ПРИКЛЮЧЕНИЯ «ЗОЛОТОГО РИСА», ИЛИ ИСТОРИЯ ОДНОГО НАУЧНОГО ПРОРЫВА

Создание методами генной инженерии «Золотого риса» (1999 год) стало, несомненно, одной из самых примечательных вех в истории биотехнологии. Вызвав поначалу шквал восторженных откликов и публикаций в различных изданиях, событие затем потеряло столь пристальный общественный интерес. Какова же судьба этой многообещающей разработки? Желая получить ответы на интересующие нас вопросы, как говорится, из первых рук, редакция «ЗН» решила обратиться к всемирно известному профессору-генетику Инго Потрикусу, чье имя сегодня неразрывно связано с изобретением «Золотого риса». Несмотря на занятость, ученый все же откликнулся на нашу просьбу. Присланный по электронной почте обширный научный очерк настолько интересен, что мы решили его опубликовать (правда, несколько сократив текст).

Редакция выражает благодарность за содействие в подготовке этой статьи профессору Ярославу Блюму, заместителю директора Института клеточной биологии и генной инженерии НАН Украины.

«Золотой рис» приобрел в наши дни популярность, получив поддержку со стороны научной общественности, агробиотехнологической промышленности, средств информации, общественности, авторитетных международных организаций, занимающихся вопросами сельскохозяйственных исследований здравоохранения (ВОЗ), продовольствия (ФАО) и экономического развития, но в не меньшей степени встретив неприятие со стороны оппонентов генетически модифицированных организмов (ГМО).

«Золотой рис» является великолепным примером того, какую пользу может принести генная инженерия растений потребителям. Особенно это касается развивающихся стран, где благодаря генетически модифицированным организмам (ГМО) появляется гораздо больше возможностей для обеспечения населения продовольствием. В то же время противники ГМО обеспокоены тем, что эта культура может стать своего рода «троянским конем», способным открыть доступ в развивающиеся страны другим применениям технологий генной инженерии, а также стимулированию признания генетически модифицированных продуктов питания. Индра Вэйзил* убедил меня написать «Историю «Золотого риса» и показать все, что осталось в тени успеха, оказавшегося вкрапленным в канву многочисленных неудач и заблуждений. Это повествование, охватывающее всю историю развития генной инженерии растений, может представлять интерес для тех, кто сталкивается с многочисленными специфическими проблемами стратегических исследований, где цель задается в самом начале и успех измеряется по отношению к исходной цели, а не по отношению к заманчивым академическим решениям.

Годы захватывающих экспериментов
и мучительных поисков

Моя научная карьера и мой интерес к генной инженерии зародились в 1970 году с первыми экспериментами на протопластах петунии в лаборатории профессора Д.Хесса в Штутгарт-Гогенхейме в Германии. Мы регенерировали фертильные растения из протопластов мезофилла, вводя изолированные ядра и хлоропласты в протопласты, и обрабатывали протопласты оголенной ДНК, стремясь осуществить перенос генов. В одном захватывающем эксперименте мы использовали ДНК чистой линии доминантных петуний с красными цветками для того, чтобы трансформировать протопласты чистой линии рецессивных растений с белыми цветками. В случае успеха мы ожидали получить растения с розовыми цветками. Когда же в конечном счете получили полную оранжерею растений с розовыми цветками, поняли: что-то пошло не так. Насколько потом смогли выяснить, мы взяли листья изоляции протопластов из популяции молодых гетерозиготных растений, которые росли в той же оранжерее. К счастью, свои результаты мы не опубликовали, однако под их влиянием я был настроен очень скептически, когда Питер Карлсон сообщил о своих знаменитых «соматических гибридах» Nicotiana glauca x Nicotiana langsdorfii.

В 1973 году я приступил к работам по развитию новых технологий для зерновых (начав с ячменя) и попытался повторить то, что так легко удалось с петунией. Наши опыты привлекли внимание профессора Мельхерса, который создал небольшую исследовательскую группу в Институте генетики растений общества Макса Планка в Ладенбурге-Хайдельберге. Моими коллегами-энтузиастами стали Эмрис Томас и Герд Венцель, а также студенты-выпускники Херст Лёрц и Кристиан Хармс. Все мы сосредоточились на тканях злаков и на клеточных культурах пшеницы, ячменя, кукурузы и ржи. Однако систему регенерации протопластов мезофилла развить не удавалось, несмотря на то что я, вооружившись более совершенным протоколом культуры клеток на основе метода микрокапли, перепробовал 120 тысяч условий культивирования протопластов, включая 7-факторную градиентную смесь всех известных регуляторов роста в широком диапазоне концентраций. Лучшее, чего я смог достичь в экспериментах с протопластами мезофилла пшеницы, было образование 60-клеточного «глобулярного проэмбриоида», который, однако, не захотел развиваться дальше. Этой работой тем не менее заинтересовался агротехнический отдел компании Сиба-Гайги (Ciba-Geigy), где собирались дополнить ориентированные на фармацевтику исследования в недавно организованном Институте Фридриха Мишера в Базеле подразделением агробиотехнологических исследований (да, уже в 1975-м!). В 1976 году институт предложил мне создать три группы по изучению биологии растений, которые я постарался скоординировать по проблемам генной инженерии, мутагенеза и гаплоидов злаковых со своими коллегами Патриком Кингом и Эмрисом Томасом. А так как направление мезофильных протопластов упорно не желало приносить результаты, мы исследовали утрату компетентности клеток в процессе листовой дифференциации. И обнаружили, что вне тримиллиметровой базальной области молодого листа злаковых растений клетки являются окончательно дифференцированными. Поэтому мы искали альтернативы, подобные соматическим эмбриоидам, выращенным из базальных листовых сегментов, особенно эффективных у сорго, и исследовали возобновление роста тканей кукурузы в ответ на заражение грибом Ustilago maydis.

В начале 80-х годов было доказано, что образование корончатых галлов — опухолей у растений — базируется на естественных процессах трансформации. Само собой разумеется, что многие лаборатории сфокусировали свои усилия на развитии методов трансформации растений с использованием так называемых Т-ДНК из агробактерий, вызывающих образование опухолей у растений, для создания «векторов», несущих в своем составе чужеродные гены, необходимые для трансформации. Мы же занялись развитием безвекторных систем трансформации «прямого трансфера гена» путем инкубации протопластов в ДНК. Это направление было горячо поддержано двумя опытными молекулярными биологами Барбарой и Томасом Хорн. Такое тесное сотрудничество между специалистами в области культуры тканей и молекулярными биологами вскоре привело к созданию системы трансформации, независимой от Agrobacterium. Особенно ценным оказался вклад Ежи Пашковского, молодого доктора наук из Польши. Благодаря его активному посредничеству между двумя группами, мы смогли первыми получить табак с «прямым переносом гена». На то, чтобы повторить этот успех на кукурузе, потребовалось еще два года напряженной работы.

Следующий прорыв произошел благодаря концепции Индры Вэйзила превентивной дифференциации у зерновых путем образования «эмбриогенных суспензий», сыгравшей, как было показано позже, решающую роль в получении трансгенных злаков. Попытки трансформировать эмбриогенные культуры при помощи Agrobacterium не принесли убедительных результатов. А тем временем Джон Сэнфорд и Тед Кляйн изобрели свой «сумасшедший» метод биобаллистической трансформации, успешно примененный для получения трансгенных сортов табака, хлопка и так далее. Эмбриогенетические суспензии были идеальным материалом для биобаллистической обработки. Кроме того, они были единственным источником тотипотентных протопластов зерновых. Именно это направление мы и выбрали для дальнейшей разработки. В конце 1985 года мне предложили создать (совместно с Джозефом Нёсбергером, профессором физиологии зерновых) новый институт, совмещающий фундаментальные и прикладные исследования.

Так начиналась «рисовая» эпопея

Именно в это время наша команда пополнилась Свапаном Даттой, и мы приступили к работе с рисом.

Свапан Датта вместе со своей талантливой женой присоединились к нам, прослышав о моих экспериментах с протопластами. Однако я в то время был увлечен совсем другой идеей — развитием метода микроинъекции ДНК для трансформации клеток, окруженных клеточной стенкой. Это при том, что годы невероятных усилий не увенчались положительными результатами (в отличие от успехов с микроинъекцией ДНК в протопласты, которые не имеют такой стенки). Датта попросил разрешения работать внеурочно именно с культурами протопластов, и вскоре ему удалось получить первый трансгенный рис, устойчивый к гигромицину. Датта представил меня Гари Тенессену из Фонда Рокфеллера, который в то время инвестировал значительные суммы в программу биотехнологии риса. Правда, далеко не все эти деньги расходовались именно на работы с рисом. Финансово поддержанные фондом, мы уже в 1996 году получили первый рис, устойчивый к насекомым. Правда, к несчастью, мы, использовали дикий тип Bt, и потребовался еще год казуистики, пока не получили разрешения использовать синтетический ген от компании Сиба-Гайги. В начале 1990-х я узнал, что «продовольственное обеспечение развивающихся стран» имеет не только количественный аспект, но и качественный. Основные проблемы недоедания были идентифицированы с дефицитом железа, йода и витамина А. Этот момент и стал отправной точкой приключений «Золотого риса».

Когда традиционные решения
не приносят результата

Анемия, обусловленная дефицитом железа, является одним из самых распространенных и серьезных последствий нарушения питания. Недоеданию подвергаются более двух миллиардов людей, преимущественно женщин и детей. Последствием недоедания беременных женщин являются миллионы смертельных случаев среди матерей и младенцев при родах, а также кровоизлияния и сепсис в послеродовой период. У детей и подростков даже незначительное недоедание может вызвать нарушения умственного развития. Люди всех возрастов в условиях недоедания страдают ослаблением иммунной системы, ухудшением физического и умственного состояния, снижением работоспособности. Очень большую опасность представляет собой недополучение с продуктами питания адекватного количества железа, что и является основной причиной железодефицитной анемии. По данным ЮНИСЕФ, в мире два миллиарда человек страдают от такой анемии, а количество людей, испытывающих дефицит железа, почти вдвое больше — 3,7 миллиарда человек, подавляющее большинство из которых женщины. В странах Африки и Азии железодефицитная анемия является причиной 20 процентов смертей среди рожениц.

По причине недостаточности витамина А в мире ежегодно умирает один миллион детей. А еще 230 миллионов детей (по данным ВОЗ) живут под угрозой клинической или субклинической недостаточности витамина А, состояния, которое в большинстве случаев может быть предотвращено. Дефицит этого витамина делает детей особенно уязвимыми к любым инфекциям и осложняет протекание многих заболеваний, является также причиной слепоты среди детей, которая в развивающихся странах ежегодно поражает 500 тысяч детей. Обогащение пищи витамином А, по данным ЮНИСЕФ, на 23% снижает детскую смертность.

Каротиноиды, используемые организмом человека для получения витамина А, в зернах риса отсутствуют. Именно поэтому его недостаточность часто встречается там, где рис служит основной пищей. Количество железа в организме зависит как от его наличия в продуктах питания, так и от способности к его усвоению в процессе пищеварения. Лучше всего усваивается железо, содержащееся в мясных блюдах, богатых кровью и мышечной тканью. Однако из-за дороговизны и труднодоступности мяса в бедных странах основным источником железа в пище человека являются овощи, а усваиваемость этого железа гораздо ниже, чем железа, содержащегося в мясопродуктах. Более того, в растительной пище и в зерновых, включая рис, содержится фитиновая кислота, потенциальный ингибитор всасывания железа. Аскорбиновая кислота, которой богаты фрукты и некоторые овощи, стимулирует абсорбцию железа растительного происхождения. Однако диета населения развивающихся стран обычно также очень бедна фруктами и полноценными овощами. Именно поэтому профилактика железодефицитной анемии и недостаточности витамина А до недавнего времени велась в трех направлениях: распространением пищевых добавок (прежде всего витамина А в капсулах), повышением качества пищевых продуктов (например, добавлением железа в пшеничную муку) и путем повышения диетологической грамотности населения. И все же, по словам Пэра Пинструп-Андерсена, генерального директора Международного исследовательского института продовольственной политики, удовлетворительное решение этой проблемы появится только после того, как станет возможным восполнить отсутствие данных ключевых компонентов в повседневных продуктах питания.

Именно эту задачу мы перед собой и поставили. А поскольку в эндосперме риса провитамин А не содержался вообще, а железо присутствовало в минимальных количествах, зато было предостаточно ингибитора его всасывания, то решать ее можно было лишь методами генной инженерии.

Многие считали,
что шансов на успех
у нас не много

По поводу финансирования «рисового» проекта я обратился в крупнейшую в мире компанию по производству пищевых продуктов — Нестл (Nestle). Однако она, к счастью, не проявила заинтересованности. То, что это было действительно «к счастью», я понял лишь в ретроспективе, так как этот отказ оставил проект открытым для участия в нем общественных фондов, что впоследствии имело большое значение для возможности свободного распространения конечного продукта в развивающихся странах. Предложив заняться осуществлением этого проекта Питеру Буркхарду под патронажем Питера Бейера, мы обратились за помощью в финансировании в Фонд Рокфеллера. В ответ Гари Тенессен организовал для нас в 1992 году в Нью-Йорке конференцию «мозгового штурма». Большинство ее участников сделало вывод, что проект имеет не очень много шансов на успех, однако, ввиду его потенциальной важности, попытаться все же стоит. И действительно, существовало более ста научных причин, по которым невозможна была не только координированная работа задуманной системы ферментов, но и само ее существование. Все те, кто обладал необходимыми научными знаниями, имели полное основание не верить в успех эксперимента. После того как мы уже получили «Золотой рис», я узнал, что даже мой партнер Питер Бейер, а также научные консультанты совета директоров Фонда Рокфеллера, за исключением Ральфа Кватрано, не верили в осуществимость задуманного. Это демонстрирует преимущества моего неведения и моей наивности: с чисто инженерным складом ума я был непоколебимо оптимистичен и смог протолкнуть весь проект даже после того, как Фонд Рокфеллера прекратил финансирование группы Бейера.

Хотя в целом на реализацию проекта потребовалось восемь лет, первый прорыв произошел после того, как Питер Буркхарт в 1997 году продемонстрировал фенотипически нормальные, фертильные трансгенные растения риса, содержащие ген фитоен-синтетазы и вырабатывающие достаточное количество фитоена в своем эндосперме. Этот прорыв означал установление двух важных фактов: во-первых, принципиальную возможность вызвать отклонение системы в сторону синтеза бета-каротина, а, во вторых, то, что такое отклонение не будет иметь серьезных последствий для физиологии и развития растений. Реализация этой части проекта была завершена благодаря трудам Паолы Люкки, Андреаса Клёти и Ху Дон Е. Последний в течение года существенно изменил методику эксперимента и вывел 500 независимых трансгенных линий. Однако, так как в оранжерее места хватало только для 50 из них, он выбраковал наименее удачные 450 линий и до стадии зрелости довел только лучшие 50. Именно с ними он и выступил на прощальном симпозиуме, организованном 31 марта 1999 года, в тот день, когда я по возрасту вышел на пенсию. Именно тогда публике впервые был продемонстрирован богатый бета-каротином рис, зерна которого имели золотистый цвет различной интенсивности.

На этом же симпозиуме Паола Люкка сообщила о своем «рисе с высоким содержанием железа».

Статью нам вернули обратно

«Рисовый» проект был признан научным прорывом, так как стал первым случаем многоэтапной инженерии и включал в себя существенные технические достижения. К тому же это было весьма своевременной демонстрацией положительных достижений технологии ГМО. Мы отослали свою статью в журнал Nature вместе с сопроводительным письмом, объясняющим ее важность для текущих дебатов о ГМО. Однако редактор этого журнала не посчитал нашу статью достойной даже того, чтобы показать ее рецензенту, и немедленно вернул нам ее обратно, невзирая даже на поддержку известнейших европейских ученых. К счастью, о «Золотом рисе» прослышал Питер Рейвен из Ботанического сада Миссури, и в последнюю минуту пригласил меня на XVI Международный ботанический конгресс (август 1999 г.). Он также позаботился об организации пресс-конференции и убедил редактора журнала Science ознакомиться с моей статьей, которая тут же была принята к печати. Затем последовала презентация на Биотехнологической конференции журнала Nature в Лондоне, тематическая статья в журнале Time, многочисленные сообщения по телевидению, радио, в международной прессе. Однако простой пример демонстрирует различия в восприятии этих вопросов между Европой и остальной частью мира. После опубликования наших материалов в журнале Time планировалось, что они появятся в европейском издании на следующей неделе. Этого не произошло на протяжении следующего полугодия.

Пришлось преодолевать бюрократические преграды

«Золотой рис» создавался для бедного и неимущего населения развивающихся стран, испытывающего дефицит витамина А и железа. Этот рис бесплатно в неограниченном количестве должен был поступить к местным фермерам. Питер Бейер оформил заявку на патент, и мы с ним, как создатели, решили распространять эту технологию бесплатно. Учитывая, что в финансировании проекта были задействованы только общественные фонды, мы решили, что добиться задуманного будет не так уж и сложно. Тем более что позиция Фонда Рокфеллера и Швейцарского федерального технологического института по этому вопросу совпадала с нашей. Однако Европейская комиссия, предоставившая финансовую поддержку Питеру Бейеру, выдвинула условие, по которому промышленные партнеры проекта «Каротин плюс», небольшой частью которого стал и наш проект, могли предъявить права и на наши результаты. Так как ЕС приняла участие в финансировании нашего проекта лишь на самом последнем этапе и в весьма незначительном объеме, мы решили, что ее притязания не могут быть достаточно серьезными. Однако, как вскоре выяснилось, двум частным лицам отстоять свои права оказалось не под силу. Мы срочно нуждались во влиятельном партнере. Таковым стала компания «Зенека» (Zeneca), согласившаяся на наиболее щедрые условия распространения этой технологии в «гуманитарных целях». Именно «Зенека» и стала владелицей эксклюзивной лицензии на коммерческое применение нашей технологии, взяв на себя также и поддержку ее использования в гуманитарных целях. Особую роль в этом сыграл Адриан Дюбок, которому удалось преодолеть многие бюрократические преграды на пути новых технологий к наиболее нуждающимся в них.

По поводу практики патентования
в науках о жизни

Здесь уместно сделать более общее замечание по поводу патентов и ожесточенной оппозиции к практике патентования в науках о жизни. Так как мы не знали, сколько именно и какие конкретно права на интеллектуальную собственность мы затронули в процессе создания «Золотого риса», а возможность некоммерческого использования этой технологии требует полной законодательной «свободы действий», то Фонд Рокфеллера организовал проведение специального аудита в рамках ISAAA (Международная служба по внедрению сельскохозяйственных разработок). Его результат был шокирующим: потребовалось согласование по 70 отдельным патентам на интеллектуальную и техническую собственность, принадлежащим 32 различным компаниям и университетам. А тут еще возникли претензии ко мне по поводу соглашения о трансфере материалов, которое непосредственного отношения к «Золотому рису» не имело, однако здорово осложняло нам жизнь. Мне казалось совершенно недопустимым, даже аморальным, что достижение, основанное на исследованиях, проведенных в общественных институтах, исключительно на средства общественных фондов, и задуманное в гуманитарных целях, оказалось в руках тех, кто умудрился раньше запатентовать или приобрести права на технологии, дающие возможность дальнейшего развития. Получается, что, какое бы исследование ни проводил ученый, его результаты окажутся в руках промышленности (или некоторых университетов). Я уже готов был присоединиться к наиболее радикальным противникам патентования, как вдруг осознал, что без патентного права создание «Золотого риса» было бы просто невозможным. Ведь только благодаря патентованию создатели новых технологий не держали их в секрете, как это практиковалось еще не так давно, а делали их достоянием общественности. Поэтому бороться нужно не против патентной практики, а за ее рациональное применение. Благодаря нарастающему давлению со стороны общественности, все большее число ведущих компаний добровольно соглашаются на использование принадлежащих им патентов и лицензий в гуманитарных целях, если это не вступает в конфликт с их коммерческими интересами. Именно об этом и шла речь на сателлитной встрече в рамках Всемирного симпозиума по продовольственной ценности, состоявшемся в штате Айова в 2000 году и приведшему к согласию по этому вопросу всех участников, включая агробиотехнологические компании.

Испытание
на безопасность передачи технологии

Решив все научные проблемы и работая над получением «свободы действия», мы столкнулись с проблемой обеспечения безопасности передачи технологии. Причем эта проблема является гораздо более серьезной, чем может показаться на первый взгляд. «Золотой рис», как и любая технология ГМО, требует принятия всех мер предосторожности по соблюдению всех установленных правил и положений (а там, где их еще нет, их разработки и принятия). Для решения этой проблемы нам пришлось организовать «Гуманитарную коллегию «Золотой рис», активную поддержку секретариату которой оказал Адриан Дюбок из компании «Зенека». Кроме того, неоценимая помощь пришла к нам со стороны Катарины Дженни из ISCB (Индо-швейцарское сотрудничество в биотехнологии) — организации, финансируемой совместно Департаментом биотехнологии Индии и Швейцарской корпорацией развития. Благодаря этой организации, а также поддержке индийского Совета по сельскохозяйственным исследованиям, Индия взяла на себя лидирующую роль в освоении биотехнологий и может в этом вопросе служить моделью для других государств. Каждый проект проходит всесторонне обсуждение с тщательным сопоставлением всех «за» и «против», включая вопросы биологической доступности, пищевой ценности, токсикологии, риска возникновения аллергических реакций, социально-экономических и экологических последствий. Вся технология находится под непосредственным контролем со стороны институтов и университетов, гарантирующих соблюдение всех правил и предписаний. Кроме того, проводятся специальные исследования по адаптации новой технологии к местным условиям. Благодаря участию в финансировании этих проектов Всемирного банка и других международных финансовых организаций, дополнительные затраты на все эти исследования не сказываются на доступности новых технологий для местных фермеров.

Вызов оппозиции ГМО

«Золотой рис», воплотивший все пожелания ГМО-оппозиции, ранее высказанные в критических замечаниях по поводу применения новой технологии, полностью ниспровергает все ее аргументы против генетически модифицированных растений:

— «Золотой рис» не был создан ни индустрией, ни в интересах индустрии;

— его применение решает жизненно важную проблему путем совершенствования традиционного образа питания;

— решение проблемы долговременное, бесплатное, не требующее дополнительных ресурсов;

— не имеет побочных эффектов, характерных для «зеленой революции»;

— индустрия не получает выгоды от его применения;

— выгоду получают бедные и обездоленные;

— местным фермерам технология предоставляется бесплатно и без ограничений;

— не создает их зависимости от большой индустрии;

— может выращиваться без дополнительных вложений;

— не дает преимуществ богатым землевладельцам;

— может высеваться на следующий год из остатков собранного урожая;

— не сокращает сельскохозяйственное биологическое разнообразие;

— не влияет на природное биологическое разнообразие;

— до сих пор не выявлено никакого существенного негативного воздействия на окружающую среду;

— не выявлено также никакого существенного риска для здоровья потребителей;

— традиционными методами получить такой сорт невозможно и т.д.

Таким образом, оптимисты могли бы ожидать, что оппозиция одобрительно воспримет новую технологию. Но так как в действительности все происходит наоборот и оппозиция ГМО делает все от нее зависимое, чтобы помешать «Золотому рису» попасть в руки фермеров-производителей, мы пришли к выводу, что у организаторов этого противостояния существуют и другие, скрытые политические мотивы. Оппозицию беспокоят не столько забота об окружающей среде, здоровье потребителей, необходимость помощи бедным и обездоленным, сколько решительная борьба против технологии ради политического успеха.

Эпилог

Итак, получение «Золотого риса» стало возможным, поскольку:

— у меня было стабильное общественное финансирование на протяжении длительного периода времени, которое я мог использовать независимо от мнения других;

— в лице Питера Бейера я имел идеального партнера, понимающего фундаментальные основы науки и обеспечивающего

необходимую генную и аналитическую экспертизу;

— Фонд Рокфеллера в течение длительного времени охотно предоставлял дополнительную финансовую поддержку;

— Швейцарский федеральный институт технологии поддерживал концепцию стратегических исследований для развивающихся стран;

— проект был поддержан группой сотрудников-энтузиастов (свыше 60 человек), желающих сделать свой вклад в решение проблемы продовольственного обеспечения;

— моей наивности хватило для того, чтобы поверить в успех.

Сокращенный перевод
с английского
Оксаны ПРИХОДЬКО

* Индра Вэйзил — американский ученый, крупнейший специалист в области биотехнологии злаковых, президент Международной ассоциации по культуре тканей, клеток и биотехнологии растений.