Людей становится все больше, а пахотных земель, особенно в развивающихся странах, все меньше. Накормить 10 млрд человек при помощи традиционной селекции — задача для научной фантастики, а не для аграриев. Здесь на выручку приходят биотехнологии.
Сегодня мы можем не просто улучшать растения и животных, а буквально перепрограммировать их. Генная инженерия подарила миру синтетический инсулин, а в будущем ГМ-коровы, возможно, будут сами производить это вещество, покрывая мировую потребность в лекарстве у диабетиков. Уже сейчас с помощью биотехнологий ученые разрабатывают суперурожайные культуры, которые не боятся засухи, и выращивают мясо в лабораториях без забоя животных.
Рассказываем про биотехнологические тренды, которые определяют, что мы будем есть в будущем. Спойлер: очень «умную», но не всегда питательную и вкусную еду.
Содержание:
«Время вина» — событие РБК о бизнесе, эстетике, вкусе. Весь февраль РБК исследует тему вина в России на всех своих площадках и во всех форматах.
Для чего биотехнологии используют в агрокультурах
Сельское хозяйство сталкивается со множеством вызовов — от борьбы с вредителями до повышения урожайности в условиях изменения климата. Биотехнологии помогают решать эти проблемы и выполняют несколько функций в сельском хозяйстве. Среди них выделяют:
- Разработку новых сортов растений и пород животных с улучшенными свойствами.
- Создание сортов и пород, нечувствительных к болезням и вредителям.
- Производство биоудобрений для повышения плодородия почвы.
- Получение силосованных кормов. Силосование — метод консервирования зеленых растений, в основе которого лежит молочнокислое брожение. Такие корма обеспечивают животных питанием круглый год. Это особенно важно в зимний период.
- Контроль здоровья. Сюда входят разработка вакцин, диагностика, профилактика и лечение заболеваний у скота и сельхозкультур.
- Утилизацию отходов сельскохозяйственного производства, таких как переработка птичьего помета или отходов животноводства и растениеводства.
Перспективы рынка биотехнологий в агропромышленном комплексе
Глобальный рынок агробиотехнологий показывает хороший рост. Он оценивался в $121 млрд в 2023 году, а прогнозируемый среднегодовой рост до 2033 года составляет 8,27%. Если эта динамика подтвердится, то сегмент вырастет более чем в два раза и достигнет $268,32 млрд к 2033 году.
Азиатско-Тихоокеанский регион, как ожидается, будет развиваться лучше остальных. Такой рост эксперты объясняют быстро разрастающимся населением стран региона, в том числе Китая и Индии, что стимулирует государственные инициативы по внедрению современных агротехнологий.
В сельском хозяйстве России сегмент биотехнологий сейчас не так велик и в денежном эквиваленте равен приблизительно $60 млн. Это примерно 10–12% от общего рынка технологических решений. Но эксперты считают биотехнологии в агропромышленности вполне перспективным направлением.
Виды селекции
Классическая селекция — это процесс отбора организмов и культур по нужным признакам. Она отличается от естественного отбора тем, что люди сами выбирают, какие особи будут размножаться. Это закрепляет полезные свойства за потомством.
Селекция — это как дейтинг-приложение для растений и животных. Только вместо быстрых свайпов ученые годами «сводили» лучших кандидатов, чтобы получить сильное потомство. То есть селекционеры отбирают растения или животных с желаемыми качествами (например, крупные плоды, выносливость, устойчивость к болезням) и скрещивают их, чтобы получить потомство с такими же характеристиками. Цикл повторяется несколько раз и признак закрепляется. Например, клубника появилась после удачного скрещивания земляники из Северной и Южной Америки.
Мутационная селекция
Мутационная селекция стала следующим шагом после традиционной селекции. Ученые перешли от традиционной селекции к мутагенной, чтобы ускорить процесс создания сортов и пород с улучшенными признаками: мутагенные методы позволяют быстрее получать желаемые изменения.
Мутации вызывают с помощью физических (например, рентгеновского или гамма-излучения) или химических веществ, которые воздействуют на семена, побеги или клетки растений. Например, чтобы создать семена, устойчивые к болезням, их обрабатывают химикатами — пестицидами. Семена вырастают в растения, затем ученые их скрещивают между собой, отбирая лучшие образцы с улучшенными качествами. Этот метод активно используется по всему миру, включая Россию. У нас, например, таким образом появился сорт гороха «Триумф». А ученые из Бангладеш с помощью мутационной селекции вывели новый сорт хлопка с улучшенным качеством волокна.
Но этот тип селекции может приводить к неконтролируемым генетическим изменениям. В 2017 году ученые выяснили, что при селекции томатов потерялись варианты генов, отвечающие за более яркий вкус и запах плодов. Это произошло из-за того, что селекционеры сосредоточились на других характеристиках растения, например устойчивости к морозам. Ученые предложили несколько точечных вмешательств в ДНК помидоров, чтобы сделать их более насыщенными по вкусу и ароматными. Добиться этого исследователи рассчитывали с помощью молекулярной селекции.
Молекулярная селекция
Молекулярная селекция позволяет анализировать ДНК, чтобы выбрать растения или животных с нужными качествами. Вместо того чтобы ждать, пока признаки проявятся внешне, ученые выясняют, какие именно гены отвечают за те или иные свойства. Затем происходит отбор и скрещивание особей с нужными вариантами генов. Это позволяет быстрее и точнее улучшать сорта и породы.
Клеточная и генетическая инженерия
Клеточная инженерия — это технология, с помощью которой исследователи создают или изменяют клетки растений, животных или микроорганизмов. Она позволяет производить искусственное мясо, проводить ферментацию с участием микроорганизмов (например, для растительных заменителей молока), повышать питательную ценность продуктов.
Генная инженерия производит генно-модифицированные организмы (ГМО). Главное отличие ГМО от традиционных методов селекции в том, как происходят изменения. При селекции ученые отбирают растения и животных с нужными признаками, скрещивают их, комбинируя уже существующие гены. В генетической инженерии ученые прицельно редактируют фрагменты генов животных и растений: моделируют ДНК, выключают или вставляют новые варианты. Процесс уже не включает скрещивание между видами.
Генное редактирование стоит особняком от биотехнологий, применяемых в сельском хозяйстве России. Это происходит потому, что в стране с 2016 года действует закон, запрещающий выращивание и разведение ГМО. Однако, перечисляя значимые технологии, следует упомянуть и лабораторное моделирование генома.
ГМО — это растения, животные, грибы или микроорганизмы, наследственный материал которых улучшили с помощью генной инженерии. Прибегая к инструментам редактирования, ученые, как правило, переносят участок ДНК из одного организма в другой.
Первый генетически модифицированный организм создали в 1973 году биохимики Герберт Бойер и Стэнли Коэн: ученые внедрили ДНК одной бактерии в другую. Этот прорыв вскоре позволил создать бактерии для производства человеческого инсулина. Тогда диабет 1-го типа (инсулинозависимый) перестал быть смертельной болезнью.
Биотехнологии позволяют точно определить и перенести ген, отвечающий за желаемую характеристику, сэкономив десятилетия на выведении новых сортов.
Клеточная и генетическая инженерия тесно связаны. Первая инженерия работает с клетками на уровне их структуры и функций, вторая — с генами, изменяя наследственные признаки. Эти процессы переплетаются: генетические изменения влияют на функции клетки, а клеточные технологии позволяют эффективно внедрять эти изменения на наследственном уровне.
Мировая практика
Сейчас более 30 стран разрешают выращивать генетически модифицированные организмы. Большинство международных научных организаций, включая Всемирную организацию здравоохранения, утверждают, что ГМО, которые прошли необходимые проверки, безопасны для здоровья человека и окружающей среды.
Константин Меркель, биолог, ассистент кафедры биохимии и молекулярной биологии Института фармации и медицинской химии Пироговского университета:
«Генная инженерия работает с целенаправленными и продуманными изменениями генома (совокупности генов. — РБК «Тренды») организма. Великое множество столь привычных для нас продуктов, например, злаковых культур, — это ГМО. Ведь для их выращивания уже несколько десятилетий агрономы используют такое вещество, как колхицин. Оно не дает хромосоме (содержит ДНК. — РБК «Тренды») разделиться во время клеточного деления. Это приводит к тому, что в новых клетках растений появляется не один, а два набора хромосом, два набора генетической информации. Такое растение становится полиплоидным. Это позволяет многократно увеличивать количество получаемой продукции по сравнению с «дикими» аналогами. Как биолог, я бы не сказал, что генномодифицированные продукты вредны или опасны для человека. Я вижу только положительные перспективы использования такой продукции как в отечественной, так и в общемировой практике. Например, весьма сомнительно, что без полиплоидных растений человечество смогло бы справиться с голодом как с массовым явлением в большинстве стран».
В то же время существуют регионы с жесткими ограничениями. Европейский союз не запрещает ГМО полностью, но выдвигает строгие правила для одобрения генномодифицированной продукции. Прежде чем ГМО могут быть использованы, они проходят обязательную научную оценку безопасности, включая воздействие на здоровье и окружающую среду. Страны-участницы союза могут ограничить или запретить выращивание ГМО на своей территории, даже если они были одобрены на уровне ЕС.
В противовес европейским запретительным тенденциям в 2024 году Китай одобрил два новых сорта ГМ-кукурузы и сои для внутреннего производства. В России, как говорилось выше, выращивание ГМО запрещено.
ГМО в цифрах: состояние рынка и география использования
Глобальный рынок генетически модифицированных организмов в сельском хозяйстве продолжает расти. В прошлом году он оценивался в $24,80 млрд. По прогнозам, он достигнет $35,56 млрд к 2031 году. А совокупный годовой темп роста составит 5,3% в течение этого периода.
Сейчас лидирующие позиции по производству ГМ-культур занимают США, Бразилия и Китай. В США более 90% сои и кукурузы — это ГМ-культуры. Бразилия лидирует по производству ГМ-сои, а Китай активно внедряет технологии для выращивания ГМ-риса и кукурузы.
Как создают генно-модифицированные организмы
В основе процесса лежит один из инструментов генетического моделирования. Наиболее известный и популярный из них — CRISPR/Cas-9.
Его разработчики — микробиолог и генетик Эммануэль Шарпантье и биохимик Дженнифер Дудна — получили в 2020 году Нобелевскую премию по химии за разработку этого метода редактирования генома. CRISPR/Cas-9 — это «генетические ножницы»: технология, которая находит и разрезает необходимый для манипуляции участок ДНК.
CRISPR/Cas-9 активно применяется в медицине, делая лечение многих болезней более эффективным. Например, его используют для лечения наследственных заболеваний, таких как муковисцидоз и мышечная дистрофия Дюшенна. Также технология помогает при терапии вирусных инфекций, включая ВИЧ. Технология открывает новые горизонты не только для медицины, но и для агропромышленности. CRISPR/Cas9 делает культуры устойчивее к морозу и засухе, продукты питательнее, а животных — продуктивнее и здоровее.
Примеры генно модифицированной еды
Биотехнологии в пищевой индустрии все больше опираются на генную инженерию. Например, исследователи из лаборатории Беркли создали котлету, полностью состоящую из плесневого грибка кодзи. Сделали они это с помощью все той же технологии CRISPR/Cas-9. Это позволило улучшить вкусовые качества продукта и добавить полезный для сердца антиоксидант эрготионеин.
Среди ГМ-животных есть и безопасный лосось AquaAdvantage, созданный более 20 лет назад в США. Это сорт атлантического лосося, который вырастает со стадии икринки до нужного для продажи размера (4–5 кг) за 16–20 месяцев. Для сравнения, традиционно эта рыба приобретает нужные товарные характеристики за 28–32 месяца. До рынка этот сорт «доплыл» лишь в 2020 году, когда его одобрил американский регулятор FDA, ответственный за контроль безопасности пищевых продуктов.
А биологи из Университета Иллинойса и Университета Сан-Паулу предложили использовать ГМ-коров для производства инсулина. Для этого в эмбрионы коров вводят человеческий ген, отвечающий за выработку предшественника инсулина — проинсулина. Затем эмбрионы помещают в матки обычных коров. Генетическая модификация настраивается так, чтобы гормон вырабатывался только в вымени. В будущем стадо из 100 таких коров сможет покрыть потребности всех американских диабетиков, заявляют ученые.
Биотехнологии и вино
В ближайшие 5–10 лет прогнозируется ежегодный рост продаж вина. Вино производят более 70 стран. Лидеры — Франция, Италия и Испания. На их долю приходится около 60% мирового производства вина.
Виноделие сегодня использует два подхода к производству продукции: методы селекции и биоинженерный. В рамках второго в 2006 году ученые создали первые ГМ-винные дрожжи ML01. Они предотвращают распространение вредных веществ (биогенных аминов), которые образуются в вине молочнокислые бактерии. А ученые из ФИЦ Биотехнологии РАН разработали технологию генной модификации дрожжей для виноделия, удалив ген CAR1, ответственный за синтез мочевины. Это предотвращает ее накопление в вине и образование канцерогенного этилкарбамата при хранении. Модифицированные дрожжи тоже созданы с помощью технологии CRISPR/Cas-9.
Генная инженерия позволяет значительно ускорить выведение новых сортов винограда. Для этого используют омиксные и микробные технологии.
- Омиксные технологии
«Омиксные технологии» объединяют достижения геномики, транскриптомики, протеомики, метаболомики. Эти науки изучают, как устроены и работают гены. Омиксный подход помогает диагностировать болезни. Например, он помог создать сорт винограда, устойчивый к инфекции Xylella fastidiosa.
- Микробные технологии
Микроорганизмы определяют вкус и аромат вина, а современные биотехнологии позволяют воссоздавать их синтетически. Можно изменить характеристики вина, просто перенаправив его производство в более подходящий климат, но для этого придется оставить землю, которая возделывалась тысячелетиями и в которой микробные сообщества развивались вместе с сортом. Синтетические колонии бактерий могут восполнять функцию родных для лозы бактерий.
Будущее биотехнологий в еде
В целом эксперты сходятся во мнении, что новейшие биотехнологии в агрокультуре — это ключ к устойчивому развитию. Они помогают не только увеличить урожайность, но и сделать продукты более доступными.
Анча Баранова доктор биологических наук, профессор школы системной биологии в Университете Джорджа Мейсона:
«Современные тренды в биотехнологиях питания развиваются в нескольких направлениях. Во-первых, технологии генной модификации все активнее внедряются, но этот процесс становится менее заметным для широкой аудитории. Например, сегодня на полках магазинов в США могут быть продукты, прошедшие генетическую модификацию, но без явной маркировки.
Во-вторых, наблюдается рост популярности альтернативных продуктов, таких как растительные котлеты и лабораторное мясо. Но такая продукция может уступать традиционному мясу с точки зрения пищевой ценности (меньше белка) и усвояемости питательных веществ.
Наконец, есть третий тренд, но он неутешительный. Он заключается в том, что расслоение рынка продуктов со временем будет лишь усиливаться. Качественная еда будет все более дорогой, а массовые продукты все больше уступать в составе и пользе».
➤ Подписывайтесь на телеграм-канал «РБК Трендов» — будьте в курсе последних тенденций в науке, бизнесе, обществе и технологиях.
