Машина творения: Новые организмы, редактирование генома и лабораторные гамбургеры - Эми Уэбб

ученым, Потрикус знал, насколько важны ключевые питательные элементы для развития детей. Он также знал, каково это – ложиться спать голодным. Во время Второй мировой войны он потерял отца; после войны семья Потрикуса бежала из Восточной Германии. Он и его братья воровали продукты в магазинах и попрошайничали на улице, пытаясь раздобыть хоть какой-нибудь еды{342}.

Потрикус мог модифицировать рис и удвоить или даже утроить урожайность этой культуры, однако проблему питания это бы не решило. Он знал, что рис широко доступен во многих сообществах, однако, хотя у людей в этих сообществах, казалось бы, достаточно пищи, они страдают от тяжелого недоедания. Поэтому Потрикус начал раздумывать о структуре растения и о том, целесообразно ли будет внести изменения в его генетический код. Однажды ночью он заснул с мыслями о разных вариантах решения задачи, а проснувшись, обдумал новые гипотезы: можно ли обогатить рис клетчаткой или калием? А что, если скрестить с генами риса гены шпината?

Потрикусу нужно было растение, которое при объединении с рисом обогатило бы зерно важнейшими питательными элементами, не изменяя его вкуса, текстуры или плотности, и, что самое важное, не потребовало бы изменений в технологии выращивания. Он остановился на культурах с высоким содержанием каротиноидов, которые помогают растениям поглощать необходимую для фотосинтеза световую энергию. Растения, особенно богатые каротиноидами, окрашены в яркие оттенки красного, желтого и оранжевого цветов. Существует более 600 видов каротиноидов, а самый известный из них – бета-каротин, который содержится в моркови, тыкве, батате, манго, грейпфруте, болгарском перце и помидорах. Бета-каротин также действует как антиоксидант, обладает сильными противоопухолевыми свойствами и метаболизируется в витамин А.

Последнее очень важно. От дефицита витамина A страдают миллионы людей, его нехватка наносит чудовищный вред организму и здоровью. Старое поверье, что морковь улучшает зрение, отчасти правда. Дополнительное количество витамина A не исправит близорукость, но его дефицит приведет к серьезным последствиям для зрительной, нервной и иммунной систем. Недостаток витамина A препятствует просыханию роговицы – органа, по консистенции напоминающему губку. Слои клеток на нашей роговице непрерывно откачивают из нее влагу, и для их работы необходим витамин A. Если они не справляются, радужная оболочка глаза покрывается молочно-белым налетом. Без лечения она теряет прозрачность, в результате глаз становится белым, а зрение – нечетким. Из всех последствий дефицита витамина A побелевшие глаза и затуманенное зрение, пожалуй, самая незначительная из возможных проблем.

Так, если в организме недостаточно витамина A, роговица начинает со временем разрушаться. Не хватает здоровых, запрограммированных клеток, готовых к борьбе с повреждением. Без роговицы, закрывающей переднюю поверхность глаза, оказываются незащищенными расположенные за ней нервы. Боль при эрозии роговицы не сравнить даже с ударом мячом – по глазам словно непрерывно бьют раскаленной кочергой. Офтальмологи описывают это ощущение как «боль, меняющую вероисповедание», потому что, как сказал один из них, вы будете «молиться любым богам, лишь бы ее унять»{343}. Осмотрев глаза человека, давно страдающего от недостатка витамина A, вы, скорее всего, обнаружите необратимые признаки слепоты.

Потрикус знал, что массовый дефицит витамина A неизбежно влечет за собой мучительные боли в глазах и, возможно, полную потерю зрения для сотен миллионов людей. Он также знал, что недостаток витамина A ослабляет иммунную систему и что больше всего от этого страдают дети. Даже небольшой дефицит витамина A резко повышает уровень детской смертности, поскольку снижает сопротивляемость инфекционным заболеваниям, среди которых корь и диарея. В ряде малоимущих сообществ детская смертность из-за недостатка витамина A порой достигает 50 %.

Потрикус рассматривал возможные варианты. Государственный сектор здравоохранения мог бы разработать сыворотку с витамином A в точно выверенной дозировке, которая будет работать на протяжении многих лет (задача довольно сложная, поскольку слишком большое количество витамина будет токсичным), а затем убедить миллиарды людей по всему миру сделать инъекцию. Либо – пусть это и грандиозная научная задача – он мог бы зарядить рис бета-каротином.

Наиболее часто употребляемый в пищу рис относится к разновидности Oryza sativa (рис посевной). У него всего 12 хромосом и общая длина ДНК 430 мегабаз (единиц измерения длины нуклеотидов, каждая из которых равна одному миллиону пар оснований). Благодаря этому такой рис – отличный кандидат для геномики растений. Сам по себе Oryza sativa не экспрессирует бета-каротин в крахмалистую, внутреннюю часть рисового зерна (известную как эндосперм), которую большинство людей употребляет в пищу. Потрикус начал с гипотезы, согласно которой мог быть создан новый способ получения бета-каротина растением.

Вместе с небольшой группой коллег он приступил к работе. Потрикус был не единственным из ученых, кто задумывался о бета-каротине и рисе. Фонд Рокфеллера, частная благотворительная организация со штаб-квартирой в Нью-Йорке, обладающая целевым капиталом более 4 млрд долларов и ставящая перед собой задачу покончить с голодом во всем мире, размышлял над той же проблемой и тоже пришел к идее получения риса, обогащенного витамином A. Фонд стал одним из первых инвесторов Международного научно-исследовательского института риса (IRRI) – некоммерческого научного центра, базирующегося на Филиппинах. К 1984 г. директор по продовольственной безопасности Фонда Рокфеллера Гэри Тэнниссен и некоторые его коллеги считали, что у них есть все необходимое для реализации глобальной программы по разработке нового суперриса: собственные специалисты, сеть учреждений и партнеров, а также средства для привлечения исследователей из других организаций. Вскоре ученые из Фонда Рокфеллера создали первую карту молекулярных ДНК-маркеров риса и в итоге установили связь между рисом и эволюцией таких продовольственных злаков, как кукуруза, рожь и пшеница, – это было ошеломляющее открытие, которое поставило под сомнение давние представления о других ключевых источниках пищи. Но как обогатить рис, чтобы сделать его более питательным? Эта задача по-прежнему не поддавалась решению{344}.

Тэнниссен решил организовать встречу с одним из знакомых исследователей в области биохимии Питером Бейером, специалистом по бета-каротину из Фрайбургского университета в Германии. Хотя Тэнниссен и Потрикус считали, что вывести новый, питательный и простой в выращивании сорт риса можно, им нужен был генетический код не связанного с рисом растения. Болгарский перец и батат – хорошие источники бета-каротина, однако Бейер предположил, что лучше взять еще более далекого родственника. Таким кандидатом стал всем хорошо знакомый нарцисс – прекрасный цветок, изредка ошибочно принимаемый за съедобное растение, ярко-желтый, с шестью лепестками, окружающими оранжево-желтый раструб{345}.

Исследователи понимали, что идея далека от реальности. Чтобы генетически модифицировать такое растение, как Oryza sativa, сначала предстояло определить, какие гены нарцисса стоит использовать. Затем нужно было выделить эти гены и закодировать их в зародышах растений. Предположив, что выбор генов сделан правильно, ученые надеялись, что проростки по мере развития будут включать эти новые гены в свою ДНК, производить требуемые белки и действовать в согласии с остальным геномом растения. В итоге эти клетки созреют и произведут семена, которые теоретически будут нести в себе новый измененный код и передадут новые гены будущим растениям риса, способным производить бета-каротин.

Это был лишь один элемент пазла. Агрономы-селекционеры традиционно полагались исключительно на эксперименты и терпение. К 1990-м гг. ученым удалось добиться переноса одного гена для модификации организма. Но, чтобы получить обогащенный бета-каротином рис, требовалось три гена для проведения модификации. Приступив к работе, Потрикус с командой пробовали разные методы трансформации. Сначала они планировали вводить по одному новому гену в отдельные растения риса, а затем размножить их обычным способом. Хотя несколько первых образцов давали основания для оптимизма, повторные попытки произвести все необходимые ферменты не увенчались успехом. Тогда решили применить более агрессивный подход: сконструировать бактерию, которая внедрила бы свою ДНК в зародыши риса. Этот процесс, известный как Agrobacterium-опосредованная трансформация, позволил бы ввести все необходимые гены одновременно. Новая, модифицированная ДНК должна была включать фитоен-синтазу и ликопин-бета-циклазу из нарцисса и фитоен-десатуразу из бактерий. После полного созревания эти модифицированные растения риса должны были производить и накапливать бета-каротин.

Выращивать рис в теплице Потрикуса у подножья Швейцарских Альп было так же сложно, как и на рисовом поле в Японии. Спустя много лет, посвященных экспериментам, Потрикус, Бейер и их коллеги