Около миллиарда человек испытывают дефицит селена. Генная инженерия может это изменить.

На первый взгляд, длинные, тонкие листья и бледно-зеленые побеги Stanleya pinnata , растения, произрастающего в Скалистых горах, могут заставить его казаться просто еще одним членом семейства Brassica — эксцентричным родственником горчицы и брокколи. В течение нескольких недель каждую весну растение выпускает на кончике каждого стебля пушистый пучок ярко-желтых цветов, из-за чего его прозвали «пером принца». Но подойдите немного ближе, и вы, возможно, начнете замечать что-то странное. Почва в радиусе трех футов вокруг растения голая — «зона смерти», где больше ничего не может расти. И хотя не все могут учуять этот запах, некоторые люди чувствуют неприятный запах в воздухе, как будто что-то гниющее. Вот почему Энтони ван дер Энт , ученый-растениевод, выращивающий Stanleya в своей теплице в Университете и исследовательском центре Вагенингена в Нидерландах, старается избегать непосредственного контакта с растением.

«Вы можете потрогать его, но ваши пальцы будут пахнуть еще несколько дней», — сказал он, сморщив нос, показывая объект, где рядами в маленьких горшках растут саженцы, в теплый августовский день.

Ван дер Энт — эксперт по гипераккумуляторам, растениям, которые эволюционировали, чтобы поглощать большое количество определенных минералов из почвы и сохранять их в своих листьях и стеблях. В случае Stanleya pinnata этим минералом является селен, элемент, содержащийся в высоких концентрациях в почвах его родного Колорадо. Наряду с депонированием селена в своей биомассе, Stanleya также преобразует его в газ селенида. Это затрудняет работу с растением в лабораторных условиях, поскольку этот газ испускает сильный запах, но это всего лишь небольшая неудача для ван дер Энта, который выращивает Stanleya pinnata, чтобы изучить его способность поглощать селен. Он надеется, что в конечном итоге раскрытие его секретов поможет решить проблему дефицита селена, проблемы со здоровьем, которая преследует Нидерланды, а также другие регионы Европы, такие как Скандинавия.

Stanleya pinnata не нуждается в селене для выживания, хотя ученые полагают, что растение развило способность накапливать этот минерал в качестве защитного механизма от хищников; высокие концентрации селена могут быть смертельными. Но людям, как и другим млекопитающим, необходимы следовые количества селена — от 40 до 70 микрограммов в день — для правильной работы щитовидной железы и для того, чтобы помочь иммунной системе организма бороться с риском рака. В то время как большинство людей получают достаточно селена из сельскохозяйственных культур, которые они едят, таких как пшеница, бобы и чечевица, до одного миллиарда человек, живущих в районах с бедными селеном почвами, включая большую часть Северной Европы, испытывают его дефицит — число, которое, вероятно, увеличится по мере изменения климата. Исследование, проведенное швейцарскими учеными в 2017 году , предсказало, что на 66 процентах пахотных земель по всему миру к концу столетия концентрация селена снизится, поскольку отсутствие осадков делает некоторые районы слишком засушливыми для растворения минерала, в то время как более интенсивные дожди в других вымывают его из земли. В надежде предотвратить глобальный кризис в области здравоохранения ученые сейчас работают над выведением нового поколения культур, которые будут лучше усваивать селен. Для этого ван дер Энт планирует использовать гены гипераккумуляторов селена, которые он открыл в Колорадо и Австралии, для модификации обычных культур, таких как рапс, еще один представитель семейства горчичных. Аналогичные исследования проводятся в Испании, Турции и Китае в рамках более масштабной глобальной стратегии под названием биофортификация, которая направлена ​​на то, чтобы сделать пищу более питательной и улучшить здоровье уязвимых групп населения.

«Рост уровня углекислого газа усугубит дефицит питательных веществ, потенциально толкая сотни миллионов людей к более глубокому недоеданию», — сказал Вольфганг Пфайффер , руководитель проекта и ученый HarvestPlus , некоммерческой организации, которая содействует распространению биообогащенных культур по всему миру. «Это делает биообогащение все более важным вмешательством в борьбу с дефицитом микроэлементов».

Существуют и другие методы борьбы с дефицитом витаминов и минералов, такие как диетические добавки (например, ежедневные поливитамины) и промышленное обогащение, которое подразумевает добавление элементов, таких как железо, в основные продукты питания, такие как рис и мука. Добавки уже широко распространены среди более богатых стран, в то время как правительства и организации по оказанию помощи в развивающихся странах распределяют обогащенные продукты среди более уязвимых слоев населения.

Биофортификацию сложнее реализовать изначально из-за высоких затрат на исследования и разработки, которые идут на выведение новых сортов растений. Но в некотором смысле это также проще; людям, которым нужны витамины, не нужно помнить о необходимости принимать таблетки (или иметь возможность их себе позволить), а такие продукты, как мука, не должны проходить дополнительный этап промышленного обогащения перед продажей, поскольку пшеница уже будет содержать минералы в клетках растения.

Некоммерческие организации, такие как HarvestPlus и Global Alliance for Improved Nutrition, уже работают над тем, чтобы поставлять биообогащенные культуры, такие как фасоль, маниока, батат, рис, чечевица и пшеница, в такие страны, как Бангладеш, Пакистан, Нигерия, Танзания и Руанда. Большинство из них не являются генетически модифицированными; вместо этого они выведены традиционным способом или скрещены с растениями, которые от природы содержат больше необходимых минералов.

Генетически модифицированные биоукрепленные продукты, такие как « золотой рис », сорт, повышающий уровень витамина А, изобретенный в 1990-х годах генетиками растений Инго Потрикусом и Питером Бейером, столкнулись с противодействием в таких странах, как Филиппины, из-за опасений по поводу их воздействия на здоровье и выращивание местных сортов. Некоторые эксперты по развитию критиковали биоукрепление как подход к решению таких проблем, как дефицит витаминов или недостаточность микроэлементов, утверждая, что вместо этого следует сосредоточиться на обеспечении доступа людей к разнообразному рациону .

«Поскольку рис является плохим источником витаминов и минералов, любой ребенок, питающийся только рисом, будет болеть», — написали антрополог Гленн Дэвис Стоун и исследователь в области социальных наук Доминик Гловер в Conversation в 2020 году . «Генетическая модификация риса для содержания бета-каротина — это в лучшем случае пластырь для крайних случаев [дефицита витамина А], а не средство для исправления широко распространенной проблемы».

Сторонники биообогащения, однако, подчеркивают его важность, соглашаясь с тем, что оно должно дополнять разнообразный рацион питания. «Биофортификация — важнейший компонент подходов продовольственной системы к сокращению дефицита микронутриентов», — сказал Пфайффер. «Однако это всего лишь один инструмент в более широкой стратегии — единого решения проблемы не существует». Биообогащение, однако, необходимо для селена. Человеческий организм может метаболизировать минерал только в форме селеноцистина, аминокислоты, которую сложно и дорого производить искусственно. Это означает, что его нельзя добавлять в такие продукты, как мука, путем промышленного обогащения, как это делают другие минералы, такие как цинк или йод. Но, как обнаружил ван дер Энт, растения, такие как Stanleya pinnata, собирают селен именно в этой форме, что делает относительно простой генетическую модификацию культур, которые будут доставлять минерал людям, которые их едят. Однако самое сложное — определить, какие именно гены переносить. Сначала ученые должны понять, где растения хранят селен — в листьях, стеблях, корнях, цветах или семенах, — а затем попытаться отследить точный генетический код, который заставляет их это делать. Это важно, если они хотят в конечном итоге модифицировать такие культуры, как рапс, который в основном собирают для производства масла из его семян, объяснил ван дер Энт. Его цель — узнать, какие гены заставляют Stanleya хранить селен в собственных семенах, что упрощает генетический перенос в рапс.

Поиск конкретных генов, которые управляют гипераккумуляцией, является сложной задачей, сказала Микела Скьявон, биолог из Туринского университета в Италии, которая изучает биообогащение селена и в настоящее время работает с ван дер Энтом в качестве приглашенного исследователя в Университете Вагенингена. Предыдущий проект, над которым она работала в Колорадо, нашел несколько перспективных кандидатов, также используя Stanleya pinnata ; но когда эти гены были перенесены в другие растения, они не начали гипераккумулировать селен, отправив исследование обратно на чертежную доску.

«Черный ящик — это понимание того, как работают эти растения», — сказал Скьявон.

Еще одной областью исследований является концентрация селена, которая варьируется от растения к растению и даже в течение жизненного цикла одного организма. Другое растение, которое изучает ван дер Энт, австралийский вид под названием Neptunia amplexicaulis , хранит гораздо более высокую концентрацию селена в своих молодых листьях, чем в старых листьях. Это тонкий баланс, поскольку, хотя селен необходим для здоровья человека, в больших дозах он также очень токсичен, вызывая синдром, называемый селенозом, который приводит к усталости, выпадению волос, деформации ногтей и неврологическим нарушениям.

«Мы должны не только попытаться модифицировать эти растения, чтобы они накапливали селен, но и не накапливали его слишком много», — сказал ван дер Энт. «Это вопрос экспрессии этих конкретных генов на правильном уровне».

Такие исследователи, как ван дер Энт и Скьявон, ожидают, что они будут заниматься этими вопросами еще долгие годы, поскольку изменение климата усиливает интерес к биоукреплению и исследованиям селена в более широком смысле. Одной из стран, лидирующих в этом направлении, является Китай, в половине сельскохозяйственных почв которого не хватает селена . В 2019 году страна открыла свой первый национальный центр исследований и разработок селена в городе Ухань; четыре года спустя она запустила лабораторию инноваций в области селена в Университете Сиань Цзяотун-Ливерпуль недалеко от Шанхая. Там ученые изучают, как микробные сообщества могут влиять на поглощение селена в растениях-гипераккумуляторах, в основном используя Cardamine hupingshanensis , который, как и Stanleya pinnata , является членом семейства Brassica и напоминает кресс-салат или горчицу. Родом из китайских гор Улин, Cardamine долгое время употреблялся в качестве маринованной приправы под названием sui mi ya cai , что делает его еще более сильным кандидатом на биообогащение — и, как мы надеемся, менее вонючим.

источник: https://www.smithsonianmag.com/innovation/about-one-billion-people-are-deficient-in-selenium-genetic-engineering-could-change-that-180986156/

автор: Диана Крузман — журналист, пишущий о религии, окружающей среде и урбанизме. Ее работы были представлены в New York Times , Christian Science Monitor и Gizmodo , а также в других изданиях.