Может ли CRISPR накормить мир?

По мере роста населения планеты ученые хотят редактировать гены картофеля и пшеницы, чтобы помочь им бороться с болезнями растений, вызывающими голод.

К 2040 году население мира достигнет 9 миллиардов человек. «Это как добавить к нынешнему населению еще один Китай», — говорит профессор Софиен Камун из Лаборатории Сэйнсбери в Норидже, Великобритания.

Профессор Камун — один из растущего числа ученых, пытающихся решить, как накормить мир. Как эксперт по патогенам растений, таким как Phytophthora infestans (микроб, похожий на грибок, вызывающий фитофтороз картофеля), он хочет сделать сельскохозяйственные культуры более устойчивыми к болезням.

Фитофтороз стал причиной ирландского голода в XIX веке, унесшего жизни миллиона человек и заставившего еще миллион мигрировать. Европейские фермеры сейчас сдерживают патоген с помощью пестицидов. Однако в регионах без доступа к химикатам он продолжает уничтожать достаточно картофеля, чтобы прокормить сотни миллионов людей ежегодно.

«Фитофтороз все еще остается проблемой, — говорит профессор Камун. — В Европе мы используем 12 химических обработок за сезон, чтобы контролировать патоген, но другие части мира не могут себе этого позволить».

Гонка вооружений

В природе каждый раз, когда растение становится немного лучше в борьбе с инфекцией, патогены адаптируются, чтобы обойти его защиту. Теперь в борьбу вступают биологи.

«По сути, это гонка вооружений между растениями и патогенами, — говорит профессор Камун. — Мы хотим превратить ее в гонку вооружений между биотехнологами и патогенами, создавая новые средства защиты в лаборатории».

Пять лет назад профессор Камун начал проект NGRB, финансируемый Европейским исследовательским советом ЕС. План состоял в том, чтобы найти способ повысить устойчивость картофеля к инфекции с помощью современных методов селекции растений.

Затем вмешался случай. На ранних этапах проекта ученые из другой лаборатории открыли революционную технологию редактирования генов CRISPR-Cas, позволяющую ученым по желанию удалять или добавлять гены. Этот мощный инструмент, помимо потенциального медицинского применения у людей, открывает новые подходы к совершенствованию растений.

«Если представить геном как текст, то CRISPR — это текстовый процессор, позволяющий изменить всего одну-две буквы, — объясняет профессор Камун. — Такая точность делает CRISPR вершиной генетического редактирования. Это действительно красиво».

Один из простейших способов использовать CRISPR для улучшения растений — удалить ген, делающий их уязвимыми для инфекции. Это само по себе может повысить устойчивость картофеля, помогая удовлетворить растущий мировой спрос на продовольствие.

Полученная культура выглядит и имеет такой же вкус, как и любой другой картофель. Профессор Камун утверждает, что картофель, лишенный одного или двух генов, не следует рассматривать так же, как генетически модифицированные продукты, которые иногда содержат гены, введенные из другого вида. «Это очень важное техническое различие, но не все регуляторы обновили свои правила, чтобы провести это различие».

Картофель — не единственная культура, которую можно улучшить с помощью CRISPR-Cas. Профессор Камун сейчас работает над проектом, направленным на защиту пшеницы от пирикуляриоза — грибкового заболевания, уничтожающего урожай в Бангладеш и распространяющегося в Азии.

В перспективе CRISPR будет использоваться для улучшения качества и питательной ценности пшеницы, риса, картофеля и овощей. Его даже можно использовать для удаления генов, вызывающих аллергические реакции у людей с непереносимостью томатов или пшеницы.

«Если мы сможем удалить аллергены, потребители вскоре могут увидеть гипоаллергенные помидоры на полках супермаркетов, — говорит профессор Камун. — Это очень захватывающая технология».

Элитные культуры

Хотя такой подход к борьбе с болезнями может изменить правила игры для глобальной продовольственной безопасности в будущем, эксперты считают, что другие подходы к селекции растений по-прежнему будут играть свою роль. По словам профессора Криса Франклина из Бирмингемского университета, Великобритания, понимание мейоза — типа клеточного деления, которое может перетасовывать гены для улучшения растений — может помочь фермерам и агробизнесу отбирать более выносливые культуры.

Он возглавляет проект COMREC, который обучает молодых ученых понимать и управлять мейозом у растений. Проект применяет обширные знания, накопленные лидерами в этой области, для решения насущной проблемы — прокормить голодающий мир.

«COMREC начал переводить фундаментальные исследования в (приложения для) ключевых сельскохозяйственных культур, таких как злаки, капустные и томаты, — говорит профессор Франклин. — Тесные связи с компаниями по селекции растений дали важное представление о конкретных проблемах, с которыми сталкиваются селекционеры».

В этом подходе к селекции растений может быть нераскрытый потенциал: большинство генов, естественным образом перетасовываемых во время мейоза у зерновых культур, находятся на дальних концах хромосом — гены в середине хромосом перетасовываются редко, что ограничивает возможности для создания новых вариаций культур.

Академические и отраслевые партнеры COMREC надеются понять, почему это так, чтобы найти способ перетасовывать и гены в середине хромосом. Пищевая промышленность заинтересована в производстве новых «элитных сортов», лучше приспособленных к решению проблем, возникающих из-за изменения климата, говорит профессор Франклин.

«Было идентифицировано несколько генов, которые могут сделать эту перетасовку относительно более частой, — говорит он. — CRISPR-Cas предоставляет способ модифицировать соответствующие гены в сельскохозяйственных культурах, помогая перевести это фундаментальное исследование на целевые культуры».