Растения будущего и геномика настоящего: интервью с биологом Ильей Кировым
В 2025 году случилось то, что селекционеры всего мира ждали с момента открытия принципов редактирования генома. Появились первые растения с хирургически точными изменениями ДНК, выполненными при их жизни и без нарушения естественного цикла развития. В МФТИ научились менять гены растения, растущего прямо в земле, в обычных условиях.
Редактор ДНК нового поколения вносит изменения в стволовые клетки растений, из которых развиваются новые веточки, листья и, что особенно важно, цветы и семена. Это делает новое поколение редакторов ДНК по-настоящему революционным — внесенные изменения теперь будут стабильно наследоваться. Зачем нужна начинающаяся революция в создании культурных растений и к чему она приведет, нам рассказал Илья Киров, ведущий научный сотрудник лаборатории системной геномики и мобиломики растений МФТИ.
Вы создаете растения будущего. А что это за будущее?
Я в курсе про все страхи насчет будущего, но все-таки склонен думать, что благодаря технологиям мы движемся к лучшему будущему — в котором появится огромное разнообразие сельскохозяйственных культур, более устойчивых, более вкусных и за приятную цену.
Но искусственно созданных — вот что многим не нравится!
Все наши культуры, которые за тысячи лет одомашнились, уже давно «противоестественны». Выпустите курицу в лес — она помрет. Это уже другая ветвь эволюции, приспособленная, как и мы, к жизни в техносфере. Нам нет смысла стремиться к естественному образу жизни: мы не приспособлены к нему.
Зато старые методы испытаны временем.
Да, уже много тысяч лет селекционеры ведут отбор, и все культурные растения получены благодаря работе этих людей. За тысячи лет суть их работы не особо изменилась. Основа все та же: на входе — генетическое разнообразие, а дальше скрещивание и отбор, скрещивание и отбор, скрещивание и отбор — много раз. Для того чтобы вывести один сорт, нужны годы. Конечно, появились технологии маркерной селекции, которые позволяют сократить селекционный процесс за счет того, что смотрят не на признак, а на сам ген. И технологии ускоренного размножения — мы уже можем получить шесть поколений в год. Благодаря этим технологиям удалось сократить срок получения сорта. Но это все лишь «поддерживающие инновации», не позволяющие перейти на следующий уровень.
А что бы тут стало «трансформирующей инновацией»?
Что тут вообще можно сделать? Селекционеры отлично поработали со скрещиванием и отбором. Но у процесса селекции ведь есть и вторая сторона — генетическое разнообразие. Мы до сих пор работаем в рамках естественного и случайного возникновения генетического разнообразия, которое используется селекцией.
Даже если мы знаем, какой именно ген контролирует нужный признак, все равно, чтобы получить нужную мутацию, придется долго заниматься скрещиванием и отбором. На гектаре пшеницы возникает полмиллиарда мутаций. Поэтому селекционер, поискав пару десятилетий, имеет неплохой шанс найти одно растение пшеницы, в котором будет мутация в том самом месте, где он хочет. Можно посадить 200 га пшеницы, это порядка 300 млн растений, — тогда дело пойдет быстрее. Только проанализировать все эти растения будет сложно.
Можно как-то ускорить мутагенез?
Да, можно делать химический мутагенез. Этот метод использовали лет 40 назад. Но проблема в том, что, кроме одной вашей мутации, появятся еще 100 тыс. других мутаций.
Вот с этой ситуацией мы и столкнулись несколько лет назад, когда селекционеры к нам пришли. Мы изучаем, как мутации возникают в природе, и пытаемся их контролировать. Мы разрабатываем новый метод — биологического мутагенеза. Конечно, нас интересует не только процесс мутагенеза, но еще и как получить конкретные мутации в определенных генах.
Мы освоили геномное редактирование. Генетические редакторы — та самая палочка-выручалочка, которая дает возможность сделать мутацию в том гене, который нужен, и нигде больше. Но есть проблема: это пока слишком громоздкий инструмент, как огромные компьютеры 1970-х. Когда Джобс и Гейтс, начали говорить, что у всех будут портативные компьютеры, специалисты крутили пальцем у виска, потому что невозможно было себе представить, что домохозяйки будут что-то там считать на этом сложнейшем оборудовании.
А теперь так с геномным редактированием. Скоро домохозяйки за него возьмутся?
Пока это такая громоздкая платформа, что и селекционным центрам не под силу с ней работать.
Главная проблема в том, что нужно как-то доставить генетический редактор (белок и РНК) в клетки растения. Мы умели доставлять его только в отдельные клетки. А как дальше получить растение с новым признаком? Вот здесь самое сложное. Из отдельной клетки трудно и дорого вырастить растение: подсолнечник вообще невозможно, сою — два года нужно. Такую технологию невозможно внедрить.
И мы решили пойти другим способом. Обычные геномные редакторы доставляются бактериями в отдельные клетки, а дальше растению нужно регенерировать. А мы стали использовать «обезоруженные» вирусы.
Звучит устрашающе!
Как бы страшно это ни звучало, вирус, в отличие от бактерий, очень быстро распространяется по всему растению, захватывая огромное количество клеток растений.
Первый вирус, который полностью мог нести редактор, сделали год назад китайцы. Это был, на самом деле, сногсшибательный успех — засунуть в вирус полный редактор, ведь вирусы растений очень компактные, а редакторы крупные. Мы этот вирус тут же заполучили и за полгода полностью эту технологию приземлили. Вот белые растения табака, созданные с его помощью, — чтобы их получить, нужно было отключить несколько генов, которые отвечают за фотосинтез.
А если кто-то покурит ваш табачок, что произойдет?
Во-первых, вирусы растений абсолютно безопасны для человека, и мы каждый день съедаем миллиарды вирусных частиц. Второе: те вирусы, которые мы используем, — это обычные наши вирусы-спутники, как аденовирус, который везде с нами. А в-третьих, мы используем вирусы, у которых часть генома полностью удалена.
Тут проблема в другом: метод работал как часы, но оказалось, этот вирус, никакие растения, кроме табака, не заражает. И, что еще важнее, этот вирус не может зайти в меристему — это аналог стволовых клеток у растений, клетки в зонах роста, которые постоянно делятся, за счет них растение и растет. А значит, нам всегда нужно проводить регенерацию, выращивать растения из отдельных клеток. Тогда мы поняли, что надо создавать новый вирусный редактор, который заражает широкий круг растений и имеет «сверхспособность» — проникать в меристему.
И мы стали искать вирусы, которые способны это сделать. Главная задача нашего проекта сейчас — создать базу вирусов и принципиально новых компактных редакторов. Буквально вот месяц назад мы показали, что первый вирусный редактор, который собрали мы, редактирует табак не хуже, чем китайский вирус. Но главное, он потенциально может заражать не только табак, но рапс, и картофель, и свеклу. Сейчас будем его тестировать на разных сельхозобъектах.
Уверен, что уже в следующем году мы полностью сами будем собирать нужный редактор для любого гена, который нам укажут.
Насколько оригинален такой редактор? Вы используете для него запатентованный белок Cas9, который нужен для метода CRISPR и уже известные вирусы?
Cas9 слишком большой, в нашей области он не взлетит. Недавно мы успешно использовали на модельном растении вирусный редактор нового поколения, в основе которого не Cas9, а новый класс компактных редакторов, открытых всего несколько лет назад. Эти белки мы сейчас с коллегами из МФТИ улучшаем с помощью методов искусственного интеллекта. А еще в этом году появился OpenCRISPR — белок, который был полностью создан с помощью искусственного интеллекта. По эффективности он не хуже Cas9 и с открытой лицензией.
Мы сами делаем генно-инженерные конструкции, тестируем их. Используя свои алгоритмы искусственного интеллекта, направленной эволюции и биодизайна, коллеги-математики нам прогнозируют, какие еще мутации могут улучшить редактор. Мы их вносим и тестируем, насколько редактор повышает свою активность. Таким образом мы надеемся повысить эффективность редактора в несколько раз. Нужен очень мощный запас эффективности, чтобы перейти на сельхозкультуры.
Но ведь у нас в стране нельзя использовать генно-модифицированные растения в сельском хозяйстве?
Тут очень важно разграничивать, что такое трансгенные растения, что такое геномно-редактированные растения.
Геномно-редактированные растения — это растения с направленной мутацией, которая так или иначе возникнет или уже есть в природе. Трансгенные растения — это растения, в которых вставлен кусок ДНК, не присущий этим растениям.
Кстати, недавно произошло важное событие. Европа десять лет боролась с редактированием, но все изменилось в декабре, когда в Евросовете договорились о том, что теперь, с 2026 года, редактированные растения в Европе, которые несут уже известные мутации, встречающиеся в природе, не будут регулироваться, как ГМО — как и в США, Японии, Бразилии, Аргентине... Вы просто не можете доказать факт редактирования, ведь это просто мутация и все.
А в чем ваша главная цель?
Наша главная цель — сделать редакторы для разных важных признаков, которые сможет использовать селекционер рутинно в своей практике с нашей помощью или даже в перспективе полностью самостоятельно. Это значит, нужно полностью убрать этап регенерации, увеличить эффективность и воспроизводимость. Нужно сделать так, чтобы генетически редактировать признак можно было не в специализированных лабораториях, а в обычных условиях селекционного процесса. Чтобы все редактирование сводилось к тому, что селекционер берет и вносит в растение редактор, который мы ему дали. А потом собирает семена, в которых будет нужная мутация. Вот тогда это будет трансформация селекции и новый технологический уровень! Вот это мы хотим сделать через пару лет.
Растения, которые мы создаем таким способом, могут и сами возникнуть в природе. Но для этого пришлось бы долго ждать и проверять миллионы растений. Зачем так неразумно тратить время и деньги, если теперь у нас появился инструмент редактирования ДНК нового поколения, который позволяет сделать больше за намного меньшее время! Представьте, что мы вносим разные изменения в гены культурных растений, отвечающие за полезные признаки, и получаем сотни таких растений с разными вариантами этих признаков — разные вкусы и содержание полезных веществ, разные цвета, формы...
Поэтому мы все время на всех площадках говорим, что это технология будущегоь — мы должны перейти от селекции к генетическому дизайну.