Разрушители. Грибки и грядущая пандемия

В начале 1970-х годов миколог Сандра Анагностакис получила от французского агронома образец культуры гиповирулентного грибка и начала экспериментировать, заражая им уже инфицированные деревья, чтобы узнать, сможет ли он успокоить болезнь. Это сработало на удивление хорошо¹⁹, превратив смертельную инфекцию в нечто, с чем дерево может справиться. Тогда казалось, что этот вирус может стать спасением для американских каштанов, но этого так и не случилось. Несколько каштанов в Соединенных Штатах естественным образом заразились гиповирулентным грибком, однако дуэт грибка и вируса не распространился так, как это произошло в Европе. Даже если бы ученые попытались привить каждое дерево в стране, это не имело бы смысла, поскольку в Соединенных Штатах существует несколько различных штаммов грибка²⁰, многие из которых несовместимы с гиповирулентным. Спасительная инфекция попросту не всегда приживается. При этом, работая с грибком, Анагностакис и ее коллега все-таки обнаружили кое-что любопытное. Обычно, когда споры грибка прорастают и начинают питаться, они выделяют химическое вещество, называемое щавелевой кислотой, или оксалатом. Так работает их привычная стратегия заражения: кислота позволяет грибку проникать в клетки растения. Но гиповирулентный грибок не выделял оксалат²¹.

Способность выпускать химическое вещество можно оценивать как форму биологического оружия, и в этом нет ничего удивительного. Микробы и животные выбрасывают друг на друга всевозможные химические вещества, чтобы завоевать, удержать территорию или защитить себя от поедания. Деревья и растения через стволы и стебли выпускают терпены и алкалоиды, которые обеспечивают защиту от нападения насекомых или патогенов. К слову, именно терпены отвечают за считающийся культовым «сосновый» аромат.

Некоторые грибы, например плесень Penicillium, выделяют пенициллин, который может убивать бактерии (и который мы собираем, чтобы использовать исходя из своей выгоды). Когда речь идет о токсичных химикатах, велика вероятность того, что мишень уже развилась таким образом, чтобы ослабить наносимый ими ущерб. Пример – стрептококки и стафилококки, успевшие приобрести устойчивость к антибиотикам, или плесневые грибы аспергиллы, которые обладают устойчивостью к противогрибковым препаратам. Некоторые растения, подвергшиеся нападению грибков, вырабатывающих оксалат, поступают так же: бананы, клубника, пшеница и другие злаки научились вырабатывать фермент, называемый оксалат оксидаза, или OxO, являющийся продуктом одноименного гена. Было обнаружено, что этот фермент препятствует распространению грибков²², использующих щавелевую кислоту для вторжения в ткани растений. Американский каштан с его устойчивой к гниению древесиной и долгим сроком жизни выработал множество уловок, в том числе и химических, чтобы избежать вторжения грибков, но болезнь и ее оксалаты стали новой проблемой, потому что у данного вида деревьев отсутствует ген OxO. Для Пауэлла это стало открытием, в момент осознания которого он должен был вскричать: «Эврика!» Нетрудно догадаться, о чем он, специалист с опытом в области биоконтроля и страстью к генной инженерии, должен был подумать дальше: «Что, если получится внедрить ген OxO в американский каштан?»

Именно о таком применении науки мечтали первые биоинженеры: создавать сельскохозяйственные растения, способные постоять за себя. В своей книге «Повелители урожая», посвященной буйному началу генной инженерии, Дэн Чарльз писал, что инженеры воображали себя «зелеными революционерами»²³, которые могли бы помочь фермерам отказаться от токсичных пестицидов. В 1980-х годах лидирующие позиции в этом направлении заняла компания «Монсанто», открывшая ген Cry – селективный белок, убивающий насекомых, производимых бактерией Bacillus thuringiensis (Bt). Белок становится активным только при проглатывании определенными вредителями и действует изнутри кишечника. Его цель – личинки мотыльков и других насекомых, питающихся растениями. Задолго до того, как «Монсанто» начала экспериментировать с инженерией, фермеры опрыскивали свои посевы Bt, используя его как естественный пестицид. К слову, этот бактериальный спрей используется и по сей день.

Со временем инженеры «Монсанто» нашли способ вставлять гены Cry в растения, создав Bt-хлопок, кукурузу, картофель и другие культуры, которые в настоящее время являются самыми распространенными среди генно-модифицированных видов. Именно им стали приписывать значительное сокращение использования инсектицидов, так что можно сказать, что революция, над которой работали первые биоинженеры, состоялась. Но не так, как они надеялись. В ходе следующего проекта были созданы культуры, устойчивые к гербицидам. Идея заключалась в том, чтобы фермеры могли легко распылять гербицид Roundup и уничтожать любые окружающие растения сорняки или вредителей, не причиняя при этом вреда урожаю. Представьте себе: больше никакой прополки и вспашки под посевы. Утверждалось, что большая часть кукурузы и сои, выращиваемая в Соединенных Штатах, «готова к использованию Roundup». Сегодня сельскохозяйственные Bt-культуры, те, на которых можно применять чудо-гербицид, и другие высажены на более чем 16 миллионах гектаров миллионами фермеров в десятках стран, а корпорации вроде «Монсанто» уже заработали на них миллиарды долларов²⁴.

Но по мере того, как фермеры все чаще делали выбор в пользу модифицированных культур, голоса организаций, обеспокоенных их воздействием на здоровье и окружающую среду, становились все более громкими и встревоженными. В результате многие страны, включая большую часть Европейского союза, запретили или ограничили выращивание этих культур²⁵. А углубленный анализ воздействия генной инженерии и последующая статья в New York Times, выпущенная в 2016 году²⁶, дали понять, что эти культуры на самом деле не повысили урожайности и не снизили общего использования пестицидов. Насекомые и сорняки, на которые они были нацелены, успели выработать устойчивость, что вынудило производителей прибегнуть к использованию большего количества ядовитых веществ для опрыскивания растений. Но генная инженерия – это всего лишь инструмент, каждое применение которого несет в себе плюсы или минусы, а иногда и то и другое сразу. В то время как культуры, созданные для устойчивости к гербицидам, увеличили их использование²⁷, Bt-хлопок и кукуруза, созданные для защиты от определенных насекомых, наоборот, снизили потребность в некоторых пестицидах.

Пока вокруг генной инженерии бушевали моря науки, политики и прочей бурной деятельности, Пауэлл и его коллеги работали над тем, чтобы модифицировать каштан, дав ему возможность самостоятельно противостоять грибку. Конечная цель состояла в том, чтобы изменить дерево и вернуть его в лес на благо всех и каждого. Усилия Пауэлла растянулись на три десятилетия, в течение которых рядом с ним трудились его коллеги, студенты и технические специалисты. Лесной генетик Чарльз Мейнард, ныне вышедший на пенсию, сосредоточился на изучении способов выращивания деревьев в чашках Петри, чтобы после обнаружения гена-кандидата его можно было успешно внедрить в отдельные клетки. В итоге из них должны были вырасти саженцы, в каждой клетке которых будет присутствовать необходимая устойчивость. Но если некоторые деревья можно вырастить из кусочка листа, то каштаны – нет, и Мейнарду понадобилась помощь лесного биолога и специалиста по культуре тканей Скотта Меркла из Университета Джорджии. Меркл научил Мейнарда выращивать в чашке Петри эмбрионы американского каштана – маленькие полупрозрачные скопления клеток, а Пауэлл должен был найти подходящий ген, затем придумать, как успешно перенести его в эмбрионы.

С годами Мейнард и Пауэлл становились все более искусными во внедрении генов и выращивании саженцев. Они попробовали вставить несколько генов из китайского каштана, и некоторые из них обеспечили частичную устойчивость, а другие – незначительную. Примерно в это же время Пауэлл прочитал о растениях, которые были генетически модифицированы для экспрессии гена OxO. Бинго! Если внедрить этот ген в американский каштан, он позволит дереву вырабатывать собственный оксалат оксидаза, обезвреживая щавелевую кислоту, производимую патогеном, и тем самым предотвратить вторжение грибка. Это было в 1997 году, а одно из первых деревьев с геном OxO специалисты смогли высадить только в 2006-м, но оно не смогло вырабатывать достаточное количество оксалата оксидаза и в итоге погибло. После еще десяти лет проб и ошибок, в ходе которых было протестировано более двух десятков различных генов, взятых из китайского каштана, которые либо не оправдали себя, либо были эффективны лишь частично, Мейнард, Пауэлл и другие сообщили о первом американском каштане, устойчивом к каштановой чуме²⁸. Ключом все-таки оказался ген OxO.

В январе 2020 года Пауэлл и другие подали в Министерство сельского хозяйства США петицию, занявшую почти 300 страниц, включая приложение²⁹. Она содержала прошение одобрить к использованию генетически модифицированный американский каштан под названием Darling 58. К этому времени группа проверила каждую частичку дерева от корней до побегов, включая состав каштанов, почвенный микробиом, поддерживаемый корнями преобразованного дерева, и даже то, как опавшие листья могут повлиять на головастиков. Тем не менее процесс утверждения будет нелегким. Пауэлл и Американский фонд по спасению каштанов должны заверить Министерство сельского хозяйства США в том, что деревья не станут вредителями растений; Управление по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств – в том, что плоды съедобны; Управление по охране окружающей среды – в том, что модифицированные каштаны не вызовут хаоса в окружающей среде. Петиция получила более трех тысяч комментариев как «за», так и «против». В поддержку выступила Кэролайн Пуфалт, представляющая американскую экологическую организацию «Сьерра Клуб». Она написала, что, хотя любой генетически модифицированный организм несет неопределенность и потенциальный риск, при «разработке с помощью достоверной, прозрачной науки и руководствуясь принципом предосторожности, генная инженерия может создать организм, не представляющий угрозы для экосистем и приносящий пользу окружающей среде»³⁰. То есть бережно восстановить «утраченное родное дерево». Глобальная лесная коалиция подвергла критике краткосрочный характер исследований по оценке дерева, написав, что они «совершенно недостаточны для понимания потенциального воздействия ГМ-дерева, которое может жить сотни лет и распространяться на большие расстояния. Не будет никакой возможности отозвать их, если что-то пойдет не так, спустя годы или десятилетия».

Если петиция будет одобрена, пройдут годы, прежде чем эти устойчивые деревья пустят корни в почву, и десятилетия, прежде чем они сбросят достаточно плодов, чтобы накормить диких животных. Главная ценность этой работы, по словам Пауэлла, заключается в спасении дерева. Если генетически модифицированный американский каштан одобрят, патента все равно не будет, как и продажи модифицированных деревьев для получения прибыли. Любой человек, желающий посадить и размножить такой американский каштан, сможет это сделать совершенно свободно, а в случае успеха наработки³¹, благодаря которым он стал возможен, послужат делу спасения других деревьев, уничтоженных занесенными из других частей света насекомыми и болезнями.

* * *

Американский каштан, выведенный Пауэллом и другими учеными, является трансгенным, то есть ген из одного организма был вставлен в совершенно другой организм. А открытая в последующие годы система редактирования генома, получившая название CRISPR/Cas9, полностью изменила подход ученых к генной инженерии и принесла своим создательницам, Дженнифер Дудне и Эммануэль Шарпантье, Нобелевскую премию по химии. Революционная технология основана на иммунной защите бактерий, использующих редактирование генома для уничтожения вирусов. Система основана на повторяющихся шаблонах ДНК (CRISPR) и вставке белка Cas9, который может нацеливаться на определенные участки ДНК и разрезать их. Дудна и Шарпантье разработали способ использования этих «генетических ножниц» для редактирования генетического кода организма. С помощью CRISPR можно исправлять дефектные гены, включать или выключать гены, что позволяет ученым изменять организм без вставки чужеродных генов. Рецептор на растительной клетке, используемый грибом, можно отключить, лишив грибка доступа. Или можно изменить ген иммунитета, чтобы он реагировал быстрее.

Система позволяет ученым редактировать ДНК, как писатель редактирует документ Word (с осторожностью, чтобы добиться точности). Технология настолько нова, что ее еще не использовали для защиты деревьев от пузырчатой ржавчины, каштановой чумы или других лесных грибков. Но она уже показала себя с лучшей стороны относительно таких сельскохозяйственных культур, как томаты, какао, рис, виноград, хлопок и бананы³². Для модификации последних CRISPR/Cas9 может быть использована в ближайшем будущем³³. Возможно, это позволит им лучше сопротивляться болезням.