Колорадский жук настолько разрушителен, что восточногерманская пропаганда однажды обвинила Соединенные Штаты в том, что они забрасывают хищных насекомых на картофельные поля страны. « Halt amikäfer » — что означает «Остановите американского жука» — говорилось в брошюре 1950 года. Нет никаких доказательств того, что красочный вредитель использовался в качестве формы биологического оружия. Но немецкие фермеры, выращивающие картофель, а также фермеры во многих других странах, продолжают бороться с жуком и по сей день.
Уроженец Скалистых гор, этот жук сейчас встречается по всему Северному полушарию, ежегодно вызывая потери урожая на сумму более полумиллиарда долларов. Это мастер сопротивления, поэтому его трудно контролировать. Этот вредитель был одной из первых движущих сил исследований химических пестицидов, начиная с 1930-х годов. С тех пор у него развился иммунитет к одному соединению за другим — теперь это более 50 пестицидов, представляющих все основные типы активных ингредиентов.
«Они жевали обработанные растения так, как будто это ничего не значило», — говорит Андрей Алёхин, энтомолог из Университета штата Мэн, о моменте в 2001 году, когда фермеры в штате Мэн заметили, что новый класс пестицидов, неоникотиноиды, не был полезен. дольше контролировать жука. Поиск дополнительных инструментов становится «все труднее», добавляет он.
Однако в этом году у американских фермеров появится новое оружие против вредителя, которое действует совершенно иначе, чем традиционные пестициды, и которое, по словам сторонников, должно быть безопаснее для людей и окружающей среды. Основанный на механизме, называемом РНК-интерференцией (RNAi), спрей нацелен на жизненно важный ген колорадского жука. Ген-мишень уникален для вредителя и его близких родственников, что должно предотвратить ущерб опылителям и другим видам. «Вы можете ... поразить насекомое, которое хотите убить, с точностью», — говорит Субба Редди Палли, энтомолог из Университета Кентукки, опубликовавший в прошлом году обзор в Frontiers in Insect Science , в котором описывалась разработка пестицидов на основе РНК. «Вы не можете получить ничего лучше этого».
Пестицид, продаваемый компанией GreenLight Biosciences под названием Calantha, получил одобрение Агентства по охране окружающей среды США (EPA) в январе после четырехлетней проверки. В разработке находятся новые продукты на основе РНК. Компания GreenLight подала заявку на получение разрешения регулирующих органов на пестицид, предназначенный для борьбы с клещом варроа, основным заболеванием медоносных пчел, которое может противостоять почти всем доступным пестицидам. Продукты других компаний проходят полевые испытания. Тем временем исследователи из различных университетов изучают РНК как инструмент для борьбы с азиатскими цитрусовыми листовертками, короедами, комарами и другими видами.
У технологии есть ограничения: она не справляется с чешуекрылыми, группой насекомых, в которую входят ромбовидная моль и многие другие вредители, в кишечнике которых имеются мощные ферменты, расщепляющие РНК. И у него есть критики. Во время нормативной проверки Каланты экологические группы выразили обеспокоенность по поводу потенциального вреда нецелевым видам. Например, ползущий водяной жук Хангерфорда, находящийся под угрозой исчезновения, может жить недалеко от картофельных полей. Группы призвали к более широкой оценке риска. (EPA требует испытаний только на нескольких видах-индикаторах, таких как медоносные пчелы и божьи коровки.) Они также отметили, что неясно, безопасен ли состав спрея, который сохраняет стабильность РНК, поскольку ингредиенты конфиденциальны.
Но многие надеются, что эта технология может открыть новую эру борьбы с вредителями. «Я думаю, что РНК-интерференция произведет фурор», — говорит Уильям Моар, энтомолог из Bayer, который долгое время работал над контролем на основе РНК. По сравнению с большинством используемых в настоящее время химикатов, добавляет Ана Мария Велес, токсиколог по насекомым из Университета Небраски-Линкольна, «это намного безопаснее».
НАУКА, ЛЕЖАЩАЯ В ОСНОВЕ РНК-пестицидов, началась несколько десятилетий назад с некоторых загадочных лабораторных результатов. В 1980-х годах исследователи, изучавшие ДНК, были удивлены, обнаружив, что они могут эффективно заглушить экспрессию гена, если добавят больше копий этого гена. В одном эксперименте петунии были генетически модифицированы, чтобы иметь несколько копий гена, отвечающего за их фиолетовый оттенок. Биологи предположили, что изменение сделает цвет более глубоким. Произошло прямо противоположное: некоторые цветы вообще лишились пигмента . Как дополнительные гены заставили замолчать первоначальный, оставалось загадкой, но другие исследователи начали подозревать, что это как-то связано с РНК.
Информационная РНК (мРНК) — генетический материал, который переносит информацию, закодированную геном, в клеточный механизм производства белка — обычно существует в виде одной нити. Иногда, однако, нить объединяется с комплементарным партнером. В 1990-х годах одна из гипотез, объясняющих подавление генов, состояла в том, что добавление дополнительного гена каким-то образом приводило к образованию нити комплементарной РНК. Если эта нить соединялась с мРНК исходного гена, это могло помешать клеточному механизму прикрепиться к ней и построить белок.
Чтобы проверить эту идею, аспирант Корнельского университета Су Го ввел одноцепочечную РНК Caenorhabditis elegans — червю длиной в миллиметр, который является приверженцем лабораторных исследований в области биологии развития и молекулярной биологии. Часть эксперимента прошла так, как и ожидалось: когда введенная РНК оказалась комплементарной мРНК гена, важного для развития эмбриона, ген замолчал. Однако, как ни странно, Го обнаружил, что РНК, идентичная мРНК червя, также подавляла работу этого гена.
Прорыв произошел в 1998 году, когда Эндрю Файер из Института науки Карнеги и Крейг Мелло из Медицинской школы Чана Массачусетского университета возглавили группу, которая ввела C. elegans РНК, кодирующую белок, который помогает мышечным клеткам правильно сокращаться и расслабляться. Когда они добавили шаг , чтобы гарантировать, что РНК не загрязнена нежелательным генетическим материалом, они обнаружили, что одноцепочечные РНК не подавляют ген; подавление происходило только тогда, когда оба типа нитей вводились вместе как двухцепочечная РНК (dsRNA). Как оказалось, предыдущие, запутанные результаты были вызваны незначительным загрязнением dsRNA. Файер и Мелло были удостоены Нобелевской премии за это открытие в 2006 году.
Более поздние исследования показали, что явление, теперь называемое РНК-интерференцией, происходит из-за клеточного механизма, который, среди прочего, защищает клетки от заражения вирусами, которым для их жизненных циклов требуется дцРНК. Большой фермент, известный как DICER, находит длинные куски дцРНК внутри клетки, затем разрезает их на куски, называемые короткими интерферирующими РНК (siRNA). Эти короткие куски подбираются белковым комплексом, называемым RISC — комплексом подавления, индуцированным РНК, — который ищет в клетке одноцепочечную РНК, которая соответствует последовательности ее siRNA. (вирусам дцРНК также нужны одноцепочечные РНК для части их репликации.) Если RISC находит любую такую РНК, он запускает ее разрушение.
Открытия породили надежду, что дцРНК можно будет использовать в качестве лекарства. Во время лекции на церемонии вручения Нобелевской премии Файер, который к тому времени учился в Стэнфордском университете, размышлял о том, что дцРНК может быть полезна для отключения генов, связанных с болезнями, например тех, которые необходимы для роста опухолей у больных раком. Было одобрено несколько препаратов на основе РНКи; инклисиран, например, лечит высокий уровень холестерина и атеросклероз. Но прогресс был медленным, отчасти потому, что ферменты в крови человека расщепляют дцРНК.
Между тем, еще один эксперимент с C. elegans дал ученым надежду, что РНКи может быть полезна для решения совершенно отдельной проблемы: борьбы с вредителями. Лиза Тиммонс, в то время постдок, работавшая в компании Fire, генетически изменила бактерии Escherichia coli , чтобы они производили дцРНК, которая будет мешать гену сокращения мышц червя. Когда черви съели бактерии, они начали дергаться — верный признак того, что ген замолчал. До этого момента никто не ожидал, что дцРНК сможет проникнуть через пищеварительный тракт и попасть в клетки, чтобы заглушить гены. «Это что-то очень удивительное», — говорит Карл-Хайнц Когель, патолог растений из Университета Юстуса Либиха в Гиссене. Было высказано предположение, что правильная дцРНК при употреблении в пищу может убить вредителя.
БОРЬБА С ВРЕДИТЕЛЯМИ НА ОСНОВЕ РНК впервые появилась на рынке в прошлом году как генетически модифицированная культура. Американские фермеры начали сажать SmartStax Pro, сорт кукурузы, который Bayer генетически вывел для сопротивления западному кукурузному жуку. Растение вырабатывает dsRNA, которая нарушает экспрессию DvSnf7 , гена жука-корневика, который имеет решающее значение для перемещения белков через клеточные мембраны. Согласно исследованию 2017 года, в полевых испытаниях с серьезным заражением корни растений были повреждены личинками кукурузного жука на 95% меньше по сравнению с обычной кукурузой. Сорт был одобрен EPA в том же году, но он не появился на рынке США до 2023 года, поскольку Bayer также запросил одобрения в странах, которые импортируют кукурузу из США.
Многие надеются, что новый сорт смягчит воздействие кукурузного жука, который выработал устойчивость к другим формам контроля. «Нам определенно нужны новые способы действия», — говорит Моар. Преимущества метода многочисленны: благодаря генной инженерии растения для производства дцРНК фермеру не нужно распылять, пестицид всегда готов, и воздействию подвергаются только насекомые, поедающие урожай.
Однако создание генетически модифицированной культуры и ее одобрение может занять более десяти лет и стоить более 200 миллионов долларов. Европа представляет собой особую проблему, поскольку нормативные препятствия выше, а признание потребителей ниже. Поэтому некоторые компании разрабатывают дцРНК в виде спреев, что является более быстрым и дешевым процессом. Спрей также может быть более универсальным, поскольку его можно разрешить для использования на любой культуре, которую часто посещает вредитель.
Колорадский жук был хорошей целью, поскольку эти прожорливые твари повреждают не только картофель, но и томаты, баклажаны и болгарский перец. Исследования также показали, что кормление вредителей дцРНК может эффективно подавлять целевые гены.
Большинство пестицидов для борьбы с колорадским жуком могут убивать безвредные виды. Новый пестицид под названием Calantha гораздо более специфичен, поскольку он воздействует на ген, обнаруженный у вредителя и его близких родственников. Применяемый в виде спрея, пестицид поедается личинками жука и убивает их, активируя процесс, называемый РНК-интерференцией (см. вставку).Иллюстрация: растение картофеля с некоторыми листьями, частично съеденными картофельными жуками. Встречаются два колорадских жука и две группы яиц колорадского жука. У основания растения находятся три мертвые личинки колорадского жука. На нескольких листьях сидят златоглазки, а яйцами жуков питается божья коровка. Подпись: Пестицид не влияет на божьих коровок, златоглазок и многих других насекомых.Беговые помехи
После того, как двухцепочечная РНК (дцРНК) в пестицидном спрее проникает в клетки, выстилающие кишечник насекомого, клеточный механизм предотвращает трансляцию целевого гена в белки.Вставка, показывающая процесс, происходящий внутри яиц колорадского жука:Фермент DICER связывается с дсРНК и разрезает ее на фрагменты, называемые малыми интерферирующими РНК (миРНК).
Комплекс РНК-индуцированного молчания (RISC) загружает миРНК, сохраняя одну цепь в качестве поискового изображения и отбрасывая другую.
RISC находит и разрушает нити матричной РНК (мРНК), имеющие последовательность, комплементарную siRNA.
Завершить подробное описание изображения.
После изучения различных генов жука Кен Нарва из GreenLight и его команда остановились на PSMB5 , который кодирует часть клеточного механизма, удаляющего поврежденные белки. Когда он заглушается, клетки накапливают нефункциональные белки и умирают. ДцРНК для PSMB5 оказалась эффективной в лабораторных и тепличных испытаниях, убив 90% личинок в течение 6 дней, согласно исследованию 2021 года .
Чтобы проверить, может ли пестицид нанести вред другим насекомым, Рон Фланнаган и его коллеги из GreenLight проверили базы данных биоинформатики, чтобы увидеть, насколько PSMB5 у картофельного жука отличается от версий у других насекомых. Четыре близкородственных жука имели некоторые совпадения последовательностей. Но тесты на токсичность этих видов показали , что пестицид влияет только на два вида, и оба являются сельскохозяйственными вредителями. Тесты на более дальних родственниках насекомых — медоносных пчелах, зеленых златоглазках, божьих коровках и других — не выявили никаких побочных эффектов.
Эти результаты обнадёживают, говорит Алехин, который работал с GreenLight над разработкой Calantha. Но «не следует полагать, что раз это РНК-интерференция, то она никогда не будет иметь нецелевых эффектов», — добавляет он.
По мере развития технологии некоторые исследователи задавались вопросом, можно ли производить дцРНК достаточно дешево и в достаточных количествах, чтобы это было практично. Решение, по словам GreenLight, находится на территории бывшей фабрики Kodak в Рочестере, штат Нью-Йорк. В 2021 году компания открыла там завод, чтобы увеличить производство дцРНК. Внутри рабочие работают за большими биореакторами, где бульон E. coli производит ценные реагенты: кольца ДНК, называемые плазмидами, которые содержат инструкции для дцРНК в Каланте, а также ферменты, которые будут ее синтезировать. После очистки плазмиды и ферменты передаются в другие резервуары, где в результате биохимической реакции образуется дцРНК. Затем РНК смешивают с химическими веществами в специальном растворе, который, помимо прочего, помогает ей прилипать к листьям.
Завод может производить 2 тонны дцРНК в год, и генеральный директор Андрей Зарур ожидает, что эта цифра вырастет до 20 тонн к концу 2025 года. И он может производить эту дцРНК менее чем за 1 доллар за грамм, что позволит GreenLight продавать свой новый пестицид. по цене, сравнимой с коммерческими пестицидами высшего класса.
Хуан Луис Джурат-Фуэнтес, энтомолог из Университета Теннесси в Ноксвилле (ЮТК), изучавший РНКи почти десять лет, говорит, что «самым захватывающим моментом» стал тот момент, когда он услышал, что GreenLight может массово производить дешевую дцРНК. «Именно тогда я почувствовал, что это выполнимо».
ТЕПЕРЬ, КОГДА СПРЕЙ DSRNA, УБИВАЮЩИЙ ЖУКОВ, поступил в продажу, ключевым вопросом является то, как скоро вредители разработают способы сделать это оружие неэффективным. «Эти жуки такие сумасшедшие», — говорит Велес. «Иногда они просто удивляют нас».
Исследователи уже знают, что некоторые вредители могут, по крайней мере в лаборатории, вырабатывать способы ускользать от дцРНК. В 2018 году Моар и его коллеги опубликовали работу , показывающую, что западный кукурузный жучок эволюционировал и перестал поглощать дцРНК из своего кишечника. При этом насекомые фактически стали устойчивыми к любому подходу с дцРНК, и этот результат Моар называет «отрезвляющим», поскольку простого обходного пути не существует.
Свати Мишра, доктор философии. студент ЮТК обнаруживает аналогичный феномен у колорадского жука. В лабораторных условиях, где личинки постоянно подвергались воздействию дцРНК, насекомые резко сократили поглощение генетического материала в течение 11 поколений. Трудно предсказать, сколько времени понадобится жукам, чтобы выработать устойчивость в полевых условиях, где они не подвергаются такому большому воздействию дцРНК.
Чтобы снизить риск возникновения устойчивости, Агентство по охране окружающей среды требует от фермеров, выращивающих SmartStax Pro — генетически модифицированную кукурузу, — сажать убежища для вредителей. Эти участки незащищенной кукурузы повышают вероятность того, что популяции корневых червей сохранят гены, которые делают их восприимчивыми к дцРНК. Фермеры, выращивающие картофель, не сталкиваются с такими же требованиями в отношении Каланты, поскольку это не генетически модифицированная культура. Фланнаган говорит, что GreenLight осознает риск и будет поощрять фермеров чередовать распыление дцРНК с другими пестицидами. «Мы пытаемся сделать так, чтобы управление РНК было частью набора инструментов».
Перспектива того, что жуки выработают устойчивость ко всем доступным пестицидам, как это произошло в 1990-х годах, все еще преследует отрасль, говорит Карл Ричи, агроном из Walther Farms, которая выращивает картофель на более чем 3000 гектарах и участвовала в испытаниях Calantha. «Все нервничают». Однако на данный момент Ричи благодарен за то, что в его распоряжении есть еще один пестицид. Чтобы предотвратить резистентность, он координирует применение пестицидов с соседними фермерами; в один год они все будут распылять один и тот же пестицид, а в следующий — что-то другое.
Между тем, исследователи хотят расширить использование РНК-пестицидов для чешуекрылых, к которым относятся основные вредители моли, такие как кукурузные мотыльки и осенняя совка. Многие из них уже развили устойчивость к химическим инсектицидам, однако пока они не кажутся уязвимыми к дцРНК. «Контроль над чешуекрылыми с помощью РНК — это своего рода Святой Грааль», — говорит Моар. «Но никому не удалось заставить его работать на коммерческой основе».
Компании пытаются, некоторые исследования направлены на упаковку dsRNA, чтобы выжить в пищеварительной и иммунной системах чешуекрылых. «Это одна из самых горячих областей в РНК-интерференции прямо сейчас», — говорит Джурат-Фуэнтес.
AgroSpheres использует генетически модифицированные бактерии, которые производят как дцРНК, так и крошечные защитные оболочки, полученные из их клеточной стенки. Результаты полевых испытаний, о которых сообщалось в 2022 году, показали, что борьба с ромбовидной молью на капусте является «коммерчески приемлемой». Другая компания, Trillium Ag, разработала другую упаковку. Каждая небольшая нить РНК окружена еще более короткими молекулами, называемыми аптамерами, которые служат якорями для покрытия из белков или липидов. В настоящее время компания тестирует его эффективность на осенней совке и двух других вредителях.
В целом, трудно понять, насколько хорошо работают защитные технологии, говорят эксперты, поскольку большинство компаний опубликовали мало результатов. Но Палли с осторожным оптимизмом смотрит на будущее этих нетрадиционных пестицидов. «По мере того, как мы узнаем все больше и больше, мы найдем способ преодолеть некоторые из этих препятствий. Это произойдет».
Официальный сайт на котором размещена оригинальная статья: