Как исправить природу и накормить людей

Несколько лет назад, еще до того, как руководство нашей страны всерьез увлеклось борьбой с утечкой биологических материалов, оно вроде как боролось с засильем генетически модифицированных организмов. Потом у руководства в голове что-то щелкнуло, и приоритеты сменились: на разработку ГМО теперь будут выделять огромные деньги, а главным врагом нации станет массовая геномика и, как следствие, медицинская генетика. Широкому читателю в этой истории интересно только одно: что именно там щелкает? Для мирового прогресса эти щелчки и вовсе не могут иметь никаких последствий. Мы, однако, с удовольствием воспользуемся тем обстоятельством, что устрашающий образ ГМО как-то померк в российском массовом сознании в сравнении с генетическим оружием, и расскажем об очередной попытке ученых кое-кого генетически модифицировать, а потом еще и накормить этакой пакостью всех людей на планете.

Ошибка природы

В этот раз ученые вздумали исправлятьни много ни мало процесс фотосинтеза. Сейчас мы расскажем, что с ним было не так.

Фотосинтез — замечательная штука, благодаря которой у большинства обитателей земли вообще есть хоть какая-то еда. Фотосинтезом занимаются растения, а в итоге получается вкусная и питательная органика, которую мы едим или непосредственно, в виде салата или картошки, или опосредованно — переработанную в говяжий стейк. Происходит это так: растение (точнее, хлоропласт) разбивает молекулу воды с помощью солнечного фотона, кислород выбрасывает, протоны временно откладывает на край тарелки, а электроны навешивает на молекулу углекислого газа, которая в результате легко и быстро превращается в сахар.

«Легко и быстро» — это нам так кажется, но природа использует для этого довольно прихотливый фокус, который называется цикл Кальвина*. Ключевой момент фокуса — присоединение углекислого газа к здоровенной молекуле по имени рибулоза-1,5-бифосфат, которая в результате разваливается на две молекулы поменьше (фосфоглицерат), и из них клетке уже совсем не сложно смастерить глюкозу. За момент присоединения углекислого газа отвечает специальный фермент рибулозо-бифосфат-карбоксилаза, известный также под сокращенным именем Рубиско.

Почему именно этот фермент заслужил особое звонкое имя, почти как у футбольного клуба? На то есть причины: во-первых, ферментом по имени Рубиско битком набиты все зеленые части растений, и в совокупности он составляет самый распространенный белок-фермент в земной биосфере. А во-вторых, напомним еще раз, он занят самым важным на земле делом: производит всем нам еду.

Но живая природа — поскольку, как известно, она не создана Богом, а сложилась сама собой в ходе случайных эволюционных процессов — сильно напортачила с этим самым Рубиско. Фермент получился неаккуратный, и сплошь и рядом — примерно один раз из пяти — вместо углекислого газа он по ошибке хватает молекулу кислорода**. В результате получается фосфат гликолевой кислоты, из которого никакой глюкозы не сделать: наоборот, от него приходится избавляться, а в результате ценный углерод теряется. Что еще хуже, эту гликолевую кислоту приходится вытаскивать из хлоропластов и некоторое время возить туда-сюда по разным частям клетки, чтобы обезвредить. Весь этот процесс называется «фотодыханием», и звучит это слово как песня — свет, воздух! — но скрывается за ним совершенно никчемная трата ресурсов.

Хорошо ли, плохо ли тратит ресурсы природа, не нам судить. Но человечество себе позволить такое не может. Между тем, по иронии судьбы, главные культурные растения человечества — рис, соя и пшеница — использует С3-тип фотосинтеза, при котором потери на фотодыхание огромны и совершенно неприемлемы. Если бы удалось избавиться от этих потерь, то только в масштабах США сельское хозяйство смогло бы прокормить дополнительно 200 млн человек.

Исправление ошибки

Биологи довольно давно задумались о том, как бы помочь Рубиско делать поменьше ошибок. Хотелось бы как-то подправить аминокислотную последовательность (то есть в конечном счете ген) этого белка, чтобы он пореже зарился на кислород. Однако ученых слегка беспокоило то обстоятельство, что эволюции за 3,5 млрд лет — именно столько времени существует на планете фермент Рубиско — это не удалось. Возможно, на то есть фундаментальные химические причины, а потому имеет смысл поискать какое-то более изобретательное решение проблемы.

Этим и занялисьбиохимики и генетики из университета Иллинойса. Занялись не с бухты-барахты, а в рамках международного исследовательского проекта RIPE (Realising Increased Photosynthetic Efficiency, «реализация повышенной эффективности фотосинтеза»), призванного способствовать тому, чтобы хоть как-то накормить растущее население планеты. Та часть проблемы, которую решали авторы работы, выглядит так: ну хорошо, пусть растения занимаются фотодыханием, раз уж без этого они никак не могут обойтись. Но давайте сделаем так, чтобы они тратили на это поменьше ресурсов. Зачем, например, таскать все эти злополучные молекулы из хлоропластов в митохондрии, а оттуда в пероксисомы? Почему не избавиться от отходов деятельности Рубиско здесь же, на месте?

Сказано — сделано. Соорудили генетические конструкции, собранные из разных растительных и бактериальных генов, засунули их в растения табака, причем особо озаботились тем, чтобы нужные белки попадали в хлоропласты. Вариантов дизайна было три, из них один — использующий гены растения и водоросли — оказался особенно эффективен. А чтобы еще чуть-чуть улучшить эффективность, биологи придумали заглушить тот фермент, который выводит из хлоропластов зловредный гликолат: по их замыслу, все должно происходить в одном месте, чтобы остальные части клетки могли спокойно заниматься своим делом.

Затем в течение двух лет генетически модифицированные растения выращивали на полях бок о бок с их «органическими» коллегами, тщательно фиксируя результаты. Успех был налицо: биомасса увеличилась в среднем на 40%.

По словам профессора Стивена Лонга, руководителя проекта RIPE, придуманные авторами работы обходные пути оказали на биохимию растений такой же эффект, как открытие Панамского канала на мировую торговлю. Тогда путь кораблей из Атлантического в Тихий океан сократился на десять тысяч километров —  а теперь удалось сэкономить тысячи километров бессмысленных перемещений токсичных веществ внутри растительных клеток. Напомним, что в конечном счете речь идет о том, чтобы накормить дополнительно 200 млн человек. То есть даже если население России, забывшись в мечтах о геополитическом реванше, однажды забудет по весне посадить свою мерзлую и сморщенную картошку, цивилизованный мир уже имеет на этот случай рецепт нашего спасения.

Резюме

К чему мы вздумали рассказать эту историю, да еще и с такими ерническими и оскорбительными для страны прибаутками? Нам просто хотелось привести один небольшой пример, дающий представление о том, что же это за ГМО такие, над которыми работают биологи, и какая польза может быть от них человечеству. Другими словами, хотелось хоть немножко рассеять невежество, мешающее воспринимать эти самые ГМО в верной перспективе. Дело в том, что невежество невозможно упразднить никаким другим способом. За невежество никого не будут судить в Гааге. За захват в плен иностранных моряков, за сбитый пассажирский самолет, за применение химического оружия на территории других стран — судить можно и должно, а вот за невежество, даже самое дремучее, к сожалению, нельзя. Можно только спокойно и по порядку рассказывать о том, как оно все обстоит на самом деле, и надеяться на рассеивание внутреннего мрака, пусть даже и в очень отдаленной перспективе.

Кроме того, власти России вроде бы решили дать задний ходи не путаться под ногами у ученых, занятых повышением эффективности сельскохозяйственных культур. Конечно, это может быть всего лишь побочным результатом интеллектуальной деградации: за проблематикой ГМО им становится следить все сложнее, то ли дело генетическое оружие. Еще пара таких, как мы выше выразились, щелчков в голове — и проблемы утечки биоматериалов могут тоже выпасть из сферы интересов лидеров государства, так что они целиком сосредоточатся на борьбе с дурным глазом и инопланетянами. Тогда научная общественность страны вздохнет с облегчением и попробует хоть немного нагнать убежавшее вперед человечество.

Тем временем догонять его становится все сложнее. Меньше 80 лет назад Мелвину Кальвину удалось понять, как растение фиксирует углекислый газ, а вся прочая биохимия, окружающая фотосинтез, распутана буквально вчера, да и то не полностью. Но вот уже кто-то возится с культурой растительных клеток, другой парень за соседним столом смешивает капельки прозрачных жидкостей, якобы «рекомбинантные ДНК» — твердо веря, что знания, на которых основываются эти действия, приведут их к цели. А в итоге — грядка с жирными, сочными растениями, и в перспективе дополнительная еда для двухсот миллионов. Вот о чем надо писать научным журналистам, а не оскорблять государственные власти. К счастью, именно об этом мы и пишем.

Примечания

* В 1961 году Мелвин Эллис Кальвин получил за открытие этого фокуса Нобелевскую премию по химии.

** На самом-то деле Рубиско еще неплохо справляется: просто когда природа его придумывала, земная атмосфера состояла в основном из углекислого газа, а кислорода в ней почти не было. С тех пор парциальное давление кислорода возросло раз в сто, углекислого газа — во столько же раз уменьшилось, и тем не менее даже в таких сложных условиях фермент ошибается не так уж часто. Честь и слава ему за это.

Автор заметки — научный редактор Forbes