Как ученые редактируют гены картофеля и коров, чтобы сдержать изменение климата

Новая стратегия сокращения выбросов

Около 200 стран подписали Парижское соглашение в 2016 году, пообещав сократить выбросы парниковых газов в своих странах. К настоящему времени хорошо известно, что парниковые газы, выделяемые в результате деятельности человека, улавливают тепло и нагревают поверхность Земли. Чтобы сократить выбросы, многие страны переходят на более чистые формы энергии, такие как солнечная и ветровая, и создают стимулы для электромобилей.

Но в новом отчете предлагается несколько неожиданная стратегия сокращения выбросов: редактирование генов растений и животных.

«Я думаю, что все, кроме нескольких писателей-фантастов, недооценили степень, в которой климат изменит человеческую деятельность и отношения между людьми и окружающей средой», — заявил Вал Гиддингс, доктор философии, старший научный сотрудник Фонда информационных технологий и инноваций. Это некоммерческий исследовательский центр, выпустивший отчет. Выступая 15 сентября во время панельной дискуссии об отчете, Гиддингс заявил, что редактирование генов может помочь удалить больше углерода из атмосферы, сократить количество пищевых отходов и выбросы метана от домашнего скота.

Редактирование генов

Что такое CRISPR и зачем он нужен?

CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats — короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами) — особые локусы бактерий и архей, состоящие из прямых повторяющихся последовательностей, которые разделены уникальными последовательностями (спейсерами). Спейсеры заимствуются из чужеродных генетических элементов, с которыми сталкивалась клетка (бактериофагов, плазмид). РНК, транскрибирующиеся с локусов CRISPR, совместно с ассоциированными белками Cas обеспечивают адаптивный иммунитет за счет комплементарного связывания РНК с нуклеиновыми кислотами чужеродных элементов и последующего разрушения их белками Cas. Впрочем, к настоящему моменту имеется немало свидетельств участия CRISPR в процессах, не связанных с иммунитетом.

Использование методик CRISPR-Cas для направленного редактирования геномов является перспективным направлением в современной генной инженерии. На 2016 год ученые широко используют подходы, основанные на системах CRISPR-Cas; возможно, в будущем эти подходы будут применять в медицине для лечения наследственных заболеваний.

Также CRISPR-Cas имеет значение для адресной доставки лекарств и их высвобождения при внешнем воздействии — для этого используются материалы, в состав которых входят участки ДНК.

Кроме того, CRISPR можно использовать в качестве передового инструмента для редактирования генов растений и в целевом животноводстве. 

Главное отличие от ГМО

В отличие от ГМО, система работает с естественными характеристиками сельскохозяйственных культур и не вводит новые гены в образцы. Сторонники методики CRISPR-Cas также утверждают, что новая биотехнология представляет меньше факторов риска, чем ГМО. Вообще этот процесс часто сравнивают с традиционными методами селекции сельскохозяйственных культур.

Редактирование генов отличается от традиционной генетической модификации в ключевом смысле: редактирование генов направлено на изменение собственной ДНК растения или животного. Напротив, традиционная генная инженерия включает смешивание ДНК более чем одного организма. Ученые надеются, что это различие сделает генно-отредактированные продукты более приемлемыми для потребителей, которых не устраивают ГМО.

Чтобы накормить примерно 10 млрд человек к 2050 году, используя существующие земли и имеющиеся у нас ресурсы, нужно менять систему сельского хозяйства и животноводства в целом. В сельскохозяйственной отрасли, например, необходимо включить редактирование генома CRISPR для повышения продуктивности сельскохозяйственных культур, уверен Оливер Пиплс, генеральный директор Yield10 Bioscience — компании, разрабатывающей новые технологии для повышения урожайности сельскохозяйственных культур и повышения продовольственной безопасности в мире.

В контексте меняющегося глобального климата, который приводит к учащению экстремальных погодных явлений и росту населения, что существует острая необходимость в создании новых сортов сельскохозяйственных культур, которые могут противостоять неблагоприятным погодным условиям и давать больший урожай на том же участке земли. Проблемы с устойчивым производством продовольствия, вызванные изменением климата, связаны с непредсказуемыми и изменчивыми сезонными факторами, экстремальными погодными условиями, с которыми сейчас сталкиваются фермеры. К ним относятся засуха, наводнение, жара и поздние или ранние заморозки, и все это может иметь различные последствия даже в течение одного вегетационного периода.

По мере повышения средней температуры фермерские культуры также подвергаются большей опасности со стороны болезней и роста числа насекомых. Использование CRISPR может помочь сделать сельскохозяйственные культуры более устойчивыми к этим экстремальным факторам.

Как редактирование генов животных и растений повлияет на климат?

Одним из способов, которым редактирование генов может помочь климату, является улучшение самой биологии растений. В частности он может улучшить фотосинтез — процесс, который растения используют для преобразования энергии солнечного света в сахар и кислород. В этом процессе растения потребляют углекислый газ, самый распространенный парниковый газ. В настоящее время леса и другая наземная растительность удаляют около 30% антропогенных выбросов углекислого газа из атмосферы во время фотосинтеза.

Более «эффективные» растения

При редактировании генов растения потенциально могут удалить больше. Большинство растений используют от 1 до 2% падающего на них света, но ученые считают, что их максимальная мощность на самом деле составляет около 12%. Редактирование генов может быть использовано для повышения их эффективности, чтобы растения могли поглощать больше углерода из атмосферы.

Редактирование генов также может быть использовано для ускорения роста деревьев и расширения корневой системы растений — и то, и другое может повысить их способность поглощать углерод. Более старые, более зрелые деревья в укоренившихся лесах улавливают гораздо больше углерода, чем молодые деревья, как и растения с более глубокими и обширными корнями. Однако необходимы дополнительные исследования, прежде чем можно будет использовать редактирование генов таким образом, потому что генетика корней растений еще недостаточно изучена.

Редактирование генов может также помочь сократить выбросы, производимые сельскохозяйственной отраслью, особенно в развивающихся странах. В то время как в Соединенных Штатах доля сельского хозяйства в общем объеме выбросов парниковых газов в 2018 году составляла около 10%, наибольший вклад вносил транспорт (28%), за которым следовало электричество (27%), на сельское хозяйство приходится гораздо большая часть выбросов в экономически развивающихся странах.

Стойкая кукуруза

В частности редактирование генов может быть использовано для сокращения пищевых отходов в сельском хозяйстве. По оценкам, одна треть продуктов питания в мире теряется или выбрасывается зря каждый год, и некоторые из них приходят в негодность еще до того, как попадают в продуктовый магазин. Например, урожай кукурузы в Айове может сократиться вдвое в этом году из-за продолжительного урагана, который «прошелся» по штату и сократил посевы в августе.

Ученые из Bayer Crop Science изменяют гены кукурузы, чтобы сократить потери урожая, сказал Скотт Найт, доктор философии, который возглавляет работу компании по редактированию генов. По его словам, более короткая кукуруза — кукуруза, которая находится ближе к земле — будет более устойчивой к ветру и ливням.

В 2019 году Bayer представила низкорослую кукурузу, полученную с помощью традиционной генной инженерии, а недавно компания успешно применила для ее изготовления генное редактирование. В то время как обычная кукуруза вырастает от девяти до 3,3 м в высоту, короткая кукуруза достигает максимум около 2 м, и у нее также более толстый стебель, чтобы предотвратить его повреждение от ветра. Представители компании утверждают, что фермеры, с которыми они общались, похоже, заинтересованы в использовании редактирования генов для решения таких проблем, как потеря урожая.

Проблема потемнения овощей и фруктов

Редактирование генов также можно использовать для предотвращения пищевых отходов, которые возникают после сбора урожая. Тонны фруктов и овощей выбрасываются ежегодно из-за потемнения и повреждений, а когда они выбрасываются на свалки, то гниют и выделяют метан, который является еще более сильным парниковым газом, чем углекислый газ.

Только в Северной Америке ежегодно выбрасывается около сотни тонн картофеля из-за повреждений. Компания по переработке картофеля J.R. Simplot из Айдахо уже продает картофель, созданный с помощью генной инженерии, чтобы противостоять повреждениям и потемнению, и теперь использует генное редактирование, чтобы более эффективно внедрить технологию.

Однако большая часть выбросов парниковых газов в сельском хозяйстве связана с животноводством. Редактирование генов можно использовать, чтобы заставить коров производить меньше метана. Известно, что количество метана, производимое коровой, в значительной степени зависит и от ее генетической структуры. Редактирование генов уже использовалось для создания безрогого скота и коров, у которых было больше потомства мужского пола. Следующим может быть создание из них меньшего количества метана. Но пока ученые предлагают и менее инвазивные методы.

Попытки ученых сделать мясо не таким опасным для климата

Значительная часть глобальных выбросов парниковых газов связана метаном, газом, который появляется в результате жизнедеятельности домашнего скота. Как ученые пытаются минимизировать ущерб атмосфере Земли?

Вакцина

Научные сотрудники компании AgResearch задаются вопросом, может ли борьба с микробами в кишечнике коров помочь спасти планету от изменения климата.

Уж сейчас в желудках экспериментальных коров, происходит эксперимент, который потенциально может изменить планету. Им сделали вакцину против определенных кишечных микробов, которые вырабатывают метан, когда животные переваривают пищу. Метан — один из самых отвратительных парниковых газов, который примерно в 25 раз сильнее удерживает тепло, чем углекислый газ.

Цель AgResearch — разработать эту вакцину вместе с другими антиметановыми методами, чтобы люди могли продолжать есть мясо и молочные продукты, уменьшая при этом воздействие животноводческой отрасли на окружающую среду. 

Оценки различаются, но считается, что на домашний скот приходится до 14% всех выбросов парниковых газов в результате деятельности человека. Помимо углекислого газа, в сельском хозяйстве в больших количествах образуются два других газа: закись азота при добавлении удобрений и отходов в почву и метан. Последние в значительной степени отрыгиваются жвачными животными — в основном овцами и крупным рогатым скотом — и на них приходится более трети общих выбросов от сельского хозяйства. Среднее жвачное животное производит 250–500 литров метана в день. В глобальном масштабе домашний скот несет ответственность за газоиспукание 3,1 гигатонны углекислого газа в атмосферу ежегодно.

Но ученые AgResearch надеются, что, возможно, удастся уменьшить вклад животноводства в глобальное потепление.

Их подход основан на работе Шинед Лихи, микробиолога AgResearch, которая в настоящее время прикомандирована к Новозеландскому сельскохозяйственному исследовательскому центру парниковых газов. Метан, производимый жвачными животными, поступает из примерно 3% огромного количества микробов, обитающих в рубце, первом отделе кишечника. Виновные организмы принадлежат к древней группе под названием археи, и они способны жить в среде, где нет кислорода.

Посредством кишечной ферментации, эти микробы разлагают и ферментируют растительные материалы, съеденные животными, с образованием метана в качестве побочного продукта. Чтобы сбросить давление, которое может нарастать при производстве этого газа, животные затем его отрыгивают.

Однако чтобы отсеять бактерии, ответственные за это, Лихи и ее коллегам пришлось найти способ воспроизвести в своей лаборатории бескислородное состояние рубца. Затем, используя технологию ДНК, они смогли секвенировать геномы некоторых ключевых видов.

«Понимание того, что отличает эти микробы от других типов, которые также важны для пищеварения, очень нужно, — объясняет Лихи. — Благодаря нашему исследованию мы смогли изучить различные типы последовательностей генов [в микробах] и выбрать цели [общие] для всех разновидностей метаногена. Затем они стали главными целями при разработке вакцины».

Эта работа позволила команде AgResearch систематически разрабатывать вакцины, нацеленные на несколько видов микробов одновременно.

Пока, несмотря на многочисленные эксперименты, окончательных доказательств того, что вакцинация снижает количество метана, выделяемого коровами, по-прежнему нет. Некоторые австралийские ученые предприняли схожую попытку в 1990-х годах, но безуспешно. Команда AgResearch уверена, что их подход, основанный на генетике, даст лучшие результаты.

Селективное разведение

Но вакцинация — не единственный способ очистить дыхание коров. Животные различаются по выработке метана, и, по крайней мере, некоторые из этих изменений объясняются генетическими различиями. Эйлин Уолл, руководитель отдела исследований Сельского колледжа Шотландии, объясняет, что это дает возможность селективного разведения животных, которые производят меньше метана. Она рассматривает такую задачу как часть более широкой программы разведения, направленной на выращивание более здоровых и эффективных овец и коров — оба эти свойства также снижают выбросы парниковых газов на единицу мяса и молока.

Однако разведение животных таким способом может занять много времени и стоит дорого, предупреждает Лиам Синклер, изучающий метаболизм рубца в Университете Харпера Адамса в Шропшире, Великобритания.

Особая диета

Другая альтернатива — кормить животных пищей, которая приводит к меньшему образованию метана. Это может быть эффективным, но лишь частично, и если диета позволяет животным продолжать производить молоко и мясо, объясняет Фил Гарнсуорси, специализирующийся на кормлении дойных коров в Университете Ноттингема.

«Вероятно, вы сможете снизить содержание метана примерно на 20–25%, изменив диету», — говорит он. Одно исследование, проведенное учеными из Калифорнийского университета в Дэвисе, показало, что глобальные выбросы метана коровами можно сократить на 15%, изменив их рацион. Но Гарнсуорси считает, что возможно и большее. Зачастую фермеры в основном используют силос из трав.

«Если вы перейдете только на силос на основе кукурузы, вы будете наблюдать падение выработки метана на 10%».

Чем больше клетчатки ест корова, тем больше метана она производит, но добавление в их рацион бобовых и различных масел, таких как льняное и соевое, может быть полезным, добавляет Синклер.

«Более качественное кормление делает животных более продуктивными, а более продуктивные животные производят меньше метана», — говорит он.

Также было доказано, что добавление морских водорослей в рацион коровы помогает избавиться от насекомых, производящих метан.

Маски и рюкзаки для сбора газа

Некоторые исследователи уже предложили новый, чудаковатый подход — надеть на коров рюкзаки для сбора отрыжки. Между тем студенты Королевского колледжа искусств в Лондоне разработали устройство, которое можно было бы прикрепить к носу коровы, чтобы преобразовать выдыхаемый метан в менее мощный углекислый газ.

Однако более реалистичной альтернативой все же являются кормовые добавки. Например, ионофоры, которые уже используются в некоторых частях мира для увеличения веса у животных, а также могут быть использованы для подавления метан-продуцирующих архей. Но и здесь есть свои проблемы.

Добавки в пищу

Ионофоры, которые классифицируются как антибиотики, запрещены для использования у животных в Европейском союзе из-за опасений по поводу того, как чрезмерное использование этих агентов в сельском хозяйстве может повысить устойчивость бактерий к лекарствам. Запрет вызывает споры, поскольку ионофоры не используются в медицине и действуют иначе, чем терапевтические антибиотики.

Предлагаются и другие добавки, которые также могут помочь подавить выброс метана в животноводство. В последнее время интерес вызывает 3-нитрооксипропанол (3-NOP), он снижает эффективность химического пути, по которому археи превращают углерод в метан. Компания, создавшая добавку, надеется на 30-процентное сокращение выбросов метана.

Другой вариант — дать коровам пробиотики или полезные бактерии для улучшения пищеварения. Элизабет Лэтэм, бывший научный сотрудник Техасского университета A&M и соучредитель Bezoar Laboratories, разрабатывает пробиотик для борьбы с метаном от крупного рогатого скота и утверждает, что он может сократить выбросы на 50%.

Но подобные химические ингибиторы и пробиотики нужно будет добавлять ежедневно в корма, и их будет трудно доставить животным, питающимся в основном травой. Скорее всего, это будет дорогой вариант решения проблемы. Вакцину же потенциально необходимо вводить только один раз или, возможно, потребуется только ежегодная ревакцинация.

Независимо от используемого подхода, вмешательство в структуру микробной жизни в кишечнике изменит его экологию — возможно, с непредвиденными последствиями. Микробиом кишечника тесно связан со здоровьем, и его изменение может увеличить риск заболеваний у коров. У людей даже есть некоторая связь между кишечными бактериями и настроением, хотя неясно, приведет ли сокращение количества продуцирующих метан бактерий к депрессии у коров и овец и какое влияние это может оказать на их мясо и молоко.

Разработчики вакцин считают, что это маловероятно. Но до тех пор, пока дальнейшие испытания не докажут, что вмешательство в микробиом домашнего скота может сократить их выбросы, не нанося ущерба животным или продуктам, для которых они выращиваются, миру придется ждать.

Что в итоге?

Редактирование генов может сделать пищу более экологически безопасной, но будет ли она доступна для общественности — другой вопрос. Несмотря на всеобщее научное мнение о том, что генетически модифицированные продукты безопасны для употребления в пищу, общественное сопротивление ГМО в последние годы достигло пика. 

Большинство достижений, которые предполагают авторы отчета, еще не существуют, и пройдут годы, прежде чем они появятся. Чтобы добиться этого, в отчете рекомендуется, чтобы власти уменьшили нормативные препятствия для генетически измененных растений и животных, увеличило инвестиции в исследования и разработки в области технологий редактирования генов и стимулировало исследователей и компании к разработке климатических решений, редактируемых генами.

Между тем ученым и компаниям, разрабатывающим генетически измененные культуры и животноводство, необходимо будет убедить скептически настроенную общественность в том, что эти продукты безопасны и полезны для здоровья и не будут иметь негативных последствий для окружающей среды. Хотя мы не должны рассчитывать на генетически отредактированные растения и животных для решения климатического кризиса, в конечном итоге они могут сыграть роль в сдерживании глобальных выбросов. По мере усугубления климатического кризиса покупателям, возможно, придется быть непредвзятыми, когда генно-отредактированные продукты наконец появятся на полках продуктовых магазинов.

Читать также

Исследователи впервые выработали чистую энергию из графена

На 3 день болезни большинство больных COVID-19 теряют обоняние и часто страдают насморком

Ледник «Судного дня» оказался опаснее, чем думали ученые. Рассказываем главное