Стартап из США высадил первые генетически модифицированные деревья, которые должны бороться с углеродными выбросами Но почему эта идея не нравится экоактивистам?
В середине февраля на опушке леса в американском штате Джорджия компания Living Carbon высадила пять тысяч саженцев генетически модифицированных тополей. По словам репортеров и экологов, это беспрецедентный случай, когда частная компания получила разрешение на выращивание ГМ-растений в рекордные сроки, причем даже не имея научных публикаций, способных подтвердить, что деревья действительно могут решить задачу, для которой они были разработаны.
По утверждению создателей, новый сорт тополей обладает более эффективным фотосинтезом, что в теории позволяет таким деревьям расти в полтора раза быстрее диких сородичей. Основатели компании, которые намерены в течение года высадить несколько миллионов подобных саженцев, заявляют, что таким образом собираются бороться с повышением концентрации CO₂ в атмосфере, а значит, и с изменением климата.
Чтобы добиться ускоренного роста деревьев, генные инженеры из стартапа Living Carbon воспользовались изобретением биологов-синтетиков из Университета Иллинойса. Тем удалось «разогнать» скорость фиксации атмосферного углерода в табаке путем введения в клетки растения пары ферментов, взятых в одном случае у водоросли хламидомонады, а во втором — у тыквы. В результате такого вмешательства табак действительно научился фотосинтезировать существенно эффективнее: в эксперименте ГМ-растение набирало массу на четверть быстрее, а крахмала (выступающего в качестве запасов энергии) в его клетках было на 40% больше.
Далеко не все растения — идеальные машины для фотосинтеза. Ученые решили исправить один из «багов» эволюции с помощью небольшого «ГМ-апдейта»
Хорошо известно, что растения буквально создают свою биомассу из солнечного света и воздуха, а точнее — из углекислого газа, который с помощью специального фермента превращается в сахара, на что, собственно, и тратится энергия солнца. Менее известен тот факт, что, несмотря на миллионы лет эволюции, далеко не все растения проводят этот процесс полностью оптимальным образом.
Фундаментальная проблема, ограничивающая эффективность фиксации углекислого газа большинством растений, заключается в том, что фермент, который отвечает за присоединение молекулы CO₂ к «заготовке» будущей молекулы сахара (через цепь последовательных превращений из этой «заготовки» в конечном итоге образуются глюкоза и крахмал), умеет не только присоединять «правильный» углерод, но и, с меньшей вероятностью, присоединяет «неправильный» кислород. В результате побочной реакции образуется вещество под названием гликолат, которое покидает хлоропласты (где происходит фотосинтез), а в конечном итоге разваливается — снова с образованием молекулы CO₂. Таким образом, вследствие ошибки фермента растение вместо фиксации углерода, наоборот, его теряет. Этот процесс называется фотодыханием.
Некоторые растения, например кукуруза, научились частично обходить этот не самый эффективный способ фотосинтеза за счет использования довольно сложных дополнительных ухищрений (один из способов — так называемый C4-фотосинтез). А генные инженеры из Иллинойса предложили даже более простое и изящное решение, которое позволило не выпускать гликолат из хлоропластов, а отщеплять от него углерод прямо там, чтобы фиксирующий фермент мог присоединить этот углерод к «заготовке» сахара и почти полностью подавить фотодыхание. Эксперименты на табаке позволили подобрать удачную комбинацию генов соответствующих ферментов, которую решили использовать и инженеры из Living Carbon для оптимизации фотосинтеза у тополя.
От научной статьи до аллей с ГМ-тополями лежит длинный путь. В Living Carbon решили его срезать — с сомнительным результатом
Проблема в том, что деревья довольно сильно отличаются от табака, поэтому эффект от той же модификации на другом объекте может быть непредсказуем. Исследователи компании это осознавали и провели ряд экспериментов, результаты которых были выложены в виде препринта на сайте bioRxiv. Тем не менее на момент получения разрешения эту рукопись еще не отрецензировали другие ученые и она не была официально опубликована.
Перед тем как «выпустить» деревья в естественную среду обитания, их испытали лишь в теплице, где и были получены обнадеживающие результаты по скорости их роста. Но никаких полевых испытаний перед масштабной высадкой проведено не было. Тем не менее представителям компании Living Carbon каким-то образом удалось получить разрешение на высадку деревьев в максимально короткие сроки, что шокировало не только представителей экологической организации The Global Justice Ecology Project, которые борются с высаживанием ГМ-деревьев, но и ближайших «конкурентов» Living Carbon — группу ученых, которые уже третий год ждут разрешения на широкомасштабное выращивание американского каштана, устойчивого к грибку.
Как пишет The New York Times, основатели Living Carbon использовали лазейку в законодательстве, которая позволяет избежать регулирования со стороны федеральных властей (USDA). Дело в том, что для генетической модификации своих растений они применили довольно примитивный метод, который формально, с юридической точки зрения не делал их растения «модифицированными».
Согласно поправке в сельскохозяйственном законодательстве, выпущенной в 2020 году, под регулирование USDA попадают только генетически модифицированные растения, которые были получены при помощи бактериального или вирусного вектора, — то есть носителем новой генетической информации в их случае являются бактерии или вирусы. Это самый популярный сейчас метод генетической модификации в лабораториях, которые занимаются растениями. Для этой цели агробактерии, обладающие естественной способностью проникать в растительные клетки и передавать свою ДНК, снабжают новой, специально созданной ДНК-конструкцией. Таким образом, нужный ген сначала вводят в бактерии, а затем уже эти бактерии заражают растительные клетки.
Этот же хорошо опробованный метод использовали и инженеры Living Carbon, когда проводили пробные эксперименты на тополях. Однако те саженцы, в итоге оказавшиеся в штате Джорджия, были получены совсем другим путем — который формально, по законодательству США, модификацией не является. Речь идет об использовании «генной пушки» — способа доставки ДНК, подразумевающего в буквальном смысле обстрел клеток растения микроскопическими шариками золота, покрытыми генетическим материалом. Этот метод тоже хорошо известен и довольно надежен, но его важный недостаток заключается в том, что нужные гены в результате «обстрела» могут встроиться в произвольное место генома. И формально, и с точки зрения физиологии полученные таким образом растения — это вовсе не то же самое, что саженцы, которые были получены с помощью агробактерий и для которых в препринте был показан прирост биомассы 50% по сравнению с исходными тополями.
Оплачивать высадку ГМ-тополей предлагается компаниям, которые выбрасывают парниковые газы, — в качестве «климатических индульгенций»
Исполнительным директором и сооснователем Living Carbon стала Мэдди Холл, которая до этого работала в Кремниевой долине в таких проектах, как OpenAI. На создание и культивацию своих тополей компания за три года существования собрала более 36 миллионов долларов венчурного капитала и инвестиций. Но как она рассчитывает получать прибыль, если тополя нельзя есть и даже их древесина не особо ценна?
Дело в том, что компания собирается торговать «углеродными кредитами» — квотами на выбросы парниковых газов, которые измеряются в тоннах углекислого газа. Другими словами, основатели Living Carbon предложат компаниям купить разрешение на выброс определенного количества CO₂ и в обмен пообещают, что посадят такое количество быстрорастущих тополей, которое за несколько лет «высосет» его из атмосферы.
Эта идея кажется вполне разумной, если тополя действительно «работают» — что, как понятно из сказанного выше, пока не вполне доказано. Однако у бизнес-модели Living Carbon есть и другие проблемы, помимо качества обоснований проекта.
Если оставить за скобками недовольство экологических активистов, которые называют подобную схему «торговлей индульгенциями», создающими лишь видимость борьбы с изменениями климата, то в первую очередь вызывает опасение возможность «утечки» новых генов в окружающую среду — через скрещивание ГМ-растений с их исходными вариантами.
Кроме того, любая модификация, позволяющая быстрее расти или избегать вредителей, несомненно становится эволюционным преимуществом для вида, позволяя ему распространяться быстрее диких сородичей. Именно поэтому экологические активисты из таких организаций, как The Global Justice Ecology Project, выступают против высаживания ГМ-деревьев: они считают (возможно, небезосновательно), что «улучшенные» сорта могут быстро вытеснить все остальные деревья, а значит, поставят под угрозу биоразнообразие.
Тем не менее само по себе использование направленных генетических модификаций для улучшения свойств растений вместо традиционной селекции уже давно не является чем-то новым. По крайней мере для США: около 90% кукурузы, сои и хлопка, которые сегодня выращиваются фермерами страны, — это сорта с генетическими модификациями, обеспечивающими устойчивость к пестицидам и вредителям. Кроме этих основных сельскохозяйственных культур и еще нескольких видов растений, используемых в основном на корм скоту, на территории страны можно встретить и ГМ-деревья — это устойчивые к вирусу папайи и яблони, на которых растут не чернеющие на воздухе яблоки (то есть если разрезать такое яблоко, оно со временем не потемнеет).
Сами ГМ-тополя уже более 20 лет выращивают в Китае. В 2002 году министерство сельского хозяйства Китая одобрило для коммерческого использования два сорта этих деревьев. В их геном были встроены гены бактериальных токсинов насекомых, которые должны были сделать растения устойчивыми к вредителям. Широкомасштабная высадка тополей в этой стране проводится для борьбы с опустыниванием территории. Кроме того, древесина тополей используется в технических целях — например, для изготовления бумаги и фанеры.
В 2018 году вышел научный обзор китайских ученых, которые подвели некоторые итоги многолетнего выращивания ГМ-тополей и исследований в этой области. Судя по полевым испытаниям, «токсичные» деревья критически не влияют на структуру почвенных микробных сообществ. Что касается насекомых, которых деревья должны отпугивать, то кажется, что в месте произрастания тополей вредителей меньше не стало — это может объясняться либо тем, что они кормятся на соседних деревьях, либо выработкой устойчивости к токсину, либо же ГМ-деревья в дикой природе оказались не так хороши, как в лаборатории. Так или иначе, в Китае с тех пор было выведено еще как минимум 22 сорта тополей, но власти пока не торопятся с разрешением выпускать их в леса.
Биотех США уже видел громкий проект с сомнительным обоснованием — Theranos Элизабет Холмс. Впрочем, результаты испытаний ГМ-тополей еще имеют шанс посрамить скептиков
Основатели Living Carbon признают некоторые экологические риски, поэтому на пилотной плантации в Джорджии ГМ-тополя растут вперемежку с обычными — заодно это позволяет поставить научный эксперимент, с помощью которого действительно можно будет оценить, обладают ли ГМ-деревья заявленными свойствами. Все ГМ-деревья являются женскими, то есть не производят пыльцы. Кроме тополей на участке высадят и другие виды, чтобы оценить влияние ГМ-деревьев на биоразнообразие.
Хозяин фермы, на территории которой раскинулась плантация, не имеет ничего против ГМ-деревьев: до этого его земля никак не использовалась, а теперь он получит арендную плату и некоторое количество технической древесины даже в самом худшем случае. В планах компании использовать для посадок болота и заброшенные рудники — все расположенные на частных территориях.
Несмотря на откровенную непрозрачность проекта, у Living Carbon есть и научный партнер — Университет Орегона. Тем не менее даже его сотрудники испытывают здоровый скептицизм относительно того, что идея выстрелит. В основном ученых смущает отсутствие данных полевых испытаний, ведь результаты, полученные в лабораторной теплице, и результаты, полученные в поле, могут сильно отличаться. Автор разработки, опубликованной в Science, которую компания использовала для улучшения деревьев, тоже не уверен в успехе на 100%. Вдруг тополя не захотят расти достаточно быстро?
Судя по всему, пока основная «угроза», которую представляет собой новый сорт ГМ-тополей, — это невыполненные обещания. Подобная история была на слуху несколько лет назад, когда основательница биотех-стартапа Theranos обещала совершить переворот в лабораторных анализах крови, не имея на руках реальных результатов своих разработок. Та история завершилась судом и уголовными делами. Но Living Carbon не обещает сверхбыстрых результатов, ведь пока тополя растут, у инженеров есть годы на доработку несовершенных технологий.
«Медуза»