Як редагування генів покращуватиме врожайність сільськогосподарських культур

Генетичне редагування схоже на перемикання світла за допомогою вимикача (майже).

Здається, що генетичне редагування та перемикач мають стільки ж спільного, скільки й футболіст і балерина. Але давайте копнемо трохи глибше. «Просто кажучи, генетичне редагування — це як перемикання світла» , — говорить Федеріко Тріподі, виконавчий директор американської компанії Calyxt, що працює в сфері високих технологій в сільському господарстві, в статті, що вийшла в американському інтернет-виданні Successful Farming.

Генетичне редагування — це група технологій, що використовуються для ввімкнення, вимкнення або видозміни матеріалу в певних ділянках генома зернових. Хочете подолати хвороби сільськогосподарських культур? Вимкніть перемикач. Хочете отримати характеристики, що підвищують урожайність? Ввімкніть перемикач.

Вчені вважають цю технологію настільки ж революційною, як і поява генетично модифікованих кукурудзи та сої на ринку в 90-і роки. До того ж, вона не несе недоліків ГМО.

«ГМО — це поміщення в рослину чужорідного матеріалу. При генетичному редагуванні ми просто вносимо зміни до вже існуючого геному», — говорить Адріан Персі, глобальний керівник досліджень і розробок для Bayer Crop Science.

Генетичне редагування може виявитися цікавою технологією для споживачів.

«Коли ми говоримо про введення чужорідних генів, споживачі побоюються. Редагування існуючих генів рослини викликає у них не так багато побоювань», — говорить Річард Уілкінс, фермер і голова Американської соєвої асоціації.

Фермери швидко відчули агрономічні переваги технології ГМО. Споживачі — ні.  Генетичне редагування може змінити ситуацію, оскільки воно створює продукти, які не містять транс-жирів і мають високий вміст складних вуглеводів та клітковини, а також усуває алергію на продукти.

«Якщо ця технологія допоможе людям жити краще, я думаю, що ми зможемо направити її  у прийнятне для споживачів русло», — каже Чіп Боулінг, фермер і колишній президент Національної асоціації виробників кукурудзи США.

Як це працює

Генетична інформація організму (рослини, тварини чи людини) кодується у ДНК. Спіраль ДНК містить чотири нуклеотидні бази: аденин, цитозин, гуанін і тимін. В літературі вони часто позначаються великими початковими літерами назв кожної з цих речовин. Ці літери та їх порядок насправді створюють генетичний код організму. «Зміна порядку літер може змінити цей код», — пояснює Бред Фаббрі, головний науковий співробітник американської венчурно-технологічної фірми в сільському господарстві TechAccel.

Ці зміни відбувалися природно — шляхом мутагенезу.

«Це може статися випадково. Прогулянка берегом моря і потрапляння космічних променів можуть змінити ДНК», — каже Бред Фаббрі.

Селекціонери в рослинництві також використовували мутагенез, щоб стимулювати зміни з метою виведення нових сортів. Однак це часто займає роки. «За допомогою CRISPR-Cas (одна з технологій генетичного редагування, що базується на CRISPR — коротких паліндромних повторах, регулярно розташованих групами та Cas — асоційованих білках — ред.) строк може бути скорочений до шести місяців», — зауважує Дін Буші глобальний менеджер з регуляторної бази дослідницької діяльності  Bayer Crop Science.

Генетичне редагування інколи усуває випадковості й неточності, які інколи виникають внаслідок введення в геном чужорідних ліній за допомогою трансгенних технологій. Тобто, з точки зору акуратності генетичне редагування проти ГМ-технології — це високо потужна гвинтівка проти дробовика.

«Однією з відмінностей генетичної технології (у порівнянні з технологією ГМО) є та специфіка, якої ми можемо досягти. Ми ідентифікуємо генетичну послідовність, пов'язану лише з потрібним геном, а не з рештою геномів. Наприклад, щоб отримати стійкість до сульфонілсечовини (д. р. гербіцидів) у канолі, ми внесли дві-три зміни у код її гена», — говорить Ф. Тріподі.

«Як правило, генетична модифікація продуктів займає 13 років і потребує близько $130 млн для комерціалізації. Ми можемо поліпшувати сільгоспкультури шляхом генетичного редагування у півтора рази швидше», — додає він.

Точна обрізка

Вчені можуть це зробити, використовуючи різні інструменти, які ріжуть та редагують геном рослини. Вони включають:

• TALEN (нуклеази, що виступають транскрипційними ефекторами активаторного типу)
• мегануклеази
• нуклеази «цинкового пальця»
• CRISPR-Cas
• Мутагенез, спрямований на олігонуклеотиди (Oligonucleotide-directed mutagenesis — ODN).
• Сконструйовані мегануклеази.

«Ви можете думати про ці інструменти, як про ножиці, що роблять точний виріз ДНК. Вони можуть або дезактивувати, або активувати певний ген», — говорить Тріподі.

«Така обрізка запускає в клітині власний механізм відтворення ДНК з метою внесення змін», — додає Бред Фаббрі. Це схоже на природну мутацію (таку, що виникає внаслідок космічних променів або сонячних ультрафіолетових променів), яка пошкоджує ДНК, а потім запускає відновлення.

Всі вищезгадані інструменти генетичного редагування мають різні характеристики. Технологія TALEN є власністю компанії Calyxt. Вчені говорять, що її точність допомагає уникнути непотрібних скорочень генома.

Такі компанії, як DuPont Pioneer, використовують фермент CRISPR-Cas9, який схожий на молекулярні ножиці.

«Ми можемо відрізати тут, відрізати там і внести цільові зміни. Аналогічно до текстового редактора, технологія якого може заміняти, редагувати та змінювати написання», — говорить Боб Мілі, старший науковий співробітник DuPont Pioneer.

Як і TALEN, фермент CRISPR-Cas9 також може редагувати п'ять або більше різних генів у одному геномі.

«У минулому за один раз можна було виправити лише один ген. Це перша технологія, яка дозволяє нам переглядати до п'яти генів або більше», — говорить Дін Буші.

Обмеження

Генетичне редагування — це ще не кінцева мета науковців. Незважаючи на те, що вчені описали багато геномів сільськогосподарських культур, вони не знають, скільки ще генів функціонує в геномі.

«Ми повинні знати, які саме гени потрібні, перш ніж ми можемо їх редагувати. Ми знаємо послідовність генів, але ми маємо й розуміти, як вони працюють», — говорить Дін Буші.

Ще одна перешкода: редагування генів може змінити культуру, тільки якщо бажані властивості вже наявні. Наприклад, захист від вірусного захворювання буде працювати, лише якщо він вже присутній у генах.

Тому Дін Буші каже, що

технології ГМО нікуди не зникнуть найближчим часом.

«Наприклад, генетичне редагування все ще не може виробити стійкість до шкодочинних комах. Але для таких речей, як засухостійкість, яка вже може існувати у рослині, технологія може працювати добре. Більші та глибші геномні знання дадуть нам кращі та точніші дані в довгостроковій перспективі», - додає Боб Мілі.

А як щодо регуляторного схвалення?

Сьогодні цілком імовірно, що генетично відредаговане насіння уникне довгого процесу схвалення регуляторними органами, з яким стикнулися генетично модифіковані організми.

«У квітні 2016 р. міністерство сільського господарства США повідомило, що регламентація генів не буде регулюватися так само, як ГМО. Адже в ГМО використовується генетичний матеріал інших видів. Це не те, що ми робимо», — говорить Моррі Брайант, старший менеджер з маркетингу DuPont Pioneer.

«Це суттєво зменшить витрати на дотримання вимог законодавства, що робить конкурентоспроможними й відносно невеликі фірми», — говорить Джон Голдберг, засновник консалтингової компанії Science Based Strategies.

«Зведене до мінімуму державне регулювання може допомогти команді з недорогими технологічними витратами, використовувати технології генетичного редагування. Зараз пакет CRISPR-Cas9 можна замовити в Інтернеті приблизно за $110», - говорить Дін Буші.

«CRISPR-Cas дешевий і з ним легко працювати. Насправді навіть старші школярі можуть використовувати цю технологію», — додає Бред Фабрі.

«Генетичне редагування надає унікальну можливість демократизувати доступ до технологій так само, як і до цифрових інструментів», — говорить Робб Фралі, головний технолог компанії Monsanto.

Що говорить споживач?

Нормативне врегулювання і доступність технології ще не означають перемогу у битві. Споживачам доводиться пояснювати, що харчові продукти, вироблені з застосуванням редагуванням генів, є безпечними.

«Треба вчитися на досвіді ГМО. Ми хочемо послухати споживачів і зрозуміти їхні побоювання», — говорить Боб Мелі.

«Компанії повинні мати прозорі технології. Споживачі мають право знати, що міститься в продуктах і чи це безпечно», — додає Бред Фаббрі.

Ключовим є також виробництво продуктів, привабливих для споживачів.

«Якщо компанії зможуть виготовити продукти, такі як картопляні чіпси чи французьку печеню з менш шкідливими компонентами, то я думаю, що це той напрямок, у кому має розвиватися індустрія. Це може допомогти змінити думку споживачам, що турбуються своїм здоров'ям та здоров'ям своєї сім'ї», — продовжує Б. Фаббрі.

Зміна генетичного коду

Ще одна американська компанія — Cibus, використовує свою систему швидкого розвитку генетичних ліній для підвищення стійкості рослин до хвороб, гербіцидів або екологічних стресових факторів. Співробітники Cibus кажуть, що це робиться за допомогою зміни тільки однієї або кількох літер у генетичному коді.

Працівники Cibus вказують, що у всіх клітинах є складні системи, які коригують ДНК та виправляють помилки копіювання, що виникають, коли клітини розділяються. Ця технологія працює, керуючи цією системою природного відновлення, щоб зміни в генетичному коді були точними. Це дає очікувані корисні властивості, як стверджують працівники компанії.

Хірургічна точність технології допомагає прискорити швидкість селекції рослин.

Очікування

Існує цілий ряд генетично відредагованих культур, які мають намір вийти на ринок у найближчому майбутньому. Ось деякі з них:

Високоолеїнові соєві боби. Calyxt виводить високоолеїнову сою, з якими планує вийти на ринок в 2018 р. Ця соя приваблива для споживачів, тому що вона здоровіша, ніж багато інших харчових олій, як стверджують самі харчовики. В них немає транс-жирів і вміст олеїну перевищує 75%. Це приблизно як у оливкової олії, здорової кулінарної олії. Також високо олеїнова соєва олія має вдвічі-втричі довший строк зберігання, ніж звичайна.

Calyxt також розвиває толерантність до гербіцидів у пшениці за допомогою редагування генів. Компанія вивчає такі продукти, як сорти пшениці з пониженим вмістом глютену та збільшеним вмістом харчових волокон.

Воскова кукурудза. Компанія DuPont Pioneer планує випустити поліпшені гібриди воскової кукурудзи в 2019 або 2020 р. «Ми є лідерами на ринку воскової кукурудзи», — коментує Боб Мелі.

Cibus також розробляє нові продукти, використовуючи технологію швидкого розвитку генетичних ліній, серед яких:

Стійкий до гліфосату льон. Має з’явитися на ринку за кілька років.

Два не трансгенних стійких до гербіцидів сорти рису.

Стійка до хвороб (конкретно — фітофторозу) картопля.

Переклала Маргарита Малиновська