Jak GMO mogą uratować cywilizację (i prawdopodobnie już ją mają)

Gościnny post Dr Dr. Michael Eisen, profesor biologii molekularnej i komórkowej w UC Berkeley

Długa historia modyfikacji genetycznych

Ludzie po raz pierwszy tysiące lat temu zaczęli zbierać i hodować jadalne ziarna, owoce i korzenie oraz zbierać dzikie zwierzęta na mięso, mleko i dobra materialne. Odtąd kształtujemy te rośliny i zwierzęta, aby zaspokoić nasze potrzeby i pragnienia. Porównaj kukurydzę z jej przodkiem, herbatą, bydłem, z żubrami, z których zostały pozyskane - lub z innymi uprawami i zwierzętami, na których polegamy ich dzikim krewnym - a znajdziesz niezwykłą historię ludzkiego rolnictwa i transformacyjnej mocy sztucznego wybór.

Sukces naszych przodków w tworzeniu nowoczesnej feudii udomowionych roślin i zwierząt jest tym bardziej niezwykły, że prawie całkowicie nie rozumieją, skąd pochodzą nowe cechy ani jak przechodzą z pokolenia na pokolenie. Nie wiedzieli, że każda ulubiona cecha pojawiła się w wyniku jednej lub więcej przypadkowych zmian - mutacji - w kod genetyczny gatunku, przekazany rodzicom i potomstwu w postaci DNA.

Niewidoczne dla rolników, pasterzy, piekarzy i piwowarów, których działania radykalnie zmieniły wygląd, smak, wzrost i zachowanie udomowionych roślin i zwierząt, tysiące lat sztucznej selekcji dokonało jeszcze bardziej zadziwiającej transformacji w składzie genetycznym tych gatunków. Do milionów pojedynczych zmian w literach kodu genetycznego - wraz z zyskami, stratami, duplikacjami i reorganizacją poszczególnych genów, a czasem poważnymi zmianami w strukturach całych chromosomów - teraz oddzielają udomowione uprawy i zwierzęta gospodarskie, na których polegamy pożywieniu od swoich przodków. Interwencja człowieka tak zmieniła bieg ewolucji, że biologowie uważają wiele udomowionych organizmów za zupełnie nowy gatunek naszego własnego stworzenia.

Tak więc, podobnie jak historia ludzkości jest historią rolnictwa, jest to także historia modyfikacji genetycznych roślin, zwierząt i drobnoustrojów - która umożliwiła ludzkości pokonanie niezliczonych przeszkód, które napotkali przez tysiąclecia. Można śmiało powiedzieć, że bez systemowej modyfikacji genetycznej upraw i zwierząt gospodarskich cywilizacja nie istniałaby.

Ludzkość stoi teraz przed nowym i zniechęcającym zestawem wyzwań, a rolnictwo znów znajduje się w centrum. Musimy wyżywić rosnącą populację, ale rolnicy i ich uprawy starają się przystosować do wyższych temperatur i zmienionych warunków pogodowych. A zwierzęta gospodarskie, będące filarem naszego systemu żywnościowego przez tysiąclecia, są głównymi winowajcami zmian klimatu, niedoborów wody, utraty różnorodności biologicznej oraz masowej degradacji i niszczenia lasów i innych ekosystemów - zmuszając nas do szybkiego przejścia na dietę opartą głównie na roślinach.

Aby sprostać tym wyzwaniom, musimy zastosować wszystkie dostępne narzędzia technologiczne. Obejmuje to nasze znacznie lepsze zrozumienie mechanizmów dziedziczności i molekularnej podstawy interesujących nas cech oraz potężne nowe narzędzia, które pozwalają nam modyfikować DNA w celu wygenerowania określonych cennych cech, zamiast czekać na ich losowe dostarczenie wiatry mutacji.

Ale proces modyfikacji genetycznej, mający kluczowe znaczenie dla postępu w rolnictwie na przestrzeni dziejów, stał się kontrowersyjny. Jako genetyk, który na co dzień korzysta z nowoczesnych narzędzi do modyfikowania DNA w swoich badaniach i uczy tych metod oraz związanych z nimi problemów, martwię się, że niewłaściwe obawy dotyczące ich zastosowania w rolnictwie utrudnią nasze wysiłki w zakresie zmian klimatu, żywności niepewność i degradacja naszego środowiska naturalnego.

Od losowej do kontrolowanej modyfikacji genetycznej

Tworzenie nowych genomów poprzez celową selektywną hodowlę to starodawne przedsięwzięcie ludzkie, ale ostatnie postępy w biologii molekularnej sprawiły, że proces ten jest bardziej precyzyjny, ukierunkowany, przewidywalny, skuteczny i bezpieczny.

Po pierwsze, nie musimy już polegać na losowych mutacjach (wynikach błędów, które występują podczas kopiowania i przesyłania materiału genetycznego między pokoleniami) jako źródła nowych korzystnych cech. Zamiast tego możemy edytować genomy w taki sam sposób, w jaki używasz edytora tekstu, dostosowując DNA po jednej literze lub wycinając, kopiując i wklejając w obrębie lub pomiędzy gatunkami mniej więcej do woli.

Po drugie, dzięki naszemu coraz lepszemu zrozumieniu podstaw genetycznych ważnych cech u roślin i zwierząt oraz potężnym narzędziom do zrozumienia konsekwencji zmian zarówno na poziomie molekularnym, jak i fizjologicznym, możemy być znacznie bardziej konserwatywni i precyzyjni dzięki modyfikacjom, które przedstawiać.

Krytycy inżynierii genetycznej przedstawiają współczesnych naukowców zajmujących się rolnictwem jako bawiące się w Boga w niebezpieczny sposób z nieznanymi konsekwencjami. Ale w rzeczywistości poziom kontroli tych nowych narzędzi pokazuje nam, że to nasi przodkowie grali w nieprzewidywalną grę w genetyczną ruletkę. Za każdym razem, gdy dawni rolnicy i hodowcy hodowali roślinę lub zwierzę ze stada udomowionego lub krzyżowali je z dzikimi odmianami, tworzyli genom zupełnie nowy na naszej planecie. Te losowo utworzone GMO różniły się od tych, które je poprzedziły, w sposób, który był znacznie większy i miał znacznie mniej przewidywalne konsekwencje niż te stworzone przez nowoczesną, celową inżynierię genetyczną. Następnie wprowadzili wyniki tych niekontrolowanych eksperymentów genetycznych do zasobów żywności, ślepi na konsekwencje i bez nadzoru.

Natomiast dzisiejsze organizmy genetycznie zmodyfikowane są niezwykle skromne. Obejmują one mniejsze, dokładniej przemyślane, kontrolowane i konserwatywne zmiany w DNA niż kiedykolwiek było to możliwe w historii ludzkości.

Nie oznacza to, że proces jest doskonały.

Mamy niepełne zrozumienie biologii, a nawet celowe, precyzyjne zmiany mogą mieć niezamierzone konsekwencje lub, częściej, po prostu nie przynieść pożądanych pozytywnych efektów. Jednak biorąc pod uwagę palącą potrzebę dalszej poprawy gatunków żywności, musimy odżywiać dziesięć miliardów ludzi - minimalizując wpływ rolnictwa na nasz klimat - pełne wykorzystanie korzyści płynących z naszego nowoczesnego repertuaru technik genetycznych nie jest żadnym problemem. Liczy się nie to, jak tworzymy organizmy z nowymi genomami, ale to, co tworzymy i jak przyniesie to korzyści ludzkości.

Inżynierowane drobnoustroje w medycynie i żywności

Chociaż współczesna modyfikacja genetyczna do zastosowań przemysłowych (w przeciwieństwie do badań) jest najlepiej znana w roślinach uprawnych, zaczęła się w drobnoustrojach, gdzie prawie natychmiast wniosła transformacyjny, ratujący życie wkład w medycynę.

Trzy miliony Amerykanów ma cukrzycę typu 1, chorobę, w której ich ciała przestają wytwarzać niezbędny hormon insuliny. Cukrzyca typu 1 była śmiertelna aż do wczesnych lat XX wieku, kiedy kanadyjscy naukowcy wykazali, że można ją leczyć poprzez codzienne wstrzykiwanie insuliny oczyszczonej od świń. Chociaż utrzymywała ludzi przy życiu, insulina wieprzowa nie była doskonałym zamiennikiem ludzkiego odpowiednika i często prowadziła do reakcji immunologicznych.

Pod koniec lat siedemdziesiątych badacze z małego kalifornijskiego startupu biotechnologicznego z powodzeniem opracowali szczep bakterii E. coli, który przenosił ludzki gen na insulinę, umożliwiając mu wytwarzanie go do iniekcji przez diabetyków. Ta rekombinowana ludzka insulina jest bezpieczniejsza, bardziej niezawodna i skuteczniejsza niż insulina wieprzowa i ma ogromny pozytywny wpływ na życie ponad 100 000 dzieci i młodzieży, u których każdego roku zdiagnozowano cukrzycę typu 1. Dziesiątki ratujących życie leków i szczepionek - stosowanych w zapobieganiu lub leczeniu zawałów serca, raka, zapalenia stawów i poważnych infekcji - są obecnie wytwarzane przez genetycznie zmodyfikowane bakterie i drożdże.

Ten sam proces jest coraz częściej wykorzystywany do produkcji białek używanych w żywności. Najbardziej znanym przykładem jest chymozyna, enzym stosowany do zwijania mleka do produkcji sera. Chymozyna znajduje się w żołądkach małych ssaków, a jej zsiadłe działanie ułatwia ekstrakcję składników odżywczych z mleka ich matek. Producenci serów tradycyjnie otrzymywali chymozynę w podpuszczce, preparat zsiadłego mleka pobierany z żołądków ubitych cieląt. Jednak rosnące zapotrzebowanie na ser spowodowało potrzebę bezpieczniejszego, bardziej spójnego i opłacalnego zamiennika podpuszczki.

Ponad 25 lat temu, zainspirowani sukcesem rekombinowanej insuliny, naukowcy w Europie wprowadzili gen kodujący chymozynę bydlęcą do komórek drożdży, który umożliwia drożdżom wytwarzanie chymozyny, którą można wyekstrahować i oczyścić do użycia w serze. Chymozyna wytwarzana w procesie fermentacji (FPC) była pierwszym rekombinowanym białkiem zatwierdzonym do stosowania w żywności przez Amerykańską Agencję ds. Żywności i Leków. Obecnie około 50% sera produkowanego na całym świecie produkuje się przy użyciu FPC zamiast białka ekstrahowanego z żołądków cielęcych, a światu jest lepiej.

Od sera do mięsa

Kilka lat temu firma Impossible Foods, której doradzałem od momentu jej powstania, stanęła przed podobnym wyzwaniem. Firma Impossible Foods została założona w celu rozwiązania problemu zmian klimatu poprzez wyeliminowanie potrzeby rolnictwa zwierzęcego, najbardziej niszczącej środowisko działalności człowieka i głównego źródła gazów cieplarnianych, które napędzają globalne ocieplenie. Ich misją jest zastąpienie zwierząt jako technologii żywności poprzez identyfikację składników z roślin, które mogą być użyte do odtworzenia skomplikowanych tekstur, smaków i wyglądu mięsa, ryb, nabiału, jaj i innych pokarmów, które tradycyjnie otrzymujemy od zwierząt.

Ich pierwszy produkt, The Impossible Burger, jest wytwarzany prawie w całości ze zwykłych upraw: pszenicy, kukurydzy, soi, kokosa i ziemniaków. Ale kluczowy składnik, hema, cząsteczka, która nadaje mięsu krwisty smak, gdy jest surowy, i tworzy intensywne, mięsne smaki i aromaty po ugotowaniu, nie jest tak łatwy do zdobycia. Głównym źródłem hemu w mięsie jest białko mioglobina. Okazuje się, że soja wytwarza funkcjonalnie identyczne białko znane jako leghemoglobina. Niestety jest on robiony w korzeniach, a wykopywanie korzeni soi jest trudne, kosztowne i straszne dla gleby.

Zamiast tego naukowcy z Impossible Foods opracowali rodzaj drożdży, aby uzyskać leghemoglobinę sojową. Podobnie jak w przypadku chymozyny, hodują te drożdże w fermentorach takich jak te, które można znaleźć w browarze, ale zamiast robić piwo, otrzymują dużo leghemoglobiny i mogą wytwarzać je po cenie, która pozwala im sprzedawać hamburgery po konkurencyjnej cenie.

Teraz, jeśli nie lubisz inżynierii genetycznej, możesz argumentować, że nie potrzebujemy mięs pochodzenia roślinnego. Ludzie mogą (i wielu tak robi) prowadzić całkowicie zdrowe i szczęśliwe życie, jedząc inne produkty roślinne. Jednak mięso - w wielu postaciach - jest integralną częścią globalnej diety, a nawet gdy ludzie zdają sobie sprawę z wpływu mięsa na środowisko, światowe spożycie stale rośnie, a nie spada.

Zapewnienie alternatyw dla mięsa zwierzęcego wytwarzanego z roślin, które są równie atrakcyjne dla konsumentów, dramatycznie spowolniłoby globalne ocieplenie i ograniczyłoby inne negatywne oddziaływanie hodowli zwierząt na środowisko. Ale żeby to zrobić, potrzebujesz dużo hemu; a żeby zdobyć hem, potrzebujesz inżynierii genetycznej.

Ponieważ Impossible Burgery wykonane z leghemoglobiny wytwarzają 87% mniej gazów cieplarnianych, wymagają 95% mniej ziemi i zużywają 75% mniej wody do produkcji niż burgery od krów, byłoby to rażąco nieodpowiedzialne dla planety i jej mieszkańców, aby nie podążali tą ścieżką.

Inżynieria genetyczna dla zdrowej planety

Chociaż uważam, że większość obaw związanych z istniejącymi GMO jest niewłaściwa, rozumiem, że ludzie mają pytania i obawy dotyczące GMO. Nowe narzędzia, które zwiększają wydajność i precyzję procesu, zwiększają jego wydajność. Nawet naukowcy tacy jak ja, którzy codziennie manipulują DNA, mają coś niesamowitego w naszej zdolności do inżynierii życia.

Ludzie mają długą historię wykorzystywania możliwości, jakie dają potężne nowe technologie w celu poprawy naszego życia, ale niektórzy wykorzystują je również nieodpowiedzialnie. W świecie rządzonym przez dążenie do zysków istnieje zbyt wiele przykładów ludzi korzystających z technologii w celu wzbogacenia się kosztem zdrowia i bezpieczeństwa ludzi i planety. Naukowcy nie mogą beztrosko powiedzieć: „Nie martw się. Zaufaj nam."

Istnieje ryzyko związane z użyciem lub niewłaściwym wykorzystaniem dowolnej technologii, a inżynieria genetyczna nie jest wyjątkiem. Jednak w obliczu egzystencjalnych zagrożeń związanych ze zmianami klimatu, zniszczeniem naszego naturalnego świata oraz rosnącym brakiem bezpieczeństwa żywnościowego i żywieniowego, ryzyko nieuzasadnionego odrzucenia postępu we współczesnej biotechnologii jest znacznie większe.

Aby to zadziałało, musimy zdobyć zaufanie ogółu społeczeństwa. Zaczyna się od przejrzystości - dokładnie wyjaśniając, co robimy i dlaczego. Wymaga zaangażowania każdego naukowca i organizacji stosującej biotechnologię, aby zadać sobie pytanie, czy przyjmujemy właściwe podejście. I wymaga edukacji, wysłuchania i zaangażowania krytyków.

Sześć lat temu zgodziłem się służyć jako doradca naukowy Impossible Foods, ponieważ wierzę w ich misję. Innowacje w sposobie uprawy i produkcji żywności to dla naukowców jeden z najlepszych sposobów rozwiązywania problemów, przed którymi dziś stoimy. Impossible Foods jest modelem odpowiedzialnego wykorzystania biotechnologii z korzyścią dla planety i jej mieszkańców.

Sprawdź lokalizacje serwujące Impossible Burger i nasze FAQ, aby uzyskać więcej informacji. Więcej pytań? Skontaktuj się z nami pod adresem hello@impossiblefoods.com.

Dr Michael Eisen jest profesorem biologii molekularnej i komórkowej w UC Berkeley, badaczem w Howard Hughes Medical Institute i współzałożycielem Public Library of Science. Jest doradcą Impossible Foods i udziałowcem spółki. On trzyma B.S. w matematyce i doktorat biofizyka, oba z Harvard University. Był doktorem habilitowanym w latach 1996–2000 w laboratorium Uniwersytetu Stanforda Patricka O. Browna, CEO i założyciela Impossible Foods. Od 2000 roku dr Eisen jest na wydziale UC Berkeley, gdzie uczy genetyki i prowadzi laboratorium badawcze badające, w jaki sposób genomy zwierząt kodują przestrzenne wzorce ekspresji genów podczas rozwoju.