Текст книги "Человек редактированный, или Биомедицина будущего"

Автор книги: Сергей Киселев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 12 страниц)

Генетическое модифицирование в сельском хозяйстве

Многие сотни тысяч лет наши древние предки в поисках пищи и более благоприятных климатических условий кочевали по всем континентам Земли, промышляя главным образом собирательством того, что находится на уровне глаз и под ногами. Это части и плоды растений, насекомые и их личинки, прибрежная морская или речная живность, остатки пищи от крупных хищников. Некоторые ученые считают, что древние люди в силу своих ограниченных возможностей были дневными падальщиками, поскольку более сильные хищники охотились ночью, а днем спали. Только палка и камень, взятые в руки, немного уравняли возможности вида Homo erectus и других близких видов с возможностями крупных хищников.

Собирательство было не самым надежным источником пищи, оно требовало постоянных перемещений для освоения новых территорий. Несомненным преимуществом в природе обладают те виды животных, у которых детеныши могут сразу самостоятельно перемещаться вслед за матерью, что обеспечивает и безопасность, и питание. Однако большинству животных необходимы месяцы, пока их детеныши смогут следовать за группой. Это время они проводят в укромном уголке, чтобы матери имели возможность покидать потомство. Наиболее близкие человеку виды приматов минимизировали свой контакт с землей, которая представляет для них опасность, и переселились на ветки деревьев, что обеспечило их пищей и дало возможность относительно спокойно передвигаться с детенышами, вцепившимися в матерей. Увы, относительно слабые предки человека были не способны жить на деревьях и не могли выкапывать безопасные норы с длинными ходами. Такое низкое положение в иерархической лестнице природы заставило их проявлять чудеса наблюдательности, анализа и творчества.

В частности, наши далекие предки обратили внимание на то, что остатки плодов и семена, случайно оставшиеся возле их стоянок, давали всходы. Человек начал их специально высаживать, отбирать самые плодовитые и вкусные. И вскоре люди заметили, что целенаправленное выращивание съедобных растений дает гораздо больший эффект, чем собирательство. Появилась возможность вести оседлый образ жизни, поскольку растительная пища эффективно обновлялась, а животные фактически приходили к этим местам сами. Многовековое наблюдение за растениями позволило человеку из дикорастущих видов выбрать оптимальные по вкусовым качествам, калорийности, урожайности, удобству уборки урожая и возможности хранения виды. Появились сорта растений, которые со временем стали называться культурными.

Такие растения отличались от дикорастущих прежде всего своей плодовитостью, позволяющей с единицы площади получить больше съедобной продукции. Сегодня мы понимаем, что наблюдательные люди по чисто внешним признакам отбирали те растения, в которых произошли какие-то случайные мутации. Они не знали, что мутации бывают разными, что их может происходить несколько, и отбирали не мутацию, а тот колосок, в котором образовалось больше зерен. Вид Homo sapiens sapiens освоил земледелие примерно десять тысяч лет назад; плотность населения была низкая, и окультуренные виды растений могли прокормить человечество. Климатические изменения зачастую приводили к появлению случайных мутаций, которые изменяли свойства растений, а человек продолжал отбирать лучшие. Это было время искусственного отбора и простейшей селекции с помощью скрещивания.

Однако численность населения росла со все возрастающей скоростью: порядка четырехсот миллионов – в X веке, к началу XIX века – уже миллиард, на начало XX века – около двух миллиардов, и на рубеже XIX и XX веков реально возникла проблема недостатка пищи. Земледелие должно было стать более интенсивным, чтобы обеспечить потребности растущего населения Земли. Но уже не было столетий на проведение селекции новых, еще более урожайных сортов – эту роскошь человек не мог себе позволить.

В этот трудный исторический момент сыграла свою роль техническая революция. Научные открытия и последовавшие за ними технологические решения в области физики и химии (в том числе открытие новых химических соединений, химический синтез, открытие радиоактивности, возможность заглянуть внутрь любых молекул) помогли людям научиться влиять на некоторые естественные процессы – по крайней мере, в биологических объектах. Первым вкладом науки в новую технологию земледелия стал в начале XX века радиационный и химический мутагенез. Люди научились искусственно вызывать у растений те же изменения, которые в природе происходили в результате случайных событий биологического характера, а также внешних факторов. Среди них, например, извержение вулкана несколько тысяч лет назад, вызвавшее изменение состава почв, образование и исчезновение озоновых дыр, влияющие на поток ультрафиолета, космическая радиация и т. п.

Благодаря радиационному и химическому мутагенезу можно было не ждать тысячелетиями случайных природных событий, а «вызвать» их при облучении или обработке семян химикатами (комбинаторное воздействие). Это позволяло достаточно быстро получить колоссальный набор вариантов данного растения и выбрать среди них нужный, чтобы сделать его селекционным сортом. Но что происходит при этом на генетическом уровне, никто по-прежнему не знал, а ведь нужны были именно генетические изменения – только они наследуются и сохраняются в ряде поколений. Отбор подходящих мутантных сортов производился по признакам, которые представлялись селекционерам наиболее важными: по внешнему виду, химическому составу, продуктивности, устойчивости – безотносительно к тому, что в действительности происходило внутри растения.

Подобный подход не одно десятилетие служил людям, но их становилось все больше. К середине XX века численность населения планеты составляла уже три миллиарда. И опять перестало хватать еды!

Во второй половине XX века человечество уже знало, что радиация и химическая обработка влияют на гены, от мутаций которых изменяются свойства растений. Многое стало известно о том, какие гены работают в живых организмах и какие функции они выполняют. В 1970 году была вручена Нобелевская премия за доказательство возможности переноса генов между видами, и всего через несколько лет появился рекомбинантный инсулин человека: его производят бактерии кишечной палочки E.coli, в которые введен ген инсулина человека.

А почему бы не сделать то же самое с растением и не перенести на него полезные свойства других организмов? Например, это может быть свойство устойчивости к инфекциям. Из биологии мы знаем, что существуют гены резистентности. Почему одни растения устойчивы к какой-то инфекции, а другие нет? Потому что в них нет генов резистентности. Но можно ввести ген резистентности другого растения в культурное растение, чтобы защитить его.

Технологии генетической модификации растений работают исключительно направленно и тщательно просчитаны. Уже не надо ждать десятилетия, как ждали наши предки, или произвольно и бездумно менять геном, как делали еще полвека назад. С 1980-х годов воздействие на гены растений производится только целевым образом, чтобы получить необходимые признаки. Создавая генетически модифицированные растения, генные инженеры заранее знают, какой нужен результат, поэтому воздействие осуществляется на конкретные, вполне определенные гены. Это принципиально отличает современные технологии от слепого поиска, свойственного прошлым тысячелетиям. По своей технологии генетическая модификация растений не отличается от создания рекомбинантных микроорганизмов или генной терапии человека. Здесь тоже имеется клетка и есть генетическая конструкция, которая должна проникнуть в эту клетку и встроиться в ее геном. Для этого используют, как и в случае с генной терапией человека, вирусы растений или другие способы доставки. А после того как генетическая конструкция попала внутрь клетки, происходит то, с чего мы начали нашу историю, – генетическая рекомбинация. И в дальнейшем из этой растительной клетки выращивается целое живое растение, семена которого используются для посевов.

И все-таки можно ли считать, что генетическая модификация растений, которая началась в 1980-х годах и в значительной степени используется до сих пор, решает все проблемы? К сожалению, нет. Во-первых, как здесь уже говорилось, воздействие на организм, при котором берется один ген и переносится в геном другого вида, – это технология манипулирования страницами или целыми параграфами генетического текста. Во-вторых, при традиционной генетической модификации множественные генетические изменения требуют последовательных действий: нужно ввести в клетки один ген, вырастить растение, потом из него получить новые клетки, ввести другой ген, и так далее, собирая урожай на каждой стадии.

Но ведь теперь о растениях известно гораздо больше! Мы знаем, какой ген за что отвечает, какие у них есть регуляторные последовательности и многое другое, поэтому сегодняшняя технология побуквенного редактирования генетического текста CRISPR/Cas9 очень важна для земледелия. Она позволяет за короткое время (всего за одну генерацию растения) проделать, в общем, то же самое, что и при генетической модификации, но одновременно с добрым десятком генов, причем изменяя в желаемом направлении каждую букву генетического текста. Теперь это можно делать сразу, не тратя лишние годы.

В качестве примера можно привести одну из работ, выполненных в Китае, публикация о которой появилась в 2018 году. Менее чем за год китайские ученые создали новый сорт риса с продуктивностью, повышенной на тридцать процентов. При этом генетические манипуляции с одиночными буквами генетического текста (а их количество даже больше, чем у человека) не требовали внесения генов других организмов, всего лишь изменение своего. Это кажется чудом, но на самом деле реализована еще недавно казавшаяся фантастической возможность – получить за короткий срок, всего за год, растение с новыми заданными свойствами. Китайцы ориентировались на продуктивность, но можно менять в нужную сторону и другие свойства растения (того же риса: количество крахмала, содержание тех или иных белков и пр.), причем вносить изменения одновременно во многих генах. Только система CRISPR/Cas9 предоставляет сегодня такую возможность.

Животноводство в плане использования современных методов старается не отставать от земледелия. Если раньше сельскохозяйственные животные подвергались отбору и селекции, то почему бы теперь не повысить эффективность получения новых видов с помощью генетических технологий? Конечно, было ясно, что выведение генетически модифицированных животных окажется более трудоемким, чем растений, потому что жизненный цикл коров, коз и т. д. составляет годы. Да и количество оплодотворенных яйцеклеток исчисляется штуками, тогда как семян риса можно взять мешок. В животноводстве нужен индивидуальный подход.

Тем не менее успехи в создании генетически модифицированных сельскохозяйственных животных и птицы несомненны:

• с использованием технологии геномного редактирования выведены гипоаллергенные куры-несушки с удаленными генами овальбумина (альбумина куриного яйца) – белка, который вызывает у многих людей аллергию на яйца, снижая коммерческий спрос на них;

• несколькими группами исследователей получены козы, в том числе кашмирской породы, с улучшенными качествами шерсти;

• благодаря использованию технологии геномного редактирования выведена порода безрогих коров.

Наверное, история с выведением безрогих (комолых) коров наиболее интересна. Казалось бы, зачем они нужны? Но на самом деле это весьма актуально. Во-первых, несколько десятков тысяч человек в год страдают от повреждений и травм, которые наносят им коровы своими рогами. Для этого животное даже не надо дразнить, просто случайно тряхнет головой, заденет рогом – и травма. Во-вторых, коров транспортируют с ферм до места их забоя автомобильным или железнодорожным транспортом. Чтобы животные случайно не нанесли себе повреждения во время транспортировки, их не загружают очень плотно. И последнее: рога не позволяют эффективно использовать пространство при кормежке животных. Совокупно наличие рогов выливается в кругленькую сумму, и поэтому некоторые фермеры удаляют их у своих коров в раннем возрасте или проводят генетическое тестирование стада на появление безрогих животных. А такое возможно, так как в природе иногда рождаются комолые особи из-за мутации – потери примерно двухсот нуклеотидов в гене безрогости (Polled).

Много лет селекционеры, работающие в области животноводства, пытались совместить признак безрогости с обилием мяса или молока, но из этого скрещивания ничего хорошего не получалось: или признак был нестабильным, или уменьшал полезные качества животного.

Но зато, используя такой метод, как редактирование генома с помощью технологии TALEN (см. главу 4: «Конструкции TALEN»), это удалось сделать очень быстро в 2016 году. В течение короткого времени генные инженеры сумели получить двух безрогих быков-производителей, удалив у них те самые двести букв генетического текста в гене Polled. От одного быка было получено потомство из шести быков-производителей, два из которых стали основой для получения стада безрогих коров.

Казалось бы, все идет хорошо, но производство и потребление качественных продуктов питания контролируется государством. Например, за безопасность пищевых продуктов и лекарств, продаваемых на территории США, отвечает FDA (Food and Drug Administration) – Администрация по продуктам питания и лекарственным средствам. Так вот, эта самая Администрация заявила, что безрогую корову (то есть, конечно, не саму корову, а ее мясо или молоко) на пищевой рынок не пропустит, потому что над ней были совершены определенные действия, были внесены определенные генетические модификации, и ее мясо или молоко должны пройти всяческие тестирования, чтобы убедиться в их безвредности.

Парадокс заключается в том, что если продуктами животноводства занимается FDA, то продуктами растительного происхождения ведает USDA (United States Department of Agriculture) – Департамент сельского хозяйства США, который заявил, что не регулирует и не собирается в ближайшем будущем регулировать использование растительных продуктов, полученных с помощью методов редактирования генома. По их мнению, это даже не генетически модифицированные организмы. С 2019 года в США используется растительное масло Calyno из соевых бобов, полученных с помощью геномного редактирования. Оно обладает большими преимуществами: содержит восемьдесят процентов мононенасыщенных жирных кислот и на двадцать процентов меньше насыщенных жирных кислот и вообще не содержит трансжиров. Специалисты компании-производителя считают, что оно в три раза более устойчиво при жарке и хранении, чем любые существующие виды растительных масел сегодня. «На подходе» генно-модифицированный листовой салат, полученный методом редактирования генома, который не гниет.

Сегодня в мире отношение к генетически модифицированным продуктам остается достаточно противоречивым. Можно ли считать исправление одной буквы в геноме чем-то необычным, требующим строгого подхода и разнообразных испытаний или же ничего особенного не произошло?

В Японии в 2018 году регуляторные ведомства решили, что генетически модифицированные продукты, сделанные по традиционной технологии генетической модификации, и такие же продукты, но полученные с помощью побуквенного редактирования генома, – это одно и то же. Они не регулируются никак, но на продукте должна быть отметка, что он произведен с использованием технологии генетической модификации. При этом неважно, растительный это продукт или животный.

Именно в Японии была выведена порода кур, которые несут гипоаллергенные яйца. Сейчас там яйца этих кур продаются без всяких ограничений наряду с обычными яйцами, только на упаковке сделана отметка, что продукт содержит ГМО. Таким образом, Япония избрала легализацию генетически модифицированных продуктов как растительного, так и животного происхождения, то есть пошла по разрешительному пути.

Европейские страны пошли по пути жесткого ограничения генетически модифицированной сельскохозяйственной продукции. В 2019 году Европейская комиссия подтвердила, что продукция с отредактированным геномом – это то же самое, что ГМО, и точно так же регулируется, то есть в основном находится под запретом. Выращивание генетически модифицированных организмов в странах Евросоюза не разрешается, а к применению допущены всего несколько видов (четыре сорта ГМО-кукурузы и по одному – сои, хлопка и рапса), да и то только после проверки на соответствие нормативам Евросоюза.

Но эти запреты введены не потому, что ГМО – это вредная пища, а потому, что Европа ставит защитные барьеры для своих собственных производителей. Европейские страны (и в первую очередь Нидерланды, где наиболее плотно сосредоточены основные европейские сельскохозяйственные мощности) традиционно являются экспортерами высококачественной сельскохозяйственной продукции, в том числе мяса и молока, а главное в сфере сельского хозяйства работает значительная доля населения этих стран. Внедрение ГМО, имеющих значительные преимущества по многим параметрам перед обычными сельскохозяйственными культурами, приведет к сокращению занятости и безработице, и Евросоюз активно этому сопротивляется, выставляя различные запреты генетически модифицированным видам культурных растений и домашних животных.

В России нет законов, которые бы определяли, является ли геномное редактирование одним из видов генетической модификации и относить ли растения и животных с отредактированным геномом к ГМО. Определенным позитивным сдвигом в этой области я считаю указ Президента и постановление Правительства РФ о развитии в России генетических технологий, в том числе геномного редактирования[9]9
  Указ Президента РФ от 28 ноября 2018 г. № 680 (ред. от 2 марта 2020 г.) «О развитии генетических технологий в Российской Федерации», Постановление Правительства № 479 от 22.04.2019 – Прим. ред.


[Закрыть]. Первые шаги в этом направлении уже сделаны.

Как мы видим, отношение к вопросам регулирования технологий и применения результатов генетических методов в сельском хозяйстве в разных странах сильно отличается. Не пришли к единому мнению даже специалисты в этой области, и тем более население. Одни люди выступают против геномного редактирования утверждая, что это те же самые генетически модифицированные организмы, ГМО, влияние которых на человека еще нужно долго изучать. Другие считают, что поскольку при геномном редактировании все делается побуквенно, с точностью до одного нуклеотида, то никакая это не генетическая модификация. Лично я считаю, что геномное редактирование – это, конечно же, вмешательство в геном. Да, это не вклейка новых страниц текста или переписывание целых страниц генома, это проведенные с ювелирной точностью замены нескольких нуклеотидов без затрагивания других фрагментов текста. Но если мы все-таки искусственным путем, с помощью наших умов и рук меняем геном, пусть даже на одну букву, то создаем генетически модифицированный организм, хотя он и может полностью повторять то, что встречается в природе, как, например, безрогая корова.

Но давайте все-таки посмотрим, почему на протяжении многих лет люди не могли достичь того же самого результата посредством селекции, скрещивания. Видимо, в природе подобный процесс заблокирован. Мы еще не знаем, не понимаем, почему возник этот блок и насколько он важен для коровы и для нас. Ясно лишь, что природа усложнила выведение таких коров человеком с помощью естественного процесса. Возможно, он как-то противоречит природе, или эволюции, или существованию этих коров в принципе. Но если объективно подходить к тому, что было сделано с коровами, то мы должны признать: да, это генетически модифицированные организмы, ГМО. А дальше нужно, как совершенно правильно сделали японцы, просто отметить на табличке, что данная продукция содержит генетически модифицированный организм. И всё.

Завершая разговор о применении геномного редактирования в сельском хозяйстве, надо отметить, что благодаря генным технологиям производство продуктов питания очень сильно возросло. Наряду с вакцинами и устранением страшных эпидемических заболеваний начала XX века изобилие продуктов позволило увеличить продолжительность жизни человека лет на тридцать. Раньше из-за голода умирало не меньше людей, чем от инфекционных заболеваний. Голод в пределах стран и континентов наступал по разным причинам: из-за засух, природных и социальных катаклизмов и т. д. До сих пор на Африканском континенте, куда техническая революция еще не пришла, очень часто бывает голод в связи с засухой. Эта беда веками преследовала и Россию, и Европу. Но сегодня, благодаря интенсивному сельскому хозяйству и ГМО, уже половина населения Земли (которое в целом насчитывает порядка семи с половиной миллиардов человек) имеет пищевое изобилие.