Как ученые редактируют гены картофеля и коров, чтобы сдержать изменение климата

Чтоб накормить приблизительно 10 млрд человек к 2050 году, используя имеющиеся земли и имеющиеся у Земли ресурсы, нужно поменять систему сельского хозяйства и животноводства в целом, убеждены ученые. Не считая того, пробы населения земли прокормиться загрязняют атмосферу Земли, нагревая планетку выбросами метана. Какой есть выход? Исследователи дают технологию редактирования генома CRISPR для решения трудности продовольственной сохранности и конфигурации атмосферного климата. Рассказываем, как работает разработка и какие еще уникальные идеи есть у ученых. Спойлер: ранцы для сбора отрыжки звериных — только вершина айсберга.

Новенькая стратегия сокращения выбросов

Около 200 государств подписали Парижское соглашение в 2016 году, пообещав уменьшить выбросы парниковых газов в собственных странах. К истинному времени отлично понятно, что парниковые газы, выделяемые в итоге деятель человека, улавливают тепло и нагревают поверхность Земли. Чтоб уменьшить выбросы, почти все страны перебегают на наиболее незапятнанные формы энергии, такие как солнечная и ветровая, и делают стимулы для электромобилей.

Но в новеньком отчете предлагается несколько нежданная стратегия сокращения выбросов: редактирование генов растений и звериных.

«Я думаю, что все, не считая нескольких писателей-фантастов, недооценили степень, в какой климат изменит людскую деятельность и дела меж людьми и окружающей средой», — заявил Вал Гиддингс, доктор философии, старший научный сотрудник Фонда информационных технологий и нововведений. Это некоммерческий исследовательский центр, выпустивший отчет. Выступая 15 сентября во время панельной дискуссии о отчете, Гиддингс заявил, что редактирование генов может посодействовать удалить больше углерода из атмосферы, уменьшить количество пищевых отходов и выбросы метана от домашнего скота.

Редактирование генов

Что такое CRISPR и для чего он нужен?

CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats — недлинные палиндромные повторы, часто расположенные группами) — особенные локусы микробов и архей, состоящие из прямых циклических последовательностей, которые разбиты неповторимыми последовательностями (спейсерами). Спейсеры заимствуются из чужеродных генетических частей, с которыми сталкивалась клеточка (бактериофагов, плазмид). РНК (Рибонуклеиновая кислота — одна из трёх основных макромолекул (две другие — ДНК и белки), которые содержатся в клетках всех живых организмов), транскрибирующиеся с локусов CRISPR, вместе с ассоциированными белками Cas обеспечивают адаптивный иммунитет за счёт комплементарного связывания РНК (Рибонуклеиновая кислота — одна из трёх основных макромолекул (две другие — ДНК и белки), которые содержатся в клетках всех живых организмов) с нуклеиновыми кислотами чужеродных частей и следующего разрушения их белками Cas. Вообщем, к истинному моменту имеется много свидетельств роли CRISPR в действиях, не связанных с иммунитетом.

Внедрение методик CRISPR-Cas для направленного редактирования геномов является многообещающим направлением в современной генной инженерии. На 2016 год ученые обширно употребляют подходы, основанные на системах CRISPR-Cas; может быть, в дальнейшем эти подходы будут использовать в медицине для исцеления наследных болезней.

Также CRISPR-Cas имеет <span class="wp-tooltip" title="Обобщенная форма отражения индивидумом общественно-исторического опыта Запечатлено в схемах действий понятиях соц ролях нормах и ценностях Система значений индивидума обусловливает управление действиями его деятель" для адресной доставки фармацевтических средств и их высвобождения при наружном действии — для этого употребляются материалы, в состав которых входят участки ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов).

Не считая того, CRISPR можно применять в качестве передового инструмента для редактирования генов растений и в мотивированном животноводстве. 

основное отличие от ГМО

В отличие от ГМО, система работает с естественными чертами сельскохозяйственных культур и не вводит новейшие гены в эталоны. Сторонники методики CRISPR-Cas также говорят, что новенькая биотехнология представляет меньше причин риска, чем ГМО. Совершенно этот процесс нередко ассоциируют с классическими способами селекции сельскохозяйственных культур.

Редактирование генов различается от классической генетической модификации в главном смысле: редактирование генов ориентировано на изменение своей ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов) растения либо звериного. Напротив, обычная генная инженерия включает смешивание ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов) наиболее чем 1-го организма. Ученые уповают, что это различие сделает генно-отредактированные продукты наиболее применимыми для потребителей, которых не устраивают ГМО.

Чтоб накормить приблизительно 10 млрд человек к 2050 году, используя имеющиеся земли и имеющиеся у нас ресурсы необходимо поменять систему сельского хозяйства и животноводства в целом. В сельскохозяйственной отрасли, к примеру, нужно включить редактирование генома CRISPR для увеличения продуктивности сельскохозяйственных культур, уверен Оливер Пиплс, генеральный директор Yield10 Bioscience — компании, разрабатывающей новейшие технологии для увеличения урожайности сельскохозяйственных культур и увеличения продовольственной сохранности в мире.

В контексте меняющегося глобального атмосферного климата, который приводит к учащению экстремальных погодных явлений и росту населения, что существует острая необходимость в разработке новейших видов сельскохозяйственных культур, которые могут противостоять неблагоприятным погодным условиям и давать больший сбор на том же участке земли. задачи с устойчивым созданием продовольствия, вызванные конфигурацией атмосферного климата, соединены с непредсказуемыми и изменчивыми сезонными факторами, экстремальными погодными критериями, с которыми на данный момент сталкиваются крестьяне. К ним относятся засуха, наводнение, жара и поздние либо ранешние заморозки, и все это может иметь разные последствия даже в течение 1-го вегетационного периода.

По мере увеличения средней температуры фермерские культуры также подвергаются большей угрозы со стороны заболеваний и роста числа насекомых. Внедрение CRISPR может посодействовать создать сельскохозяйственные культуры наиболее устойчивыми к сиим экстремальным факторам.

Как редактирование генов звериных и растений воздействует на климат?

Одним из методов, которым редактирование генов может посодействовать климату, является улучшение самой биологии растений. А именно, он может сделать лучше фотосинтез — процесс, который растения употребляют для преобразования энергии солнечного света в сахар и кислород. В этом процессе растения потребляют углекислый газ, самый всераспространенный парниковый газ. В истинное время леса и иная наземная растительность убирают около 30% антропогенных выбросов углекислого газа из атмосферы во время фотосинтеза.

Наиболее «действенные» растения

При редактировании генов растения потенциально могут удалить больше. Большая часть растений употребляют от 1 до 2% падающего на их света, но ученые считают, что их наибольшая мощность по сути составляет около 12%. Редактирование генов быть может применено для увеличения их эффективности, чтоб растения могли всасывать больше углерода из атмосферы.

Редактирование генов также быть может применено для убыстрения роста деревьев и расширения корневой системы растений — и то, и другое может повысить их способность всасывать углерод. Наиболее старенькые, наиболее зрелые деревья в укоренившихся лесах улавливают еще больше углерода, чем юные деревья, как и растения с наиболее глубокими и необъятными корнями. Но нужны доп исследования, до этого чем можно будет применять редактирование генов таковым образом, поэтому что генетика корней растений еще недостаточно исследована.

Редактирование генов может также посодействовать уменьшить выбросы, производимые сельскохозяйственной отраслью, в особенности в развивающихся странах. В то время как в Соединенных Штатах толика сельского хозяйства в общем объеме выбросов парниковых газов в 2018 г. составляла около 10%, больший вклад вносил транспорт (28%), за которым следовало электричество (27%), на сельское хозяйство приходится еще большая часть выбросов в экономически развивающихся странах.

Стойкая кукуруза

В частности, редактирование генов быть может применено для сокращения пищевых отходов в сельском хозяйстве. По оценкам, одна третья часть товаров питания в мире пропадает либо выбрасывается напрасно любой год, и некие из их приходят в негодность еще до того, как попадают в продуктовый магазин. К примеру, сбор кукурузы в Айове может сократиться в два раза в этом году из-за длительного урагана, который «прошелся» по штату и уменьшил посевы в августе.

Ученые из Bayer Crop Science изменяют гены кукурузы, чтоб уменьшить утраты урожая, произнес Скотт Найт, доктор философии, который возглавляет работу компании по редактированию генов. По его словам, наиболее маленькая кукуруза — кукуруза, которая находится поближе к земле — будет наиболее устойчивой к ветру и ливням.

В 2019 году Bayer представила низкую кукурузу, полученную при помощи классической генной инженерии, а не так давно компания удачно применила для ее производства генное редактирование. В то время как рядовая кукуруза растет от 9 до 3,3 метров в высоту, маленькая кукуруза добивается максимум около 2-ух метров, и у нее также наиболее толстый ствол, чтоб предупредить его повреждение от ветра. Представители компании говорят, что крестьяне, с которыми они общались, похоже, заинтересованы в использовании редактирования генов для решения таковых заморочек, как утрата урожая.

неувязка потемнения овощей и фруктов

Редактирование генов также можно применять для предотвращения пищевых отходов, которые появляются опосля сбора урожая. Тонны фруктов и овощей выбрасываются раз в год из-за потемнения и повреждений, а когда они выбрасываются на свалки, они сгнивают и выделяют метан, который является еще наиболее мощным парниковым газом, чем углекислый газ.

Лишь в Северной Америке раз в год выбрасывается около сотки тонн картофеля из-за повреждений. Компания по переработке картофеля J.R. Simplot из Айдахо уже реализует картофель, сделанный при помощи генной инженерии, чтоб противостоять повреждениям и потемнению, и сейчас употребляет генное редактирование, чтоб наиболее отлично ввести технологию.

Но большая часть выбросов парниковых газов в сельском хозяйстве связана с животноводством. Редактирование генов можно применять, чтоб вынудить скотин создавать меньше метана. Понятно, что количество метана, производимое коровой, в значимой степени зависит и от ее генетической структуры. Редактирование генов уже использовалось для сотворения комольного скота и скотин, у каких было больше потомства мужского пола. Последующим быть может создание из их наименьшего количества метана. Но пока ученые дают и наименее инвазивные способы.

Пробы ученых создать мясо не таковым небезопасным для атмосферного климата

Значимая часть глобальных выбросов парниковых газов связана метаном, газом, который возникает в итоге жизнедеятельности домашнего скота. Как ученые пробуют минимализировать вред атмосфере Земли?

Вакцина

научные сотрудники компании AgResearch задаются вопросцем, может ли борьба с бактериями в кишечном тракте скотин посодействовать спасти планетку от конфигурации атмосферного климата?

Уж на данный момент в желудках экспериментальных скотин, происходит <span class="wp-tooltip" title="Экспериментальная стратегия Характеризуется тем что в нем осуществляется целенаправленное наблюдение за любым действием в критериях регламентированного конфигурации отдельных черт критерий его протекания При всем этом п, который потенциально может поменять планетку. Им сделали вакцину против определенных пищеварительных бактерий, которые вырабатывают метан, когда звериные переваривают еду. Метан — один из самых мерзких парниковых газов, который приблизительно в 25 раз посильнее держит тепло, чем углекислый газ.

Цель AgResearch — создать эту вакцину совместно с иными антиметановыми способами, чтоб люди могли продолжать есть мясо и продукты из молока, понижая при всем этом действие животноводческой отрасли на окружающую среду. 

Оценки различаются, но считается, что на домашний скот приходится до 14% всех выбросов парниковых газов в итоге деятельности человека. Кроме углекислого газа, в сельском хозяйстве в огромных количествах образуются два остальных газа: закись азота при добавлении удобрений и отходов в почву и метан. Крайние в значимой степени отрыгиваются жвачими звериными — в главном овцами и большим рогатым скотом — и на их приходится наиболее трети общих выбросов от сельского хозяйства. Среднее жвачное звериное производит 250-500 л. метана в денек. В глобальном масштабе домашний скот несет ответственность за газоиспукание 3,1 гигатонны углекислого газа в атмосферу раз в год.

Но ученые AgResearch уповают, что, может быть, получится уменьшить вклад животноводства в глобальное потепление.

Их подход основан на работе Шинед Лихи, биолога AgResearch, которая в истинное время прикомандирована к Новозеландскому сельскохозяйственному исследовательскому центру парниковых газов. Метан, производимый жвачими звериными, поступает из приблизительно 3% большущего количества бактерий, обитающих в рубце, первом отделе кишечного тракта. Виноватые организмы принадлежат к старой группе под заглавием археи, и они способны жить в среде, где нет кислорода.

Средством пищеварительной ферментации, эти бактерии разлагают и ферментируют растительные материалы, съеденные звериными, с образованием метана в качестве побочного продукта. Чтоб сбросить давление, которое может нарастать при производстве этого газа, звериные потом его отрыгивают.

Но, чтоб отсеять бактерии, ответственные за это, Лихи и ее сотрудникам пришлось отыскать метод воспроизвести в собственной лаборатории бескислородное состояние рубца. Потом, используя технологию ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов), они смогли секвенировать геномы неких главных видов.

«Осознание того, что различает эти бактерии от остальных типов, которые также важны для пищеварения, весьма принципиально, — разъясняет Лихи. «Благодаря нашему исследованию мы смогли изучить разные типы последовательностей генов [в микробах] и избрать цели [общие] для всех разновидностей метаногена. Потом они стали главными целями при разработке вакцины».

Эта работа дозволила команде AgResearch систематически разрабатывать вакцины, нацеленные на несколько видов бактерий сразу.

Пока, невзирая на бессчетные опыты, окончательных доказательств того, что вакцинация понижает количество метана, выделяемого коровами, как и раньше нет. Некие австралийские ученые предприняли родственную попытку в 1990-х годах, но неудачно. Команда AgResearch уверена, что их подход, основанный на генетике, даст наилучшие результаты.

Селективное разведение

Но вакцинация — не единственный метод очистить дыхание скотин. Звериные различаются по выработке метана, и, по последней мере, некие из этих конфигураций объясняются генетическими различиями. Эйлин Уолл, управляющий отдела исследовательских работ Сельского института Шотландии, разъясняет, что это дает возможность селективного разведения звериных, которые создают меньше метана. Она разглядывает такую задачку как часть наиболее широкой программки разведения, направленной на выкармливание наиболее здоровых и действенных овец и скотин — оба эти характеристики также понижают выбросы парниковых газов на единицу мяса и молока.

Но, разведение звериных таковым методом может занять много времени и стоит недешево, предупреждает Лиам Синклер, изучающий метаболизм рубца в Институте Харпера Адамса в Шропшире, Англия.

Особенная диета (Диета — совокупность правил употребления пищи человеком или другим живым организмом)

Иная кандидатура — подкармливать звериных едой, которая приводит к наименьшему образованию метана. Это быть может действенным, но только отчасти, и если диета (Диета — совокупность правил употребления пищи человеком или другим живым организмом) дозволяет звериным продолжать создавать молоко и мясо, разъясняет Фил Гарнсуорси, специализирующийся на кормлении дойных скотин в Институте Ноттингема.

«Возможно, вы можете понизить содержание метана приблизительно на 20-25%, изменив диету», — гласит он. Одно исследование, проведенное учеными из Калифорнийского института в Дэвисе, показало, что глобальные выбросы метана коровами можно уменьшить на 15%, изменив их рацион. Но Гарнсуорси считает, что может быть и большее. Часто крестьяне в главном употребляют силос из травок.

«Если вы перейдете лишь на силос на базе кукурузы, вы будете следить падение выработки метана на 10%».

Чем больше клетчатки ест скотина, тем больше метана она производит, но добавление в их рацион бобовых и разных масел, таковых как льняное и соевое, быть может полезным, добавляет Синклер.

«Наиболее высококачественное кормление делает звериных наиболее продуктивными, а наиболее продуктивные звериные создают меньше метана», — гласит он.

Также было подтверждено, что добавление морских водных растений в рацион скотины помогает избавиться от насекомых, производящих метан.

Маски и ранцы для сбора газа

Некие исследователи уже предложили новейший, чудаковатый подход — надеть на скотин ранцы для сбора отрыжки. Меж тем студенты Царского института искусств в Лондоне разработали устройство, которое можно было бы прикрепить к носу скотины, чтоб конвертировать выдыхаемый метан в наименее мощнейший углекислый газ.

Но наиболее близкой к реальности кандидатурой все таки являются кормовые добавки. к примеру, ионофоры, которые уже употребляются в неких частях мира для роста веса у звериных, также могут быть применены для угнетения метан-продуцирующих архей. Да и тут есть свои трудности.

Добавки в еду

Ионофоры, которые классифицируются как лекарства, запрещены для использования у звериных в Европейском союзе из-за опасений по поводу того, как чрезмерное внедрение этих агентов в сельском хозяйстве может повысить устойчивость микробов к лекарствам. запрет вызывает споры, так как ионофоры не употребляются в медицине и действуют по другому, чем терапевтические лекарства.

Предлагаются и остальные добавки, которые также могут посодействовать подавить выброс метана в животноводство. В крайнее время энтузиазм вызывает 3-нитрооксипропанол (3-NOP), который понижает эффективность хим пути, по которому археи превращают углерод в метан. Компания, создавшая добавку, уповает на 30%-ное сокращение выбросов метана.

иной вариант — отдать коровам пробиотики либо полезные бактерии для улучшения пищеварения. Элизабет Лэтэм, прошлый научный сотрудник Техасского института A&M и соучредитель Bezoar Laboratories, разрабатывает пробиотик для борьбы с метаном от большого рогатого скота и утверждает, что он может уменьшить выбросы на 50%.

Но подобные хим ингибиторы и пробиотики необходимо будет добавлять раз в день в корма, и их будет тяжело доставить звериным, питающимся в главном травкой. Быстрее всего, это будет дорогой вариант решения трудности. Вакцину же потенциально нужно вводить лишь один раз либо, может быть, будет нужно лишь каждогодная ревакцинация.

Независимо от применяемого подхода, вмешательство в структуру микробной жизни в кишечном тракте изменит его экологию — может быть, с неожиданными последствиями. Микробиом кишечного тракта тесновато связан со здоровьем, и его изменение может прирастить риск болезней у скотин. У людей даже есть некая связь меж пищеварительными микробами и настроением, хотя непонятно, приведет ли сокращение количества продуцирующих метан микробов к депрессии у скотин и овец и какое воздействие это может оказать на их мясо и молоко.

Создатели вакцин считают, что это маловероятно. Но до того времени, пока последующие тесты не обоснуют, что вмешательство в микробиом домашнего скота может уменьшить их выбросы, не нанося вреда звериным либо продуктам, для которых они выращиваются, миру придется ожидать.

Что в итоге?

Редактирование генов в состоянии сделать еду наиболее экологически неопасной, но будет ли она достпуна для общественности — иной вопросец. Невзирая на всеобщее научное Мировоззрение о том, что на генном уровне измененные продукты неопасны для потребления в еду, публичное сопротивление ГМО в крайние годы достигнуло пика. 

Большая часть достижений, которые подразумевают создатели отчета, еще не есть, и пройдут годы, до этого чем они покажутся. Чтоб достигнуть этого, в отчете рекомендуется, чтоб власти уменьшили нормативные препятствия для на генном уровне модифицированных растений и звериных, прирастило Инвестиции в исследования и разработки в области технологий редактирования генов и стимулировало исследователей и компании к разработке погодных решений, редактируемых генами.

Меж тем, ученым и компаниям, разрабатывающим на генном уровне модифицированные культуры и животноводство, нужно будет уверить скептически настроенную общественность в том, что эти продукты неопасны и полезны для здоровья и не будут иметь негативных последствий для окружающей среды. Хотя мы не должны рассчитывать на на генном уровне отредактированные растения и звериных для решения климатического кризиса, в итоге они могут сыграть роль в сдерживании глобальных выбросов. По мере усугубления климатического кризиса покупателям, может быть, придется быть непредвзятыми, когда генно-отредактированные продукты в конце концов покажутся на полках продуктовых магазинов.

Читать также

Исследователи в первый раз выработали чистую энергию из графена

На 3 денек Ледник «Судного денька» оказался опаснее, чем задумывались ученые. Рассказываем основное

Источник