«Этот генетический инструмент обладает огромной силой и затрагивает всех нас. Он не только произвел революцию в фундаментальной науке, но и привел к созданию инновационных сельскохозяйственных культур и станет основой для новаторских методов лечения»,— говорил Клаес Густафссон, председатель Нобелевского комитета по химии, вручая в 2020 году премию Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Дудне за открытие технологии CRISPR/Cas9. Что с революцией в агроселекции? Рассказывает Илья Киров, доктор биологических наук, профессор, заведующий лабораторией системной геномики и мобиломики растений МФТИ.
Многие признаки, которые сейчас есть у сельхозкультур, появились в результате селекции, которая шла, например, у пшеницы больше 10 тысяч лет. В наше время это непозволительно долго. Потому что новые сорта должны отвечать идущему изменению окружающей среды, новым потребительским характеристикам и многим другим факторам. Климат меняется. Насекомые, которые раньше жили на юге, перемещаются на север. Перемещение насекомых — это перемещение вирусов. То есть выращивали культуру в средней полосе, пришли насекомые, принесли вирусы, и растения в средней полосе стали заболевать, потому что у них не было устойчивости к этим вирусам.
Когда у людей был ковид, ученые быстро сделали вакцину, всех провакцинировали, и это сгладило ущерб. А что будет, если появится у нас вирус, к которому не будет устойчива пшеница? Надо получать новые сорта. С обычной скоростью мы лет 10 будем сидеть без пшеницы вообще.
У человечества всегда было желание комбинировать различные признаки или создавать новые в растениях. Чтобы получить новый сорт, нужно было скрещивать лет десять. Например, масличность семян подсолнуха. До работ Василия Степановича Пустовойта, советского селекционера, она была очень низкая. Своей работой он опроверг мнение ряда ученых того времени, считавших, что масличность семян 30–33% — это максимум, физиологический барьер для семян подсолнечника, который невозможно преодолеть. На создание первого сорта с масленичностью 36% у селекционера ушло 13 лет. Затем Пустовойт довел масличность семян до 52–54%. Генотип, который он получил с помощью мутагенеза, разошелся уже по всему миру, и сейчас его можно найти практически в каждом подсолнухе.
Когда у Дженнифер Дудны спросили, где будет впервые применена изобретенная ею методика CRISPR/Cas редактирования генома, она сказала: сельское хозяйство. Не медицина. Хотя Дудна биохимик. Сейчас у нее несколько компаний, и одна из них занимается только растениями.
Но к 2025 году с первой публикации про CRISPR/Cas прошло 13 лет. И сказать, что революция в селекции произошла, мы не могли.
Почему? Потому что нужны были дополнительные инновации, чтобы CRISPR/Cas действительно стал простым инструментом. Чтобы он сработал, его нужно доставить в клетки в живом растении. Обычно это делается с помощью агробактерий. В них засовывается геноредактор, агробактериями обрабатываются определенные части растения. Но заражаются только отдельные клетки. Получаются мозаики: одни клетки отредактированы, другие нет.
Дальше приходится делать регенерацию — буквально выращивать целое растение из кусочка листа, из отдельных клеток. Процесс оказался крайне дорогим. К нему многие культуры вообще не способны. Как, например, подсолнечник — он не может так легко регенерировать. У кукурузы чуть ли не 90% сортов тоже не могут регенерировать так просто.
Это оказалось бутылочным горлышком. CRISPR/Cas работал, но использовать его в промышленности было невозможно.
Прорыв в конце 2025 года
Но совершенно недавно появилось несколько прорывных работ — те самые трансформирующие инновации, благодаря которым открылось будущее. Это три направления.
Первое — были обнаружены вирусы, которые могут доставлять CRISPR/Cas белки в растения. Их искали больше 10 лет. Вирусы растений не могут переносить вставки в свой геном больших фрагментов. Вся последовательность CRISPR-системы размером практически с геном вируса растения. И когда в вирус вставляют такой большой чужеродный фрагмент, вирус умирает. Но оказалось, что в природе есть некоторые вирусы, которые способны это перенести.
Второе — обнаружились другие системы редактирования, альтернативы CRISPR, такие как TnpB и IscB. Их особенность в том, что они в три раза меньше, чем белок Cas9. И это значительно расширило список вирусов, которые можно использовать для доставки. А третье — это появление методов искусственного интеллекта, которые позволяют целенаправленно предсказывать новые белки и точнее их направлять на мишень.
А третье — это появление методов искусственного интеллекта, которые позволяют целенаправленно предсказывать новые белки и точнее их направлять на мишень.
Но самое важное из этого то, что нашли белки в три раза меньше, чем Cas9. Вирусы, которые способны нести полный редактор CRISPR/Cas9, распространялись по растению, но никогда не заходили в клетки, из которых появляются семена.
У растений есть особые клетки в центре розетки (это так называемая меристема), из которых образуются новые органы, листья, цветочки и так далее. Они суперзащищены. Все понимали одну простую истину, что редактирование можно сделать намного проще, если мы сможем доставить редактор вот в эти самые клетки. Тогда редактирование произойдет во всем растении, все листья, все цветочки, а значит и семена будут с мутацией. Это ключ.
Известны вирусы, которые могут заходить в меристему. Но эти вирусы не могли нести огромную CRISPR/Cas9. И тут на сцене появились мини-редакторы. Первые, у кого получилось доставить в меристему этот новый геноредактор, это японцы. Практически одновременно вышла работа все той же Дженнифер Дудны со Стивом Якобсом. Это было в конце 2025 года.
Мы у себя в лаборатории на Физтехе тоже работали с вирусом, который заходит в меристему. И редактирование мы тоже делали. Мы тут же, в конце прошлого года, повторили все, что сделали американцы. Не всю работу, а ключевой результат, скажем так. Три недели у нас ушло на это. Сейчас мы выстроили платформу, которая позволяет делать полный цикл исследований. От настройки редактора до выбора мишени, тестирования и получения даже растений уже исходных.
Редактирование до этого занимало около двух лет. И 90% времени уходило на то, чтобы вырастить растение из одной клетки. И зачастую эту процедуру надо оптимизировать под конкретные сорта.
Сейчас время первых шагов, но уже на модельных объектах понятно, как это должно происходить. У вас есть редактор, который настроен на природный ген. Растения просто растут в горшке. Мы вносим этот редактор в растение. Дальше вирус начинает размножаться, идет в меристему, делает там мутации. И все, что из нее появляется, листья, цветки, семена, несут эти мутации. Эффективность редактирования в пересчете на число растений следующего поколения, несущих желаемую мутацию, доходит до 100%.
Так весь срок сокращается с двух лет до полутора месяцев. Мы говорим о том, что редактирование стало частью жизненного цикла растения. Не как раньше: мы брали кусочек листочка, два года выращивали, регенерировали. Ничего такого нет. Уходит 90% затрат, времени и сил!
У нас теперь цель — чтобы любой студент мог получить растения с мутациями в 10 генах в рамках своего диплома. Раньше это была большая работа, масштаба кандидатских и докторских. Это было очень тяжело. Произошла трансформация всего ландшафта редактирования. Всего. Спираль пошла вверх.
Мы снова вернулись к идее комбинировать признаки, избегая скрещиваний, избегая десятилетий. Как это будет выглядеть уже в ближайшие несколько лет? В течение 10 лет это захватит значительную часть селекционного процесса. Будут селекционеры нового формата, которые будут совмещать классическую селекцию с генной инженерией. И без этого невозможно будет селекции выжить как таковой. Потому что если вы делаете исходный материал для селекции за 20 лет, а рядом это делают за полгода, вы не можете конкурировать. Это все равно что все летают на самолетах, а вы ездите на телеге и говорите, что сейчас всех обгоните. Не получится.
То есть в ближайшие 10 лет будет разворачиваться интересная конкуренция в области того, кто быстрее всех выстроит систему точного редактирования для главных сельхозобъектов: пшеницы, сои, рапса, кукурузы, конечно же риса. У кого будут такие платформы, тот и будет лидером. И важнейшее здесь направление будет, у того, кто сможет не просто делать мутации, то есть отключать гены, а у того, кто сделает платформу, инструментарий, удобный для селекционера. И у кого будет инструментарий настолько сильный, пластичный, чтобы можно было сделать любые изменения с любым геном. Сейчас мы пока первые шаги делаем в том, чтобы выключать гены. Но будущее за тем, кто будет вносить точные изменения. То есть один нуклеотид заменить на другой, вставить два, точно зная, где. И таким образом мы перейдем к направленной эволюции отдельных генов. Это уже делается сейчас, но это крайне сложно.
В ближайшем будущем выстроятся платформы, которые позволят перейти к следующему шагу, когда мы сможем четко моделировать фенотип будущих культур. Сейчас мы это делать не можем. Объективно предсказать, какой будет фенотип по геному, по ДНК, невозможно. В животноводстве некоторые признаки хорошо предсказываются, например у коров предсказательная способность порядка 90%. То есть вы можете предсказать надои на 90% по ДНК. Это потому что у этих коров несколько десятков быков-осеменителей, про которых известно все, поэтому легко предсказать.
У растений это невозможно. Была конференция в США, и там была целая секция о том, можем ли мы предсказывать фенотип растений по генотипу. И заключение было одно, что мы еще не достигли такого уровня, чтобы по ДНК сказать, какой будет фенотип. Потому что растения очень разные. Два сорта друг от друга могут отличаться на 30% по ДНК. А 30% это разница примерно как между нами, людьми, и мышами. А тут два сорта просто. Чтобы предсказывать точно, нужно много растений, отличающихся одним или другим геном.
Когда у нас появляется возможность точно изменять тот или иной ген, то мы сможем делать популяции растений, которые просто будут его нести. По всем тысячам генов, которые есть, будут разные комбинации. Я уверен, это произойдет в ближайшие 10 лет.
Нужно, чтобы синхронно развивались методы. Во-первых, фенотипирование, то есть насколько растения можно скринировать. Вы вырастили сорта с разными мутациями. А как оценить, что признак поменялся? Простые признаки, такие как разная высота растений, легко оценить. А есть сложные признаки, например засухоустойчивость. Нужна система скрининга. Во-вторых, параллельно будет развиваться предсказательная система. И в-третьих, самое главное, идет развитие целого пула технологий по поиску новых белков бактерий, которые способны не просто вносить точечные изменения, а способны перемещать большие куски, переворачивать их. Это крайне важно.
Это следующие глобальные шаги. Начали с того, что в одном гене мы делали делецию, выключали его. Потом мы переходим к тому, что в любом гене сможем сделать любые изменения. Дальше мы перейдем к тому, что будем изменять, убирать, переворачивать целые куски ДНК. Это один из главных источников разнообразия. Это не просто точечные изменения, это большие перестройки.
У растений есть 30 тысяч генов. Чтобы изучить, как работает ген — а именно это нам нужно, чтобы понять, с каким признаком он связан,— нам нужно уметь его регулировать. Сейчас это занимает годы. Много ли мы успели изучить, если два года уходит, чтобы один такой тумблер подкрутить, понимаете?
Берем один сорт и подкручиваем один ген, другой, третий. У кого-то пять, у кого-то десять одновременно. Затем расшифровываем, находим, у кого что подкручено, сопоставляем с данными фенотипа и делаем модель этого конкретного сорта. И дальше нам не надо будет всю эту работу снова делать. Мы уже будем знать, что нужно подкрутить у этого сорта, чтобы он стал более засухоустойчивым. Но все эти тумблеры не изолированы. Крутишь один, а меняется в лучшем случае десяток вещей, а может тысяча. Мы подкрутим вот этот, он сделает растение засухоустойчивым, но оно, например, цвести будет раньше.
Это очень сложная система. С этим можно будет работать, если мы сможем просто делать небольшие популяции. Чем проще будет технология, а мы сейчас говорим о реальной трансформации редактирования растений, тем больше лабораторий получат доступ, тем больше растений будет вовлечено в эти исследования и тем быстрее мы перейдем к предсказаниям. Это уже даже не селекция будет, это что-то будет иное. Мы перейдем к получению растений с заданными свойствами. При этом это не ГМО: мы не привносим чужеродные гены, мы лишь меняем те, что у него есть.
Ближайшее будущее
На первом этапе будем пытаться внести те изменения, которые уже есть в природе. Берем короткостебельную пшеницу. Вот наш сорт, который всем хороший, но он длинный, он склонен к полеганию. Мы знаем, какой ген короткостебельности. Селекционер что бы сделал? Скрестил с короткостебельным, и 10 лет скрещивал бы, пока не получил бы то, что нужно. Мы не будем этого делать. Мы знаем, как контролируется признак короткостебельности. У нашего сорта, у того сорта, у них есть один и тот же ген, но варианты разные. Мы уже знаем, как выглядит тот ген, который обеспечивает короткостебельность. Мы знаем, что у того гена первая, десятая, пятнадцатая, двадцатая позиция, такие буковки, а у нашего другие. Мы просто их меняем. То есть мы превращаем наш вариант гена в тот вариант, который короткостебельный. Получаем абсолютно то же самое, даже лучше на самом деле, что получил бы селекционер за 10 лет. Мы получаем намного быстрее. Это реально за полгода, например. Потом потихонечку будем переходить к тем признакам, которых вообще нет в природе.
К середине XX века в сельском хозяйстве использовали огромное количество минеральных удобрений. Но из-за высоких концентраций питательных веществ в почве злаки быстро росли, набирали зеленую массу, а затем полегали. При этом основным продуктом оказывались солома и листья. В 1944 власти Мексики, озабоченные неурожаями в стране, пригласили группу агрономов из США, в которую входил генетик Норман Борлоуг. Для борьбы с полеганием Борлоуг предложил использовать растения с коротким стеблем. Он скрещивал местные сорта с карликовыми сортами из Японии. За 12 лет Борлоуг вывел множество высокоэффективных сортов пшеницы (в том числе с коротким стеблем), устойчивых к полеганию. Уже к 1951–1956 годам Мексика полностью обеспечила себя зерном и начала его экспорт. Страна за 15 лет увеличила производство пшеницы в три раза (на аналогичный прирост Европе потребовалось 150 лет) и из крупнейшего импортера превратилась в экспортера зерна.
Разработки Борлоуга были использованы в селекционной работе в Колумбии, Индии, на Филиппинах, в Пакистане. В 1970 году Борлоуг получил Нобелевскую премию мира с формулировкой «За вклад в решение продовольственной проблемы, и особенно за осуществление Зеленой революции».
Еще одно направление — растения-биофабрики. Когда в растениях производятся антитела. Это уже делается. Но мы можем сделать растения более подходящими для этого. Мы сейчас делаем, например, растения табака, в которых отключена значительная часть иммунной системы. Когда мы в них приносим какой-нибудь ген, который нужен, чтобы произвел белок, то они должны это лучше воспринимать. Это мы поймем до конца года.
То же самое с культурными растениями. Недавно была потрясающая работа, в которой сделали томат. При выращивании томатов используют гибридные семена. Их получают, скрещивая два растения. Обычно это ручной труд. Очень дорогой, долгий. А есть роботы, которые позволяют пыльцой опылять. Но у многих сортов томата так устроен цветок, что роботу тяжело это сделать. И сейчас с помощью геномного редактирования ученые сделали более открытой форму цветка, и теперь работу с ним можно роботизировать. То есть выращивание растений становится более технологичным. Таким образом, снизится себестоимость и появится больше доступа к тем сортам, которые считаются суперэлитными — чьи плоды стоят очень дорого, поскольку их сложно выращивать. У человека появится возможность разнообразить свой стол совершенно разным продуктами.
Гонка по вертикали
Сейчас уже началась гонка за разработкой методов редактирования. Думаю, в ближайшие два года будут результаты по всем главным сельхозкультурам. Владельцы, естественно, разбогатеют — потому что они будут управлять селекцией. Все наши крупные поставщики уже занимаются редактированием своих сортов. Именно поэтому у них селекция сейчас будет идти еще быстрее.
Нам надо успеть самим создать эти технологии. У нас огромное количество земель, которые не пашные, на которых надо сеять очень стрессоустойчивые растения. Растение — одно из первых звеньев во всех пищевых цепочках. Все, что мы едим, так или иначе связано с растениями. Все, что мы носим, так или иначе связано с растениями. Поэтому, когда сейчас появилась возможность формирование тех или иных свойств намного быстрее, в 10 раз быстрее, это изменение коснется почти всех сфер жизни человечества.
Когда основные сельхозкультуры адаптируют, очень быстро начнется гонка за поиском мишеней, то есть какие гены подкрутить нужно, в какой комбинации, какие варианты. И если это будет патентабельно, то гонка будет еще быстрее. Например, гербицидоустойчивость. Что делает одна из самых гигантских компаний — Syngenta. Они выводят сорта с определенными модификациями, используют искусственный интеллект, редактируют. В результате, когда вы покупает их сорт, вам сразу говорят, как его выращивать, какой техникой обрабатывать, какими удобрениями подкармливать. Они к этому сорту идеально подходят. Вот гербицид, к которому он устойчив. Посадили, полили один раз, а не десять. Все сорняки умерли. Ваши прекрасные растения стоят. Все дешевле, все хорошо. Сингента богатеет.
Компания Syngenta — образована в Швейцарии в 2000 году. Представительства работают в 90 странах мира, в том числе в России. Основные направления деятельности — производство средств защиты растений, регуляторов роста и семян полевых, овощных и цветочных агрокультур. Выручка в 2014 году — $15,1 млрд, в том числе от продажи семян — $3,2 млрд, средств защиты растений — $11,4 млрд.
Нам нужен будет пул очень сильных ученых, которые будут действительно быстро изучать то, как контролируется, формируется тот или иной признак. По факту это будет тесная связь статистиков, селекционеров и тех, кто редактирует геномы.
Год 2026-й будет в значительной степени переломным: кто первый сделает редактирование на разных сельхозкультурах. У нас в лаборатории тоже есть культуры, с которыми мы сейчас работаем. С одной стороны, мы генерируем новые варианты редакторов следующего поколения. С другой — у нас выстроен своеобразный конвейер по тестированию нового поколения редакторов на модельных, а затем сельскохозяйственных культурах. Благодаря тому, что у нас все технологии собраны в одном месте, мы это очень быстро делаем.
