивость сопровождается недостатками в других областях», - объясняет Хартунг.
Классическая генная инженерия, при которой генетики выделяют гены других видов с выгодными свойствами и вводят их в геном растения - пусть и без разбора - потерпела неудачу из-за таких сложных характеристик. CRISPR может косвенно привести к цели и помочь понять основы сложных регулируемых признаков: «Допустим, мы знаем 50 генов, которые участвуют в засухоустойчивости. С помощью CRISPR мы можем одновременно изменять большее количество генов, 10 или 20.. Затем следует фенотипирование путем тщательного контроля роста растений в теплицах. Вот как вы приближаетесь к сложному признаку», - говорит Пучта.
Внесение серьезных изменений в ДНК с помощью CRISPR в настоящее время также неэффективно. Вы должны знать, что CRISPR может сделать прежде всего одну вещь: разрезать ДНК в определенной точке. Однако ремонт остается за собственным оборудованием клетки. Обычно клетка воссоединяется со свободными концами (негомологичное соединение концов), что не всегда точно: время от времени одно основание отбрасывается или добавляется, в результате чего пораженный ген теряет свою функцию.
Если вы хотите вставить чужеродный ген в заранее определенное место с помощью CRISPR, вам придется полагаться на репарацию, направленную на гомологию (HDR). Клетка использует предоставленную ДНК в качестве матрицы и вставляет ее в ДНК. «До сих пор гомологичная рекомбинация в растениях была неэффективной», - говорит Пучта. Геномы растений очень велики, и способность к гомологичной рекомбинации, вероятно, подавляется для обеспечения стабильности генома.
Поэтому неудивительно, что 92 процента исследований, проведенных Хартунгом и его коллегами, были сосредоточены на точечных мутациях и небольших вставках нескольких оснований. Помимо технических трудностей, которые, по мнению экспертов, должны носить более временный характер, за ними могут стоять и ощутимые экономические причины: в некоторых странах, таких как США, Канада, Бразилия, Австралия, Аргентина, Япония и Израиль., используются CRISPR-растения, генетический материал которых лишь минимально обусловлен точечными мутациями, то есть которые не несут никакой чужеродной генетической информации, не считаются генетически модифицированными. Поэтому они не подпадают под действие Закона о генной инженерии и приравниваются к растениям, выведенным традиционным способом. Это устраняет очень высокую стоимость испытаний на безопасность трансгенных растений с чужой генетической информацией.
Эти страны оценивают риски конечного продукта. В Европе, с другой стороны, основное внимание уделяется процессу, процессу создания завода. В июле 2018 года Европейский суд (ECJ) постановил, что все растения, модифицированные с помощью CRISPR, подпадают под действие Закона о генной инженерии, то есть также минимально модифицированные растения без чужой генетической информации. Согласно этому чисто юридическому и формально правильному толкованию, растения, полученные классическими методами ненаправленного мутагенеза, также попадают под действие Закона о генной инженерии. Однако здесь суд делает исключение и объявляет такие испытанные методы безопасными.
Мы используем химию и радиоактивные лучи, чтобы вызвать массовые мутации в семенах растений, не зная, сколько их возникает и где. Такие растения считаются безопасными. С помощью CRISPR мы вызываем точечные мутации в определенных местах. Но такие растения считаются потенциально опасными. Это абсурд», - говорит ботаник КИТ Пухта.
Исследователи-генетики, такие как Кудла, также критикуют это юридическое заключение: «Прецедентное право нереалистично и основано на научном статусе 1990-х годов», - говорит Кудла. Европа также должна поставить оценку продукта на передний план, «как это уже принято в медицине в Европе». Это также точка зрения Национальной академии наук Леопольдина, которая в декабре 2019 года выступила с необычайно четким заявлением, призывающим к внесению поправок в Закон о генной инженерии и оценке конечного продукта.
На самом деле, решение Европейского суда поставило Европу в странную ситуацию, потому что закон не может быть реализован, говорит Кудла: «CRISPR одобрен в Израиле. Если мы импортируем израильские помидоры, это могут быть помидоры CRISPR. Его импорт будет незаконным, но никто не может доказать незаконность», - говорит исследователь CRISPR. В конечном счете, изменения CRISPR ничем не отличаются от изменений, вызванных естественными мутациями, которые постоянно происходят в природе и являются основой успеха селекции.
В Китае, где в настоящее время осуществляются две из трех всех попыток CRISPR, еще не принято никаких правил. «Можно только догадываться, почему это так. Наиболее вероятно, что большой потенциал был признан и что его нельзя предотвратить, как в ЕС, чрезмерными регулирующими усилиями», - говорит Хартунг.
Наибольшее преимущество CRISPR многие ученые видят в демократизации селекции растений: «Тому, кто хочет вывести классическое трансгенное растение, приходится считаться с огромными затратами. - говорит Кудла.«С помощью CRISPR можно также разработать большее разнообразие для ограниченных рынков. Технология раскрывает творческий потенциал».