От пробирки до кастрюли: Как ученые разрабатывают продукты, которые мы едим каждый день

Рассказ о пищевой биотехнологии стоит начать с растений хотя бы потому, что, когда биологи научились изменять их ДНК, это произвело настоящий фурор. Только представьте: рукотворные сорта, которые не надо выводить годами и десятилетиями, устойчивые к насекомым-вредителям, болезням, засухе или холоду, переносящие обработки гербицидами или дающие в три раза больше плодов. Все это не что иное, как ГМО – генетически модифицированные организмы, в данном случае растительные.

Когда в 1994 г. в магазинах США впервые в истории появились созданные компанией Calgene ГМ-помидоры сорта Flavr Savr, люди в большинстве своем еще не задумывались об экологических и других рисках, сопутствующих распространению подобных растений. К тому же компания, стремясь заработать доверие публики и проверяющих органов, вела политику полной прозрачности, обнародовала все эксперименты и давала любую информацию о процессе производства своих овощей. Во многом поэтому они подстраховали себя от посягательств со стороны противников ГМО, по крайней мере на первых порах. Покупатели сметали новые томаты с полок из любопытства, а еще – из-за их яркого вкуса и аромата. Сорт Flavr Savr выгодно отличался от остальных, так как в нем было заблокировано производство белка полигалактуроназы, размягчавшего плод. Благодаря этому его плоды значительно дольше хранились, не теряя товарного вида, и их можно было собирать зрелыми, а не зелеными, оттого и вкус был что надо.

Но радость успеха селекционеров новой волны оказалась недолгой. Ажиотаж, созданный в СМИ, со временем все же повлек за собой и усиление общественной критики любых генетических манипуляций над растениями, предназначенными в пищу. В последующие несколько лет многие деятели выступили с заявлениями, что генетически измененные продукты могут быть небезопасны, даже если в их составе нет никаких новых веществ. Продукцию, изготовленную из ГМ-растений, стали в обязательном порядке маркировать, и ее продажи упали. Несчастный Flavr Savr в 1997 г. исчез с прилавков, отчасти из-за спада интереса, отчасти – из-за высокой цены и неудачных коммерческих решений производителя. А сама Calgene разорилась и впоследствии была куплена биотех-гигантом Monsanto (которого в свою очередь не так давно поглотил немецкий концерн Bayer).

Весы общественного мнения склонились на противоположную сторону. Такое положение сохраняется и поныне, несмотря на то что сегодня генетически модифицированная соя составляет более 80% всей сои, которая выращивается в мире, законы в отношении ГМО становятся все лояльнее, а сами геномные технологии не раз и не два доказали свою полезность. Взять хотя бы случай, когда модификация генома спасла целую индустрию по выращиванию папайи на Гавайях. В период с 1993 по 2006 г. урожайность этой культуры упала там почти вдвое из-за вируса кольцевой пятнистости, переносимого тлей. Когда кризис только надвигался, власти США приняли решение профинансировать создание генетически измененной папайи, которая стала бы невосприимчива к патогену. Уже в 1992 г. новый сорт был готов. Полевые испытания, регистрация и разрешительные процедуры заняли еще шесть лет, после чего папайя Rainbow наконец вышла на рынок. Она начала продаваться в США, в Канаде, а потом и в Японии, где ее импорт одобрили только к 2011 г. В конечном счете ГМ-папайя на Гавайях стала новой надеждой для фермеров и выращивается там по сей день, как и классические сорта[1].

И все же многие люди явно предпочтут продукт, на упаковке которого стоит пометка «Не содержит ГМО». Дебаты по поводу безопасности генетически измененных растений не утихают, и многие страны все еще запрещают распространение ГМ-культур. Россия, кстати, в их числе. В нашу страну можно ввозить проверенные и одобренные ГМ-продукты, но запрещено выращивать модифицированные растения за пределами научных лабораторий и небольших опытных полей, на которые эти растения допускаются исключительно в научных целях. Таким образом, ГМО, если говорить о еде, у нас в опале. Хотя это не значит, что растениеводство в России обойдено вниманием биологов. Искусственно ограниченная законодательством генная инженерия – далеко не единственный инструмент современной селекции растений. Геномные технологии внедряются и там, где в ДНК не нужно вносить никаких изменений. Но обо всем по порядку.

Новая селекция

Современное растениеводство не сразу стало наукоемкой отраслью, в которой пашни простираются докуда хватает взгляда, над полями летают дроны, а орехи миндаля собирают с земли огромные пылесосы. Путь, пройденный предшественниками современных фермеров, поистине огромен. И теперешним положением дел мы обязаны в первую очередь возможности одомашнивать дикие растения.

Началось это путешествие примерно 10 000 лет назад, когда человек устал ходить в лес за грибами и ягодами и изобрел сельское хозяйство. Сперва он сажал и просто ждал урожая (иногда напрасно, ведь растения – создания привередливые), а потом взял дело в свои руки: выбрал самые здоровые и сильные побеги и стал планомерно их выращивать, постепенно приспосабливая к своим потребностям.

Так природные поля и долины превратились в орошаемые и удобряемые плантации, где люди по сей день ведут жестокий бой с эволюцией – ведь в сельском хозяйстве нет места закону естественного отбора. Человек провозгласил свой закон: выживает то растение, которое отвечает его запросам. Ярким примером расхождения целей естественного отбора и селекции служит кукуруза. У ее предка теосинте зерна были покрыты толстой оболочкой, початка практически не было, а зерна при созревании сразу падали на землю, чтобы потом прорасти, то есть дать потомство[2] (рис. 1). Природа ратовала за размножение, и кукуруза не знала горя. Человек же, выращивая такую кукурузу, неизбежно терял бóльшую часть урожая. И что же мы видим теперь? Ядра современной кукурузы практически не защищены, а на момент зрелости прочно прикреплены к початку, потому что это было выгодно человеку, а кукурузу никто не спрашивал. Похожим образом дело обстоит и с другими зерновыми культурами: рисом, ячменем, пшеницей[3].

Рис. 1. Процесс одомашнивания кукурузы происходил очень долго, и постепенно она меняла свой внешний вид. На фото – кукурузный початок, тысячу лет пролежавший в древнем амбаре племени пуэбло. Каньон Мул на горе Сидар-Меса в районе Шаш-Джаа национального памятника «Беарс-Ирс» (Bears Ears) на юго-востоке штата Юта

Человеческое упорство в выращивании растений столетие за столетием неуклонно приносило результаты. Вместе с путешественниками и торговыми караванами одомашненные культуры распространились по всему миру. Овощной салат, если подумать, представляет собой маленькое чудо. Его никогда бы не было, если бы очень давно люди в разных концах света не окультурили каждый свое растение. Помидоры пришли к нам из Южной Америки, огурцы – из Индии, шпинат – с Ближнего Востока, капуста и оливки для масла – из Средиземноморья, лук и чеснок – из Центральной Азии[4]. Мы каждый день пьем чай, когда-то найденный в Китае, а по утрам – кофе из Эфиопии, воспринимая это как должное. Но не будь сельского хозяйства, мы не смогли бы раздобыть на завтрак ни арахисовой пасты, ни рисовых хлопьев.

Со временем выращивание растений интенсифицировалось. Население Земли росло, люди богатели, у них менялись запросы. На смену фермерству пришло промышленное растениеводство. Эффективность сельского хозяйства резко выросла вместе с открытием химических средств защиты растений – пестицидов, в странах третьего мира грянула «зеленая революция», и к концу XX в. на смену маленьким хозяйствам пришли агрохолдинги. И все это время растения продолжали меняться в угоду людям. Они становились более урожайными, более устойчивыми к вредителям и болезням, к засухам и к холоду. Когда одни проблемы решались, появлялись новые. Пришло понимание, что от пестицидов, отравляющих все живое, необходимо отказываться, а глобальное потепление снова изменило правила игры. Сортам, созданным для вчерашнего климата, через 10–20 лет придется искать замену, да и растительные патогены быстро приспосабливаются к ситуации, начиная заражать устойчивые культуры, как раньше.

История селекции, таким образом, пишется без остановки. Мы же в рамках этой книги остановимся подробнее на том, какое место в сельском хозяйстве, и в растениеводстве в частности, занимает генетика – область биологии, сосредоточенная на изучении генов и механизмов передачи наследственной информации. А наука эта довольно новая, копаться в ДНК люди научились не так уж давно.

Началось все во второй половине XIX в., в день, когда австрийский монах-августинец Грегор Мендель открыл законы наследования:

1. Закон единообразия гибридов первого поколения: скрещивание организмов, различающихся по вариантам одного гена, даст одинаковых потомков.

2. Закон расщепления генов: при многократном скрещивании у внуков вновь проявятся признаки, присущие бабушкам и дедушкам.

3. Закон независимого наследования: гены, связанные с разными признаками, наследуются независимо друг от друга.

Так появились понятия гибридизации и отбора. При жизни труд Менделя должным образом не ценили, но сегодня его опыты с горохом дети изучают в школе. И правильно делают – вещь полезная. Без Менделя и его экспериментов наш стол мог бы сильно потерять в разнообразии. Например, почти все цитрусовые, которые мы так любим, – это гибриды, получившиеся при скрещивании диких цитронов, помело, кумкватов, микранта и мандаринов. Иными словами, если бы люди не начали когда-то одомашнивать кислые и мелкие цитрусы из Индии, Мьянмы и Китая, то апельсинов, грейпфрутов и лимонов с лаймами попросту не было бы[5].

Гибридизацией можно получать также растения с бескосточковыми плодами. Здесь все дело в копиях хромосом, в которых хранится генетическая информация. У человека, как известно, 46 хромосом, образующих 23 пары. При размножении ребенок всегда берет половину хромосомного набора от мамы, а другую – от папы (23 + 23 = 46). Растения устроены примерно так же, но количество хромосомных наборов у них может быть больше. Так происходит, если родительское растение передает все свои хромосомы потомству, «забывая» их разделить. Это явление называется полиплоидией. Если же в результате гибридизации у растения нарушается парность хромосом, это влияет на их способность размножаться. Они все еще могут давать плоды, но семена в них будут стерильные и очень-очень маленькие. Арбузы без косточек, например, имеют три хромосомных набора. Их получают, скрещивая родителей с двумя и четырьмя наборами соответственно. Бананы и ананасы – тоже полиплоиды, поэтому их так удобно есть. Чтобы найти в ананасе семя, нужно постараться.

В России одним из самых известных сподвижников гибридизации был Иван Владимирович Мичурин. Первые опыты с плодовыми деревьями он начал проводить в 1875 г. у себя на даче. Конечно, народные селекционеры, экспериментировавшие со скрещиванием, были и за 100 лет до него, но именно в конце XIX в. селекция как «сортоводство» стала оформляться в полноценную дисциплину, уважаемую среди прогрессивных аграриев[6].

Второе событие, приблизившее нас к эре генома, – открытие в 1953 г. структуры дезоксирибонуклеиновой кислоты (по-простому – ДНК) Джеймсом Уотсоном, Френсисом Криком и Розалинд Франклин. Когда оно было сделано, ученые наконец смогли взглянуть на святая святых живой клетки. Практически открыли сейф со всеми ключами от дома. Осталось только взять их и научиться ими пользоваться.

Что такое ДНК и зачем она нужна

После открытия ДНК ученые довольно быстро поняли, какую роль в организме она играет. Была принята центральная догма молекулярной биологии. Она гласит, что генетическая информация передается от ДНК к матричной РНК (мРНК, матричная рибонуклеиновая кислота) и затем – к белку, а не наоборот. Сейчас уже известны исключения из правил – например, ретровирусы, такие как ВИЧ, могут переносить информацию с мРНК на ДНК путем обратной транскрипции, но растения подчиняются классической схеме. Их ДНК находится в ядре и представляет собой последовательность нуклеотидов – сложных молекул, состоящих из азотистого основания, сахара (в ДНК это дезоксирибоза, оттого она и «дезоксирибонуклеиновая») и остатка фосфорной кислоты. Такая структура позволяет ей скручиваться в двойную спираль. В ней азотистые основания обращены внутрь и образуют пары: аденин + тимин и гуанин + цитозин (рис. 2).

Каждый нуклеотид в составе ДНК – это буква (всего их четыре), каждые три буквы – это «кодон», его еще называют «триплет». Своего рода слово, которое затем станет аминокислотой – одной бусинкой в цепочке будущего белка. Причем каждый конкретный триплет всегда будет кодировать одну и ту же аминокислоту, а вот одна аминокислота может быть закодирована разными триплетами. Получается, некоторые слова в биологическом коде – синонимы, и, если заменить в каком-то из них букву, смысл может и не поменяться. Ну а когда из слов получается целое предложение, мы имеем инструкцию к белку, или ген.

Рис. 2. ДНК состоит из двух цепей, каждая из которых представляет собой последовательность четырех нуклеотидов, где в роли азотистых оснований представлены гуанин, цитозин, аденин и тимин. Каждые три нуклеотида в цепочке кодируют одну аминокислоту в составе белка. В молекуле РНК тимин заменен урацилом

В обычном состоянии ДНК упакована очень плотно, как моток ниток. Если клетке вдруг понадобился какой-то белок, часть ее ДНК расплетается, а двойная спираль раскрывается, будто застежка-молния на куртке, чтобы с нее удобно было сделать запись: синтезировать матричную РНК на основе нужного гена (РНК похожа на ДНК, но цепочка у нее не двойная, а одинарная: сахар – рибоза, а вместо азотистого основания тимина – урацил). Затем эта мРНК отправляется к рибосоме, где происходит синтез белка: 20 аминокислот выстраиваются в цепочку, раз за разом сменяя друг друга согласно переданной инструкции. Бусы, собираемые из этих аминокислот, получаются самые разные, примерно как из одних и тех же кубиков лего удается построить и гоночный автомобиль, и цветок, и за́мок для принцессы. Так и белки: одни короткие, другие длинные, из одних получаются мышцы, а другие нужны для защиты от инфекций или внутреннего управления.

То, каким будет конечный белок, как и в случае с лего, полностью зависит от используемых «правил сборки». Вот только инструкция к конструктору – вещь стабильная, она не изменится, сколько копий ни печатай, а о генетическом коде такого сказать нельзя. Во всех организмах, и у растений тоже, ДНК может повреждаться, например из-за солнечного излучения, или копироваться с ошибками во время деления клеток. Отдельные нуклеотиды могут выпадать или заменяться на другие. Так ДНК мутирует. Чем старше организм, тем больше мутаций в нем накапливается.

Так как ДНК очень большая и далеко не вся заполнена информацией о белках, большинство мутаций в ней могут быть относительно «нейтральными». Но из-за некоторых ошибок гены начинают кодировать новые белки или вообще ломаются. Если мутация происходит в половых клетках, передается потомству и оказывается выгодной для растения, оно приобретает эволюционное преимущество, а если невыгодной – потомки такого растения, скорее всего, погибнут, не выдержав конкуренции с другими видами.

Выходит, все растения на земле (как и все живые существа) – это генетически измененные потомки своих «прабабушек» и «прадедушек», которые когда-то обзавелись полезными для них свойствами. Классическая же селекция, в свою очередь, меняет ДНК в угоду людям: методом отбора сохраняет экземпляры с нужными нам мутациями. Жаль только, делает это слишком медленно.

Поняв, как в живых клетках работает передача генетической информации, и научившись ее расшифровывать, или секвенировать[7], человек закономерно задался вопросом: а есть ли способ как-то повлиять на ДНК растений, чтобы ускорить изменение их свойств и получить новые суперсорта? Ответ оказался положительным. На самом деле еще в 1960-х гг. провоцирование мутаций в растительных клетках шло полным ходом. За последние 70 лет люди получили более 3000 новых сортов растений, облучая традиционные формы и посыпая их химическими реагентами, чтобы вызвать спонтанные мутации в геноме. Ионизирующее излучение мы должны благодарить, например, за ярко-красные грейпфруты. В то время, когда они создавались, мутагенез не считался получением ГМО (как не считается таковым и до сих пор), растения не делились на «натуральные» и «искусственно полученные в лаборатории», биологи не боялись рисковать, а трава была зеленее. Сегодня все иначе. У современного селекционера в арсенале куда больше инструментов для того, чтобы улучшить растительную ДНК (табл. 1), но делает он это с гораздо большей осторожностью, а иногда не делает вообще.

От ненаправленного мутагенеза, где мутации происходят сами собой, а человек просто отбирает удачные экземпляры, ученые со временем перешли к более тонкой работе. Они научились вставлять в клетки растений тщательно отобранные чужеродные гены в составе специально созданных генетических конструкций – векторов. Такие векторы традиционно делают на основе бактериальных плазмид – небольших кольцевых молекул ДНК.

Таблица 1. Некоторые методы современной селекции растений и степень их воздействия на растительную ДНК

Вводят плазмиды в растения разными способами. Один из самых известных – агробактериальная трансформация. Здесь курьером, доставляющим выбранный учеными ген, становится почвенная бактерия Agrobacterium tumefaciens (она же Rhizobium radiobacter). В природе она занимается тем, что заражает копиями участков своих Ti-плазмид стебли растений. Фрагменты Ti-плазмид встраиваются в растительную ДНК и начинают производить для бактерий питательные вещества – опины. Биологи же берут у бактерий плазмиды, делают их более компактными, заменяют в них бактериальные гены на целевые (которые должны наделить растение новыми свойствами) и вводят им обратно, после чего Agrobacterium tumefaciens делает за ученых оставшуюся работу. Нужно только смешать эту бактерию с растительными клетками, и ее плазмиды доставят в них вместо собственных генов подсунутый человеком «ценный груз» (рис. 3), а растения смогут лучше плодоносить, выдерживать засуху или накапливать витамины[8]. Это как если бы кто-то взял троянского коня, вытряхнул из него ахейских воинов, а на их место положил новенькие винтовки, чтобы царю Приаму и его любвеобильному сыну было чем обороняться.