Анастасия Волчок – От пробирки до кастрюли: Как ученые разрабатывают продукты, которые мы едим каждый день (страница 5)

То, что ГМО меняются и становятся все более изученными и понятными, неизбежно влияет на рынок. Постепенно даже с учетом живучести укрепившихся негативных стереотипов отношение к сельскохозяйственным ГМ-растениям на уровне правительств становится все более лояльным. При оценке безопасности новых сортов регуляторы начинают исходить не из технологии их создания, а из состава продуктов. Если в растении нет ничего вредного и оно не синтезирует несвойственных ему чужеродных белков – значит, и контролировать его не нужно. Согласно обновленному законодательству в США, Канаде, Австралии, Японии, Китае и ряде других стран к продуктам редактирования, в которые не вносились чужеродные гены, больше не применяются ограничения, актуальные для трансгенов[20]. То есть, если из генома растения всего лишь удален ненужный ген или произведена небольшая замена нуклеотидов, ГМ-растением оно не считается[21].

Где-то ослабление законов происходит быстро, где-то – медленно. В некоторых государствах, включая Россию, законы довольно строги. Выращивать ГМ-культуры в нашей стране можно только на опытных участках, а для ввоза разрешены лишь отдельные линии модифицированных растений (всего 28), среди которых кукуруза, картофель, соя, сахарная свекла и рис. Чтобы получить допуск на ввоз, сорта проходят проверку: их безопасность исследуют на крысах в течение полугода.

В результате такой разницы в запретах примерно 98% всех ГМ-растений выращивается всего в 10 странах. Этот перекос, с одной стороны, выгоден государствам, активно развивающим генетическую селекцию, а с другой – позволяет остальным регионам искать собственные точки роста. В частности, Россия, дав ГМО зеленый свет, могла бы заработать на экспорте ГМ-картофеля или пшеницы, тем более что российскими учеными уже разработан картофель, устойчивый к колорадскому жуку[22]. Но пока этого не произошло, наш рынок остается привлекательным для органик-производителей.

Эпигенетика: как повлиять на ДНК, не разрезая ее

Одним из самых молодых направлений работы для селекционеров стали подходы эпигенетики – науки об управлении работой генов[23]. Дело тут в том, что производство белков внутри клеток зависит не только от самой ДНК, но и от множества других факторов. Это значит, что свойства организмов могут меняться даже тогда, когда их ДНК остается прежней, а меняется лишь эффективность ее считывания. Конечно, ученым хочется овладеть методами такого влияния на геном. Это даст возможность получать лучшие образцы растений без изменения последовательности нуклеотидов в ДНК.

Как это работает? Представим, что вам нужно перед экзаменом повторить конспект, но времени у вас на это пять минут, не больше. За такой срок все лекции никак не прочесть, поэтому вам остается сосредоточиться на главном – на тех абзацах, что вы сами выделили маркером или красивой закладкой. Так и живая клетка производит те белки, чьи гены открыты для считывания. Только «закладками» в ее конспекте служат не цветные наклейки, а, например, метильные группы (CH₃–), и отмечает она ими не самое важное, а то, что читать не нужно[24]. Когда ДНК метилируется, обзаводясь новыми «украшениями» в виде CH₃-групп, фермент, отвечающий за постройку мРНК, не узнает ее и не может найти начало кода, откуда следует читать. А нет мРНК – нет и белка. Получается, что ген есть, но он как бы выключен.

Метилирование ДНК у растений и животных – вполне естественный процесс. И что интересно, он не всегда работает как выключатель. Иногда после метилирования определенных участков генома синтез белков, наоборот, резко возрастает (тогда молекулярная «закладка» работает так же, как и бумажная: помогает найти нужную строчку). Люди и это научились использовать: изменяя метилирование ДНК, можно увеличить активность генов, отвечающих за производство растением запасных белков, в том числе увеличить «белковость» зерна пшеницы. Снижение уровня метилирования приводит также к наследуемому признаку карликовости у риса. Карликовый рис хорош тем, что не прилегает к земле.

Теперь предположим, что ген у нас вполне рабочий. Но и тут совсем не обязательно его прочтение закончится синтезом белка. Как мы помним, превращение последовательности ДНК в белок – это своеобразная система двойного шифрования: на основе ДНК сперва создается молекула матричной РНК, а уже она становится образцом для сборки протеина. И вот эта матричная РНК может быть разрушена в цитоплазме клетки до того, как ею воспользуются[25]. Называют это явление посттранскрипционным молчанием (ген замолкает уже после того, как произошла транскрипция – изготовление клеткой мРНК). Эта ситуация часто возникает сама по себе, когда ученые привносят в ДНК растений дополнительные гены. ДНК меняется, но вставленный ген не работает – его продукт разрушается, не дойдя до состояния готовности. Впервые молчание генов у генетически измененных организмов описали еще в 1990 г. Тогда введение в геном петунии дополнительных генов, отвечающих за красную окраску цветков, неожиданно снизило количество красного пигмента в растении.

Казалось бы, для селекционера в этом нет никакой выгоды. Но затем выяснилось, что посттранскрипционное молчание можно использовать для создания растений, устойчивых к растительным вирусам. Тогда механизм замолкания генов будет направлен против чуждых растению вирусных мРНК. А если заставить молчать те гены, которые производят ненужные белки, получатся новые перспективные сорта. Используя механизмы разрушения мРНК, можно снизить в кофе содержание кофеина[26], а в табаке – никотина[27]. Есть и более амбициозные проекты. Например, генетики испанского Института сельского хозяйства в Кордове смогли почти полностью очистить пшеницу от глиадина – компонента глютена, из-за которого у некоторых людей возникает иммунная реакция.

Нужно сказать, что, когда биологи прибегают к посттранскрипционному молчанию, они обычно используют и CRISPR/Cas9. То есть чуть-чуть изменить ДНК растений все же приходится[28]. Например, чтобы целевая мРНК разрушалась, на нее можно натравить уже присутствующие в растениях для собственных нужд малые интерферирующие РНК. За их производство отвечают некодирующие участки генома, которые и подвергаются доработке. Как мы увидим дальше, генетики вообще любят использовать не один, а несколько инструментов сразу.

Несмотря на то что селекция за последние 30 лет сильно изменилась, в ней используются и традиционные методы получения новых сортов или растений с нужными характеристиками. Только теперь они сосуществуют с геномными технологиями.

Взять хотя бы прививку. Это давно известный способ размножения растений, с которым повсеместно сталкиваются садоводы-любители. В ходе прививки стебель одного растения – привой – пересаживают на корень или стебель другого – подвой (рис. 7).

Рис. 7. Прививка растения

Главное – соединить части растений так, чтобы их ткани плотно прилегали друг к другу. Тогда со временем они срастутся и из нескольких разных растений получится одно.

Используют прививку чаще всего для того, чтобы объединить свойства двух разных видов. Как правило, привой от культурного растения с хорошими плодами соединяют с подвоем дикой разновидности, которая гораздо более устойчива к различным болезням и вредителям. Или, если в саду мало места, можно привить к одной яблоне ветки разных сортов и даже ветку груши. Тогда садовод будет собирать с одного дерева разные плоды.

И все же главной задачей прививки остается улучшение здоровья культурных насаждений. Так, в конце XIX в. прививка помогла сберечь европейские сорта винограда от нашествия филлоксеры – микроскопической тли, поедающей виноградные корни. Ее завезли в Европу из Северной Америки. Местные виноградари долго не могли понять, отчего страдают их хозяйства. Только в 1868 г. вредитель был установлен. Но мало было найти тлю – требовалось ее обезвредить. Тем более что нашествие филлоксеры по масштабам было нешуточное. Каждая тля может за раз отложить до 800 яиц, а за сезон насекомое воспроизводится пять-шесть раз. Выдержать такой натиск могли далеко не все, многие виноградники погибли.

Долгое время попытки бороться с филлоксерой оставались безуспешными. Не помогали ни протравление почв, ни временное затопление ферм. Отрасль испытывала большие трудности и вполне могла бы не оправиться от удара, если бы не идея привить европейский культурный виноград Vitis vinifera на дикий североамериканский – Vitis labrusca, давно знакомый с вредителем, а потому устойчивый к нему[29]. Тактика оказалась крайне эффективной и до сих пор остается единственным действенным способом избавиться от виноградной тли, не считая разве что посадок в районах с песчаными почвами. Хорошо защищены от филлоксеры не только привитые сорта, но и гибриды, имеющие виноград Vitis labrusca в родителях. Один из них, «изабелла», очень популярен в домашних хозяйствах в России и в жарких странах. Он неприхотлив и отлично растет как в холодном, так и в тропическом климате. А вот в Европе продажа вин из «изабеллы» запрещена везде, кроме Швейцарии. Официальная причина – излишнее количество токсичного метанола, накапливающееся в них в ходе брожения. Есть, однако, мнение, что правительство ЕС, запретив «изабеллу», пошло на уступки местному винодельческому лобби, которое боялось конкуренции и было заинтересовано в продвижении своих классических сортов.