Редактирование генов сравнимо с выключателем света (почти). На поверхности, переключатель света и редактирование генов имеют столько же общего, сколько полузащитник с балериной.
Копайте немного глубже. «Очень упрощенно, основное применение редактирования генов - это как включение и выключение переключателя света», - говорит Федерико Триподи, главный исполнительный директор компании Calyxt из Нью-Брайтоне, штат Миннесота, специализацией которой являются технологии сельского хозяйства.
Редактирование генов - это группа технологий, используемых для включения или выключения, или изменения материала в определенных местах в геноме урожая (генетический материал организма). Хотите избавиться от болезней урожая? Выключите переключатель. Хотите разблокировать характеристику урожайности? Нажмите на переключатель.
“С ГМО мы применяем инородные материалы в растениях”, - говорит Адриан Перси, глобальный руководитель исследований и разработок компании Bayer Crop Science. «В случае же редактирования генов мы вносим изменения в существующий геном, а не используем инородный генетический материал».
Редактирование генов может быть более приемлемой для потребителей.
«Когда мы говорим о внедрении неродственных генов, потребители опасаются», - говорит Ричард Уилкинс, из Гринвуд, Делавэр, фермер и председатель Американской ассоциации соевых бобов. «У них не так много опасений по поводу изменений и редактирований существующих генов в растениях».
Фермеры быстро уловили агрономические выгоды от технологии ГМО. Потребители? Не так быстро. Редактирование гена может изменить это, поскольку оно создает потребительски-дружественные продукты, которые не содержат транс-жиры, стимулируют сложные углеводы и клетчатку и устраняют аллергию на продукты питания.
«Если эта технология помогает людям жить лучше, я думаю, что мы можем применить ее в правильном направлении», - говорит Чип Боулинг, Ньюбург, Мэриленд, фермер и бывший президент Национальной ассоциации производителей кукурузы.
КАК ЭТО РАБОТАЕТ
Генетическая информация организма (будь то растение, животное или человек) кодируется посредством ДНК, говорит Брэд Фаббри, главный научный сотрудник компания по развитию сельского хозяйства и развитию технологий TechAccel, Шевни Мишн, Канзас.
Нить ДНК содержит четыре нуклеотидных основания: аденин, цитозин, гуанин и тимин (также известные как A, C, G и T). Эти буквы и их порядок фактически описывают генетический код организма. Изменение порядка букв может изменить этот код, говорит Фаббри.
Эти изменения произошли естественным образом через процесс, называемый мутагенезом.
«Это может случиться случайно», - говорит Фаббри. «Прогулка по пляжу и попадание космических лучей может изменить ДНК».
Селикционеры также использовали мутагенез, чтобы подстегнуть изменения в разновидностях растений. Тем не менее, это занимает много лет. «С CRISPR-Cas (технология редактирования генов) время можно сократить до шести месяцев, говорит Дин Буши, глобальный регуляторный менеджер Bayer Crop Science.
Редактирование гена исключает случайность и неточность, которые иногда возникают, когда используется трансгенная технология. Точность, которую дает технология редактирования генов по сравнению с технологией ГМО, схожа с точностью мощной винтовки и дробовика.
«Одно из отличий генетической технологии (по сравнению с технологией ГМО) - это объем специфики, которую мы можем достичь», - говорит Триподи. «Мы идентифицируем генетическую последовательность, связанную только с этим геном, а не с остальной частью генома. Чтобы получить устойчивость к сульфонилмочевине (гербициду) в рапсе, мы сделали двух- и трехбуквенные изменения в кодах этого гена».
Как правило, генетически модифицированные продукты занимают 13 лет и около 130 миллионов долларов США для коммерциализации, добавляет Триподи.
«Мы можем разрабатывать продукты (с редактированием генов) за половину времени», - говорит он.
ТОЧНЫЕ НАДРЕЗЫ
Ученые могут сделать это, используя различные инструменты, которые разрезают, копируют и редактируют геном растения. Они включают:
- TALEN
- Meganucleases (Мегануклеазы)
- Zinc finger nucleases (Осадки цинкового пальца)
- CRISPR-Cas
- Oligonucleotide-directed mutagenesis (ODN, Олигонуклеотид-направленный мутагенез). Система разработки быстрых изменений (Rapid Trait Development System) компании Cibus и технология KeyBase компании KeyGene являются вариантами одной и той же базовой технологии олигонуклеотид-направленного мутагенеза, отмечает Фаббри.
- Engineered meganucleases (Спроектированные мегануклеазы)
«Вы можете думать об этих инструментах как ножницах, которые делают точный разрез ДНК», - говорит Триподи. По его словам, это может дезактивировать или активировать определенный ген.
«Порезы запускают собственную систему ремонта ДНК для внесения изменений», - добавляет Фаббри. Это похоже на естественную мутацию (например, происходящую из-за космических лучей или ультрафиолетовых лучей от солнечного света), которая повреждает ДНК, а затем восстанавливает шпоры, говорит он.
Все имеют разные характеристики. Технология TALEN является собственностью Calyxt. Ученые компании говорят, что точность данной технологии помогает предотвратить ненужные разрезы генома.
Такие компании, как DuPont Pioneer, используют фермент CRISPR-Cas9, который сравним с молекулярными ножницами.
«Мы можем сделать надрез здесь, сделать надрез там и внести целенаправленные изменения», - говорит Боб Мили, старший научный сотрудник DuPont Pioneer. «Как текстовый процессор, технология может заменять, редактировать и изменять варианты написания».
Как и TALEN, фермент CRISPR-Cas9 может также редактировать пять или более разных генов в одном геноме.
«В прошлом только один ген мог быть изменен одновременно. Это первая технология, которая позволяет нам изменять до пяти генов или более», - говорит Буши.
ОГРАНИЧЕНИЯ
Однако редактирование генов - это не конечная технология для всех остальных технологий.
Хотя ученые определили множество геномов культур, они не знают, сколько генов функционирует в геноме.
«Мы должны знать, что делают гены, прежде чем мы сможем их редактировать», - говорит Буши. «Мы знаем последовательность генов, но мы должны знать, как они работают».
Еще одно препятствие: редактирование гена может только преобразовать урожай, если уже присутствует присущее ему качество. Например, защита от вирусного заболевания будет работать только в том случае, если она уже присутствует в гене.
По этой причине Буши не видит, как технология ГМО сдаст позиции в ближайшее время.
Например, редактирование генов по-прежнему не может стимулировать устойчивость к насекомым так, как это делает генетически модифицированная кукуруза, говорит Мили. «Для таких вещей, как устойчивость к засухе, которая уже может присутствовать в растениях, это будет работать хорошо», - добавляет он.
Технологии также улучшатся. «Более глубокие геномные знания дадут нам большую точность в долгосрочной перспективе», - уверен Мили.
РЕГУЛИРУЮЩИЙ ПЕРЕХОД
Вероятно, генетически модифицированные семена избегут длительного процесса регулирования, которому подвергаются генетически модифицированные организмы.
«В апреле 2016 года Министерство сельского хозяйства США заявило, что редактирование генов не будет регулироваться, как ГМО», - говорит Морри Брайант, старший менеджер по маркетингу DuPont Pioneer. «С помощью ГМО вы вводите генетический материал из других видов. Это не то, что мы делаем».
«Это значительно сократит затраты на соблюдение нормативных требований, позволяя более мелким игрокам конкурировать», - говорит Джон Голдберг, основатель консалтинговой фирмы Washington Based Sciences, Вашингтон.
Минимальное регулирование может сочетаться с недорогими технологическими затратами, позволяющими размножать технологии редактирования генов среди многочисленных сторон. Теперь комплект CRISPR-Cas9 можно заказать в Интернете примерно за 110 долларов.
«CRISPR-Cas настолько дешев и легко работает, - добавляет Брэд Фаббри, главный научный сотрудник TechAccel. «Буквально умные старшеклассники могут использовать эту технологию. Технология опустила планку относительно того, какой опыт требуется для ее использования».
«Редактирование генов предоставляет уникальную возможность демократизировать доступ к технологиям во многом так же, как то, что мы видим с помощью цифровых инструментов», - добавляет Робб Фралей, главный технический директор Monsanto.
ПОТРЕБИТЕЛЬ
Однако регулирование и доступность технологии - это только половина битвы. Потребителей следует убедить в том, что пищевые продукты, произведенные путем редактирования генов, безопасны.
«Существует огромное желание учиться на прошлой дискуссии по ГМО», - говорит Боб Мили. «Мы хотим прислушиваться к потребителям и понимать их проблемы, поэтому этот продукт не просто выбрасывается на них».
По словам Фаббри, компании должны быть прозрачными с технологией. «Потребители имеют право знать, что в их пище, и что это безопасно», - говорит он.
Производство продуктов, которые привлекают потребителей, также является ключевым.
«Если компании могут производить продукты, такие как картофельные чипсы или картошку фри, с менее вредоносными компонентами, я думаю, что это именно тот путь, каким и должна идти отрасль», - говорит Фаббри. «Это может помочь изменить мнение потребителей, связанных с их здоровьем и здоровьем их семьи».
ИЗМЕНЕНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКОГО КОДА
Cibus, девелоперская компания из Сан-Диего, использует свою Систему разработки быстрых изменений (Rapid Trait Development System, RTDS), чтобы повысить устойчивость растений к болезням, гербицидам или стрессовым факторам окружающей среды. Представители Cibus говорят, что это делается благодаря изменению только одной или нескольких букв в генетическом коде. Так же они отмечают, что у всех ячеек есть сложные системы, которые исправляют ДНК и исправляют ошибки копирования, которые происходят в результате деления клеток. RTDS направляет эту систему естественного ремонта и таким образом делает точные изменения правописания в генетическом коде. Это создает намеченные полезные изменения.
Хирургическая точность RTDS помогает ускорить обычные сроки селекции растений, что сказывается на скорости вывода на рынок улучшенных сортов.
ЧТО ОЖИДАТЬ
Есть ряд генетически модифицированных культур, которые планируется выпустить на рынок в ближайшем будущем. Вот некоторые из них.
Высоко-масленые соевые бобы. Calyxt разрабатывает высоко-масленую сою, намеченную на дебют в 2018 году. Эти соевые бобы направлены к потребителям, потому что они здоровее, чем многие другие кулинарные или выпеченные масла, говорят представители промышленности. Они не содержат транс-жиры и имеют содержание олеинов, превышающее 75%. Этот уровень похож на оливковое масло, полезное растительное масло. Высоко-масленая соя также имеет в два-три раза более продолжительное время обжаривания и срок годности.
Calyxt также развивает устойчивость к гербицидам в пшенице с использованием редактирования генов. С точки зрения потребителей компания изучает такие продукты, как сорта пшеницы с уменьшенным содержанием клейковины и повышенным содержанием волокон.
Восковая кукуруза. DuPont Pioneer планирует выпускать усовершенствованные восковые гибриды кукурузы в 2019 или 2020 годах. «Мы являемся лидерами на рынке восковой кукурузы», - говорит Боб Мили, старший научный сотрудник DuPont Pioneer. «Мы знаем ее биологию, и мы можем делать это широко и быстро».
У Cibus также есть готовые продукты, использующие технологию RTDS, которые включают:
- Глифосат-толерантный лен. Он дебютирует через несколько лет.
- Два нетрансгенных изменения для риса, устойчивых к гербицидам.
- Картофель, устойчивый к болезням. Он может противостоят фитофторе позднего пятна, что вызвало недостаток ирландского картофеля в 1840-х годах.