Почему экосистемам и видам нашей планеты необходим генетический ремонт

Климат нашей планеты стремительно меняется, а многим видам животных и растений угрожает вымирание. В то же время другие виды распространяются благодаря человеку, разрушительно воздействуя на экосистемы. Возможно, в будущем биотехнология позволит воскресить некоторые вымершие виды — например, мамонта. Появился даже специальный термин: de-extinction, или «отмена вымирания». 

Правда, до воскрешения мамонта и других вымерших животных и растений пока еще далеко – возможно, так же, как пока далеко до терраформирования Марса. Но зато ученые предлагают использовать методы генной инженерии и синтетической биологии для сохранения биоразнообразия и борьбы с инвазивными видами. Работа над такими проектами уже ведется в лабораториях. 

Синтезированное биоразнообразие

В 2016 году было опубликовано письмо, авторы которого — специалисты в области синтетической биологии — призвали специалистов по охране природы к сотрудничеству ради сохранения биоразнообразия. Они назвали свой подход синтезированным биоразнообразием и предложили несколько возможных способов применения биотехнологий для спасения видов. Что это за технологии и как они применяются на практике? 

Коралловые рифы, устойчивые к потеплению

Коралловые рифы — это естественные очаги биоразнообразия, сравнимые с лесами. 

Они поддерживают жизнь около миллиарда человек и служат естественной защитой от штормов и наводнений. При этом потепление климата угрожает самому существованию коралловых рифов. Риф — это своего рода сверхорганизм, состоящий из животного — полипа — и живущей с ним в симбиозе водоросли. Кораллы снабжают водоросли неорганическими веществами, а водоросли дают кораллам продукты фотосинтеза. Повышение температуры воды приводит к тепловому стрессу, убивающему водоросли и обесцвечивающему кораллы. Даже если потепление удастся удержать в рамках 1,5°C, к 2050 году может исчезнуть 90% коралловых рифов и связанных с ними экосистем. 

Спасти кораллы способна генная инженерия и направленная эволюция. Ученые из Австралийского института морских наук выявили у кораллов ген HSF1, отвечающий за способность адаптироваться к повышению температуры. Затем они ввели компоненты CRISPR/Cas9 в оплодотворенные яйцеклетки кораллов Acropora millepora, «отключив» этот ген. Личинки с отключенными копиями HSF1 погибали при тепловом стрессе, когда температура воды повышалась с 27 до 34 градусов Цельсия. Напротив, личинки с работающим геном выживали в более теплой воде. 

CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, или короткие палиндромные кластерные повторы) — особые участки бактериальной ДНК, иммунная защита, которую археи и бактерии «используют» против вирусов. Между идентичными повторами последовательностей ДНК бактерий находятся отличающиеся друг от друга фрагменты — спейсеры, многие из которых соответствуют участкам геномов вирусов, паразитирующих на бактерии. Когда вирус проникает в бактериальную клетку он обнаруживается с помощью Cas-белков, связанных с CRISPR РНК. Если фрагмент вируса «записан» в спейсере CRISPR РНК, Cas-белки разрезают вирусную ДНК и уничтожают ее, защищая клетку от вируса. В редактировании геномов чаще всего используется система CRISPR/Cas9, то есть система с белком Cas9, но есть и другие Cas-белки. Так, сотни миллионов лет назад «изобретенная» бактериями система позволяет человеку точно и быстро редактировать геномы.

Ученые из этой команды говорят, что пока рано использовать метод редактирования генома для выведения более термостойких кораллов. Однако он может применяться для расширения знаний о биологии кораллов и их реакции на тепловой стресс. Это позволит точнее спрогнозировать будущее рифов в условиях глобального потепления, а также определить риски и преимущества использования биотехнологий для защиты кораллов.

Исследователи из Университета Мельбурна пошли другим путем — на основе собранных в 2010 году образцов симбиотических водорослей вывели культуру, а затем в серии экспериментов модифицировали ее, постепенно повышая температуру воды. Таким образом в лаборатории получилось вывести термостойкие штаммы водорослей, которые затем поместили в личинки кораллов. Три из десяти теплостойких штаммов смогли защитить коралл от обесцвечивания при недельном воздействии 31-градусной температуры. Предполагается, что в дальнейшем такие полипы будут привиты к существующим кораллам в живой природе — если ученым разрешат это сделать.

Апгрейд черноногого хорька

В Северной Америке живет черноногий хорек — родственник нашего степного и лесного хорьков. Этот вид находится на грани вымирания из-за сокращения кормовой базы. Более того, внутри популяции очень низкое генетическое разнообразие. Из 18 особей, спасенных почти 30 лет назад из прерий США, только семь передали свои гены последующим поколениям. «Каждый (ныне живущий) черноногий хорек происходит от семи особей», — говорит Кимберли Фрейзер, представитель Национального центра охраны черноногих хорьков. 

Для решения этой проблемы было предложено ввести в популяцию ДНК, извлеченную из образцов, хранящихся в зоопарках и музеях. В прошлом году генетики секвенировали геномы двух живых хорьков, а также ДНК самца и самки, которые умерли в 1980-х годах и хранятся в криохранилище зоопарка Сан-Диего. Самку Уиллу ученые клонировали, используя замороженные клетки. Ее яйцеклетка была имплантирована в самку домашнего хорька, детеныш которой — самка по кличке Элизабет Энн — стала клоном не оставившей потомков Уиллы.

Черноногому хорьку также угрожает лесная чума, которой он заражается от своей добычи — луговых собачек. Поэтому выращенные в неволе хорьки вакцинируются перед выпуском в дикую природу. Ученые предложили ввести в геном резистентные аллели (варианты генов) домашнего хорька, для которого лесная чума не смертельна, чтобы сделать черноногого хорька более устойчивым к заболеванию. Другое решение — применить генную инженерию для активации врожденных аллелей. Второй подход — добавить устойчивые к чуме аллели домашнего хорька в геном черноногого хорька. 

Защита каштанов от инвазивного грибка

Американский каштан зубчатый некогда был широко распространен на востоке США и Канады. Благодаря быстрому росту и устойчивой к гниению древесине американский каштан может помочь в запуске проектов связывания углерода, которые используют для сокращения выбросов. Проблема в том, что сто с лишним лет назад в США были интродуцированы японский каштан городчатый и китайский каштан мягчайший, а вместе с ними завезен паразитический грибок Cryphonectria parasitica. Азиатские каштаны к этому грибку устойчивы, а вот для американского каштана он оказался губителен, вызывая у него болезнь эндотиоз. К середине 20 века исчезло 90 процентов американских каштанов. 

В 1990 году генетики Уильям Пауэлл и Чарльз Мейнард из Университета штата Нью-Йорк создали каштаны, устойчивые к болезни, с помощью старой доброй генной инженерии, а точнее трансгенеза. Они вставили в геном каштана ген пшеницы, кодирующий фермент оксалатоксидазу, который расщепляет щавелевую кислоту, выделяемую грибком. 

В трансгенезе применяются вирусные векторы или векторы на основе плазмид бактерий, посредством которых в геном клетки вставляются нужные гены. Таким образом организм приобретает свойства, передающиеся его потомкам. 

Продолжением экспериментов занимается команда ученых, возглавляемая Эндрю Ньюхаусом. Ими были выведены деревья, устойчивые к патогенному грибку и это качество наследуется. По словам Пауэлла, некоторые деревья оказались даже более устойчивы к грибку, чем их азиатские родственники. Длительные наблюдения показали, что плоды трансгенных каштанов не отличаются от обычных, а их пыльца, цветы и опавшие листья не наносят вреда насекомым, лягушкам и грибам. Тем не менее, модифицированные каштаны изолированы от окружающего мира двойной оградой и слоем специального пластика, чтобы не допустить разнесения пыльцы. 

Борьба с инвазивными видами 

Инвазивные виды разрушительны для сформировавшихся за миллионы лет экосистем. Избавление от них — сложная и малоприятная задача, ведь требуется уничтожить сотни тысяч, а то и миллионы особей. Например, таких, как инвазивные виды грызунов или бабочка-огневка на черноморском побережье России, уничтожившая местные самшиты. 

Но благодаря генной инженерии появился сравнительно более гуманный способ — технология генного драйва, которая не убивает каждую отдельную особь, а уничтожает популяции инвазивных видов, делая их бесплодными. Генный драйв распространяет в популяции набор определенных генов, предотвращающих ее распространение. В отличие от обычного наследования признаков, наследование под влиянием генного драйва стопроцентное по отношению к заданному признаку. 

Потенциально его можно использовать на любых организмах с половым размножением и непродолжительным временем жизни — от комаров до млекопитающих. На млекопитающих — лабораторных мышах — технология была испытана в 2019 году. 

С помощью генного драйва можно уничтожить не только инвазивные виды, но и лишить способности переносить вирус таких переносчиков болезней как малярийный комар. Сейчас такие опыты проводятся в Италии. В контролируемом лабораторном помещении выпускаются особи комаров с отредактированным геномом, которые скрещиваются с обычными особями. Их потомство несет этот ген, снова скрещиваясь с другими особями — так ген, а значит, и кодируемый им признак, распространяется в популяции. 

Риски 

Экологи и некоторые исследователи опасаются, что такие усилия по исправлению ошибок прошлого могут больше навредить, чем помочь. Если генный драйв выйдет из под контроля, гены распространятся за пределы популяции-мишени, вызвав так называемое генетическое загрязнение. Воображение рисует апокалиптические картины крушения экосистем. На технологию даже предлагалось наложить мораторий. 

Несколько известных биологов, среди которых Джейн Гудолл, знаменитая исследовательница шимпанзе, в 2016 году подписали открытое письмо в котором предостерегают, что использование генного драйва дает «возможность вмешиваться в эволюцию, определять судьбу целого вида, резко изменять экосистемы и вызывать крупномасштабные изменения окружающей среды способами, которые раньше считались невозможными». 

Сторонники применения технологии утверждают, что такой вариант развития событий маловероятен. Как показывают некоторые исследования, генный драйв может встретиться в природе с резистентностью. В большой популяции могут быть особи, обладающие устойчивым к драйву генотипом. Размножаясь, они будут распространять устойчивость к генному драйву.

Кроме того, уже существует своего рода встроенный контроль этой технологии. Молекулярные биологи из Калифорнийского технологического института в Пасадене разработали метод, при котором «генный драйв» начинается только тогда, когда число модифицированных особей в популяции достигает определенного порога. Поэтому особи из других популяций не смогут запустить этот процесс. В популяции, в которой применен генный драйв, его можно будет остановить, добавив в нее не модифицированные особи.

В начале этой статьи была упомянута идея терраформинга Марса. Для терраформинга Красной планеты понадобилось бы создать целую новую биосферу с системой постоянного мониторинга и контроля. Виды в этой биосфере отличались бы от земных, даже если бы создавались на их основе — поскольку они должны быть адаптированы к марсианским условиям. При этом сами эти новые организмы в свою очередь помогали бы преобразовать Марс. Земля, какой мы ее знаем, это и есть ее биосфера. Истощение биосферы превращает Землю в некотором смысле в другую планету — в менее разнообразную и пригодную для жизни. Но пока до колонизации Марса далеко, а вот залатать бреши, пробитые в биосфере Земли человеческой деятельностью нужно уже сейчас. Возможно, со временем на основе биотехнологий будет создана целая система глобального ремонта видов, а значит, и экосистем.