Анастасия Волчок – От пробирки до кастрюли: Как ученые разрабатывают продукты, которые мы едим каждый день (страница 4)

Итак, молодой докторант Университета Аликанте Франсиско Мохика, работая в маленьком городке в Испании, в 1989 г. нашел в ДНК микроскопических архей Haloferax mediterranei странные повторяющиеся 30-нуклеотидные фрагменты, разделенные неповторяющимися участками (спейсерами) примерно такой же длины. Его заинтересовала их функция. Он назвал эти участки CRISPR – clustered regularly interspaced short palindromic repeats – и начал искать похожие кластеры в ДНК других архей и бактерий. Оказалось, что CRISPR крайне распространены у прокариот. Они нашлись и у E.coli, и у других бактерий, включая патогенные виды. Следовательно, они зачем-то нужны.

После статей Мохики CRISPR начали изучать подробнее. Выяснили, что к повторам прилегают однотипные группы генов, назначение которых также неясно. Это были гены Cas – CRISPR-associated genes. И вот в 2003 г. Мохика совершает еще одно открытие: сравнивая последовательности в базах данных, он видит, что один из спейсеров CRISPR штамма кишечной палочки, устойчивой к бактериофагу P1, совпадает с ДНК этого самого фага. Мохика делает предположение, что CRISPR/Cas-система предназначена для борьбы с фагами, то есть имеет отношение к бактериальному приобретенному иммунитету. Тогда ученый не знал, какое значение имела эта догадка, но понимал, что наткнулся на нечто важное. Он написал новую статью, надеясь на публикацию в престижном издании. И хотя в Nature печатать его работу отказались, зато ее принял Journal of Molecular Evolution.

Параллельно с Мохикой над исследованием CRISPR/Cas работали и другие группы ученых. Уже через три года после его последней публикации появилось несколько работ, подтверждавших теорию Мохики по поводу функции загадочных палиндромов. А вот в действии CRISPR/Cas впервые проверили пищевые биотехнологи. Группа француза Филиппа Хорвата, пытаясь научиться эффективно отбирать сильные штаммы лактобактерий Streptococcus thermophilus для изготовления йогурта и сыра, показала, что стрептококки с большим количеством спейсерных участков в CRISPR лучше противостояли вирусам. Контролируя процесс, микробиологи заражали лабораторные стрептококки вирусами, тренируя тем самым их иммунную систему. Бактерии накапливали спейсеры и становились все более устойчивыми к фагам, что делало их эффективной основой для получения заквасок. «Криспризованный» таким образом йогурт вполне может стоять в вашем холодильнике. Он не содержит ГМО, бактерии в нем натуральные, просто их CRISPR/Cas-система натренирована лучше, чем у других. Можно считать, что они прошли полный курс профилактических прививок, а потому гораздо реже болеют[12].

Эта же команда первой описала механизм работы белков Cas5 и Cas9. Интерес к феномену CRISPR возрастал. До разработки эпохальной технологии модификации генов оставалось всего ничего. В следующие несколько лет было установлено, что CRISPR/Cas – программируемая нуклеазная система, где молекула РНК, считанная с CRISPR, за счет своих спейсерных участков узнает ДНК чужеродных фагов, которые уже встречались с бактерией раньше, а прикрепленный к ней Cas-белок разрезает эту вражескую ДНК (рис. 5).

Понимание того, что CRISPR/Cas можно использовать для нарезания ДНК клеток высших организмов, пришло практически мгновенно. Стартовали множественные эксперименты по ее использованию. На базе природных систем стали создавать упрощенные искусственные конструкции, включающие белок-киллер Cas9. Наконец в 2012 г. две женщины-биолога, Эмманюэль Шарпантье и Дженнифер Дудна, разработали рабочую инженерную систему CRISPR/Cas9 (через восемь лет они получат за нее Нобелевскую премию)[13], а генная инженерия преобразилась.

Рис. 5. Принцип работы защитного CRISPR/Cas-механизма бактерии при попадании в клетку бактериофага

При помощи CRISPR/Cas9 стало возможным успешно проводить все виды модификаций генома: вносить точечные мутации, встраивать, исправлять, заменять или удалять крупные ДНК-последовательности и фрагменты выбранных генов (рис. 6).

Сегодня CRISPR/Cas9 и родственные ей усовершенствованные системы применяются во множестве лабораторий и компаний. Уже опубликованы сотни результатов работ, проводимых с применением CRISPR, описаны десятки удачных экспериментов по редактированию геномов дрожжей, растений, насекомых и животных. С помощью генетических ножниц, например, были внесены точные модификации в геномы пшеницы и табака, получены новые сорта риса[14]. Больше того, на базе этой технологии уже существует первое лекарство для людей – Casgevy. Оно лечит серповидноклеточную анемию, редактируя сломанный ген в предшественниках красных стволовых телец – гемопоэтических стволовых клетках. После лечения клетки начинают производить полноценный гемоглобин вместо аномального, характерного для болезни.

Рис. 6. Виды различных воздействий, проводимых с помощью CRISPR/Cas9-конструкции

С приходом CRISPR риск неспецифического воздействия на ДНК пусть и не исчез совсем, но крайне минимизировался. Следовательно, безопасность методов генной инженерии вышла на новый уровень. Использование CRISPR/Cas не идет ни в какое сравнение с предыдущими поколениями нуклеаз, не говоря уже о ненаправленном мутагенезе или соматической гибридизации, когда клетки двух разных растений просто заставляют слипнуться, перетасовывая их гены в надежде получить удачный гибрид. Это все равно что дать одному противнику в руки пушку, а другому – пинцет.

Кроме того, что изменились сами методы редактирования генома, эволюционировал и подход к получению ГМ-продуктов. С новыми возможностями степень измененности ГМ-растений постепенно начала снижаться. Теперь далеко не все они – «франкенфуд» с генами из далеких друг от друга организмов, вроде помидоров с генами камбалы, которые в свое время наделали много шума в сети (эта разработка компании DNA Plant Technology до рынка так и не добралась, а сама компания обанкротилась)[15]. Многие ГМ-сорта включают гены из других растений, что уже не выглядит столь кощунственно, но и тут уровень вмешательства разнится. Взять, например, рис с генами кукурузы. Скрестить эти два растения невозможно, а потому перенос генов кукурузы в рис называется трансгенезом – это когда в организм переносят чужеродные для него гены, которые не могли бы оказаться в нем натуральным путем. Но часто ученые добавляют в свои сорта гены из родственных видов. Это уже организмы не трансгенные, а цисгенные. Так, в Швеции разработали картофель, не подверженный картофельной гнили благодаря встраиванию генов из диких видов картофеля, устойчивых к этому заболеванию[16]. Нередки также случаи, когда в ДНК растения вставляют копии его собственных генов или меняют не гены, а вспомогательные участки, отвечающие за активность считывания генетической информации. Это позволяет усиливать определенные признаки – например, способность накапливать витамины в листьях или, наоборот, устранять либо сводить к минимуму нежелательные свойства, такие как горечь у горчичной зелени[17].

Остаются еще общественные опасения по поводу влияния ГМ-растений на биосферу, но до сегодняшнего дня все они беспочвенны. Если следовать существующим рекомендациям, в частности не высаживать модифицированные виды в центрах происхождения их диких родственников, вытеснить другие растения из их ареалов они не смогут. Новые сорта с измененным геномом «успешны» не потому, что агрессивны или отличаются инвазивностью, а потому, что приносят пользу человеку: удобны в выращивании, питательны, неприхотливы и т. д. Поэтому, даже если зеленые ГМО и выйдут за пределы полей, они, скорее всего, просто займут свою скромную нишу наряду с другими растениями. Экологические риски при этом рассчитываются для каждого нового ГМ-сорта. Все промышленные биоинженерные растения подвергаются мониторингу, за ними долго наблюдают, проверяя, вредят ли они другим сортам и видам, насекомым или почвенным микроорганизмам. И пока результаты всех подобных экспериментов не дают повода для беспокойства[18].

К тому же сами компании, продающие ГМ-семена, совершенно не склонны выпускать их «на волю». Чтобы фермеры не могли сами запасать семенной материал и находились в зависимости от биотех-гигантов, в США при поддержке Министерства сельского хозяйства еще в 1990-е гг. была разработана технология «терминатор», или GURT – genetic use restriction technology[19]. Ее идея в том, чтобы сделать семена «одноразовыми». В их ДНК вшита последовательность-предохранитель, которая не дает привнесенным генам считываться. И вырезается эта последовательность только после обработки специфическим биологическим веществом-активатором, которое наносят на семена перед продажей. Если посадить такие растения и попытаться их размножить, плоды появятся, но особенностей генетически модифицированного сорта не сохранят. Другая разновидность GURT еще радикальнее: при ее использовании семена в растениях получаются стерильными – из них вообще ничего нельзя вырастить.

Хотя «терминатор» призван в том числе контролировать распространение генетически модифицированных посадок, на Monsanto и ее коллег в связи с GURT, когда метод только появился, обрушилось немало критики. Он был воспринят как проявление беспрецедентной жадности со стороны больших корпораций. В то же время стоит признать, что покупка обычных F1-гибридов мало чем отличается от использования «терминатора». При желании семена гибридов первого поколения можно прорастить, но, согласно второму закону Менделя, они не дадут потомков с устойчивыми сортовыми качествами: наследственные признаки расщепятся, перемешаются и результат не сможет удовлетворить ни одного растениевода.