Дело в генах

Генная инженерия - одно из наиболее интенсивно развивающихся направлений, касающихся биотехнологий. За 45 лет после первых удачных опытов "in vitro" (буквально «в стекле») учёные-генетики освоили, казалось бы, невозможное - научились прицельно изменять на генетическом уровне свойства живых организмов, причём не только простейших одноклеточных бактерий, но и грибов, а также высших растений.

Расширяя границы

Человечеству с давних времён присуще стремление изменять окружающую природу для собственной пользы. Предки привычных для нас сегодня культурных растений и домашних животных были совсем другими: не такими большими, плодовитыми, аппетитными, урожайными или красивыми. К примеру, морковь изначально была вовсе не оранжевой, а фиолетовой и, к тому же, практически безвкусной, да и выращивали её не ради сочных корней, а для получения семян, которые использовали как приправу.

Чтобы добиться нужного результата (вкуса, пользы), люди сначала просто отбирали лучшие экземпляры растений и животных, а позже начали развивать научную селекцию и гибридизацию. Однако, несмотря на очевидную эффективность, эти методы имеют и недостатки: они требуют длительного времени, зачастую непредсказуемы и ограничиваются только одним видом животных или одним родом растений и микроорганизмов. Развитие же генетики, микробиологии и молекулярной биологии в ХХ веке позволило вырваться за эти рамки: технологии генной инженерии дали учёным возможность комбинировать гены живых организмов, относящихся не просто к разным видам, но даже царствам, придавая им свойства, невозможные в природе.

Формально считается, что генетическая инженерия родилась в 1972 г., когда в Стенфордском университете (США) Пол Берг, Стенли Коэн и Герберт Бойер создали первую рекомбинантную (гибридную) ДНК, содержавшую фрагменты ДНК вируса SV40, бактериофага и кишечной палочки E. Coli. А уже в следующем году была получена и первая функционально активная молекула рекомбинантной ДНК, способная успешно функционировать в клетках E. Сoli, копироваться и передаваться другим клеткам (естественным путём или с помощью человека).

Новая наука развивалась стремительно: уже через восемь лет, в 1980 г., был получен первый патент на промышленное использование модифицированного микроорганизма, разлагавшего нефть. А спустя ещё два года - разрешение на клиническое использование первого лекарственного препарата, полученного из ГМ-бактерии, - человеческого инсулина.

Следующим шагом стало создание в 1982 г. первого генетически модифицированного растения sunbeen (ГМ-подсолнечника), а в 1983 г. - трансгенного табака, практически неуязвимого для вредителей. После этого не прошло и четырёх лет, как трансгенные растения, устойчивые к насекомым, болезням и гербицидам, поступили в массовую продажу. Сегодня самые известные из них - соя, кукуруза, хлопок, рапс, рис и картофель. Есть и необычные разработки, например, томаты-гиганты кубической формы и растения, светящиеся в темноте.

Для нас же важно, что генные технологии открыли исследователям новые пути получения биоэнергии.

Трансгенные дрова

Древесина - традиционный вид топлива. Несмотря на то, что она давно уступила лидирующие позиции сначала углю, а затем и нефти, около 30% населения Земли всё еще активно используют древесину для получения энергии. Только в последнее время древесину и её отходы помимо привычного сжигания стали применять для производства биоэтанола.

Из-за массовой вырубки лесов ежегодно их площади по всему миру уменьшаются на 20 млн га. Это глобальная экологическая проблема. Один из путей её решения - выведение генетически модифицированных растений, способных расти намного быстрее природных аналогов, и создание энергетических плантаций на их основе.

В 2013 г. российские учёные из Сибирского института физиологии и биохимии растений СО РАН (Иркутск) создали генетически модифицированный тополь, который растёт в три-четыре раза быстрее, чем его натуральные собратья. Посадка таких деревьев потенциально позволит быстро восполнять запасы древесины и не вырубать естественные леса, а кроме того, добиться относительной однородности лесоматериалов. К слову, тополь стал объектом для опытов иркутских учёных не случайно: именно это дерево было первым генетически модифицировано в 1987 г.

А вот канадские биоинженеры из Университета Британской Колумбии в 2014 г. вывели генетически модифицированную форму тополя не столь быстрорастущего, зато способного стать отличным сырьём для производства бумаги и жидкого биотоплива. Древесина такого тополя содержит видоизменённый лигнин (сложный полимер, делающий оболочку растительной клетки твёрдой и неприступной для бактерий), легче разрушаемый при переработке. Учёным удалось внедрить в клетки растения особый ген, который обеспечивает разложение полимера на более простые молекулы, благодаря чему в ходе переработки ГМ-древесины высвобождается почти в два раза больше сахаров, чем из обычных деревьев, а процесс изготовления жидкого биотоплива становится более эффективным. С той же целью в Институте леса НАН Белоруссии выращивают похожие трансгенные берёзы, правда, пока только в качестве лабораторных образцов.

Следующим этапом генетической модификации деревьев станет разработка мультитрансгенов - растений, обладающих сразу несколькими улучшенными свойствами: быстрорастущих, устойчивых к пестицидам (которые применяются против вредителей) и обладающих оптимальным массовым соотношением целлюлозы и лигнинов. Сделать такие гибриды непросто из-за ограничений по переносу фрагментов ДНК (большие фрагменты повреждаются при переносе).

Съесть нельзя переработать

Трансгенные технологии активно применяются в целях производства транспортного биотоплива, а это в первую очередь биоэтанол, занимающий лидирующие позиции как альтернативное моторное топливо. Согласно прогнозу Международного энергетического агентства, к 2018 г. производство биоэтанола в мире достигнет 1,81 млн барр. в сутки.

Возможности генной инженерии в данной сфере довольно широки - в отношении как растительного сырья, так и микроорганизмов, участвующих в брожении. К примеру, в США для того, чтобы увеличить выход горючего из кукурузы, в неё внедрили ген amy797E от микроорганизмов Thermococcales spp, растущих при температурах от 75 до 100 °С. Этот ген кодирует фермент альфа-амилаза, необходимый для расщепления крахмала до углекислого газа и этанола. В промышленном процессе используются повышенные температуры, при которых «обычная» альфа-амилаза не работает (для неё оптимален диапазон - 36-39 °С), а вот термостабильный фермент ГМ-кукурузы, напротив, предназначен именно для таких условий.

Генетическим модификациям подвергаются и бактерии, используемые на этапе брожения растительного сырья. Так, группа учёных из Университета Эксетера (Великобритания), взяв необходимый генетический материал из камфорного дерева, почвенных микроорганизмов и сине-зелёных водорослей, внедрила его в ДНК бактерий кишечной палочки. В результате ГМ-бактерии E. Coli, питающиеся глюкозой, вырабатывают ферменты, которые заставляют сахар превращаться в жирные кислоты и затем - в углеводороды, с химической и структурной точек зрения идентичные углеводородам в нефтепродуктах.

А вот немецким учёным из Института молекулярной биологии Франкфуртского университета удалось существенно повысить эффективность технологии производства этанола из растительного сырья за счёт использования ГМ-дрожжей. Для этой цели впервые был применён метод так называемой синтетической биологии: учёные скроили из фрагментов ДНК искусственные гены с заданными свойствами и внедрили их в клетки дрожжей. В результате скорость переработки биомассы в этанол увеличилась в 2,5 раза, а выход полезного продукта вырос на четверть!

Несмотря на экологические преимущества биоэтанола по отношению к нефтепродуктам, нельзя не отметить, что предприятия по производству биотоплива первого поколения (сырьём для которого служат такие культуры, как кукуруза, соя, сахарный тростник, рапс, пшеница и др.) «поедают» продовольствие и корма. Однако отметим, что модифицированные продукты идут в первую очередь на цели биоэнергетики, что снижает остроту дискуссии о вреде ГМО и накал «конкуренции между ртами и бензобаками». Тем временем производители биотоплива начинают задумываться о переходе ко второму его поколению, вырабатываемому из непищевых остатков культивируемых растений, травы и древесины, и третьему - из водорослей. Здесь также найдётся работа генным инженерам.