Jill Banfield, Kalifornijos universiteto Berklyje ekosistemų mokslininkė ir 1999 m. „MacArthur Foundation“ stipendijos laimėtoja, 2006 m. susidomėjo paslaptingomis pasikartojančiomis DNR sekomis, dažnai sutinkamomis mikrobuose, gyvenančiuose ekstremaliausiose planetos terpėse, pavyzdžiui, giliavandenėse šiluminėse angose, rūgščių kasyklose ir geizeriuose. Jai tik reikėjo biochemiko, kuris padėtų paaiškinti, kas yra tos sekos, žinomos kaip „Crispr/Cas9“, ir kuris, idealiu atveju, būtų vietinis.
Geriausias mokslininkų paieškos įrankis, prieinamas apdovanotai doktorantei – žiniatinklio paieška – rekomendavo Berklio RNR specialistę Jennifer Doudną. Jiedvi susitiko arbatos universiteto kavinėje. J. Doudna nebuvo girdėjusi apie „Crispr“ – savotišką mikrobų imuninę sistemą, ir buvo suintriguota. Tokia suintriguota, kad per ateinančius kelerius metus toliau nagrinėjo sekos struktūrą, kuri pasirodė esanti stebuklingas DNR koregavimo įrankis. Šis atradimas pradėjo naują genomikos erą ir padarė perversmą moksle bei daugelyje pramonės šakų, ir pelnė J. Doudnai pusę 2020 m. Nobelio premijos chemijos srityje.
Dabar, praėjus 15 metų nuo pirmojo susitikimo, J. Banfield, J. Doudna ir gausi bendraautorių komanda paskelbė straipsnį, žengiantį didelį žingsnį sprendžiant keblią problemą: kaip tyrinėti ir keisti mikrobų, gyvenančių sudėtingoje realioje aplinkoje – pavyzdžiui, žarnyno mikrobiome ar dirvožemyje – genomus. Mikrobų bendruomenių sudėtingumas buvo pagrindinė kliūtis ieškant technologijų, kurios galėtų užkirsti kelią ligoms ir pagerinti žemės ūkį. Tai svarbus žingsnis siekiant apriboti metaną – kenksmingas šiltnamio efektą sukeliančias dujas, kurios išsiskiria auginant ryžius.
Šis tiriamasis darbas iš dalies susijęs su Inovatyviosios genomikos institutu (IGI) – J. Doudnos įsteigtu konsorciumu, kuris siekia išplėtoti „Crispr“ ir kitų genų inžinerijos metodų naudojimą, siekiant spręsti sveikatos, maisto gamybos ir kitas problemas. Liepos mėnesį IGI gavo 3 milijonų dolerių dovaną iš anoniminio geradario, kad galėtų toliau dirbti su klimato kaita: prie šio klausimo reikšmingai prisideda J. Banfield mikrobų ekosistemų tyrimai.
Dirvožemis yra „sunkiausiai tyrinėjama planetos ekosistema, – teigia J. Banfield. – Pati sudėtingiausia. Galimybė gauti bet kokių įžvalgų apie dirvožemio mikrobų bendruomenes buvo tikras Šventasis Gralis.“
Didžioji IGI klimato tyrinėjimų dalis skirta ryžiams, aprūpinantiems kalorijomis daugiau nei pusę pasaulio. Jau nekalbant apie pagrindinę problemą – užtikrinti, kad ryžių būtų pakankamai, – jie kelia reikšmingą klimato iššūkį. Pasėliai auginami užliejamuose laukuose. Šis vanduo padeda į dirvą įsiskverbti deguoniui, o tai leidžia klestėti metaną gaminantiems mikrobams: ryžių auginimas per metus sudaro net 34 milijonus tonų metano arba apie 2 proc. visų šiltnamio efektą sukeliančių dujų. Pusę visų emisijų sugeneruoja Kinija ir Indija.
Ryžių laukai yra tikri dirvožemio metano kaminai, o norint suvaldyti išmetamųjų teršalų kiekį, mokslininkai pirmiausia turi perprasti mikrobus. Bėda ta, kad mikrobų bendruomenių kultivavimas ir jų krapštinėjimas laboratorijoje naudojant tradicinius įrankius „gali užtrukti ne vienerius metus arba apskritai nepasiteisinti“, rašo IGI autoriai. Naujasis jų straipsnis pademonstruoja, kad naudojant „Crispr“ pagrįstą sistemą galima „paspartinti šį procesą iki kelių savaičių“.
Norint užkišti ryžių metano kaištį, gali prireikti ne vieno pakeitimo, susijusio su pačiais augalais arba mikrobų tinklu, kuriame raizgosi jų šaknys. Galimi įvairūs inžineriniai sprendimai: mikrobai, galintys valgyti metaną, kai aplinkoje nėra deguonies, o gal kai kurių organizmų pašalinimas iš dirvožemio panašiu būdu, kaip antibiotikai išnaikina ligą sukeliančias bakterijas.
„Šiuo metu viskas yra svajonių stadijoje, – sako J. Banfield. – Pirmiausia norime suprasti atskiras detales ir tai, kaip jos jungiasi tarpusavyje.“
Pamela Ronald – Kalifornijos universiteto Devise profesorė, visą savo karjerą pašventusi ryžiams ir parašiusi knygą apie maisto ateitį. Daugiau nei prieš dešimtmetį kartu su kolega ji identifikavo geną, naudojamą kultivuojant potvyniams atsparius ryžius, kokius dabar augina daugiau nei 6 milijonai Indijos ir Bangladešo ūkininkų.
Egzistuoja daugiau kaip 130 000 ryžių rūšių. Jų genomuose galbūt nepastebėti slypi evoliuciniai įgūdžiai, kuriuos mokslininkai galėtų įskiepyti į ūkiuose auginamas veisles atsparumo karščiui, maistingumo ar ligų prevencijos vardan.
P. Ronald laboratorija siekia pokyčių, kurie – kartu su J. Banfield mikrobų bendruomenėmis – galėtų padėti išmesti mažiau teršalų. Dar didesnis iššūkis laukia galvijų ir kitų atrajotojų, atsakingų už daugiau kaip 5 proc. pasaulio emisijų, virškinimo traktuose.
Šiuo metu žemės ūkio sektorius turi apsčiai būdų sumažinti išmetamųjų teršalų kiekį, kol J. Banfield, P. Ronald, J. Doudna ir kiti genų inžinieriai ieško naujų galimybių.
Auginant daugiau ryžių tame pačiame žemės plote išmetama mažiau teršalų; 1 proc. padidinus derlių, metano emisijų taip pat sumažėja maždaug 1 proc. Rečiau tvindant ryžių laukus, išmetamųjų teršalų kiekis gali sumažėti per pusę. Ūkininkai, galintys mikliai sukontroliuoti vandens srautus laukuose, pastebėjo, kad vegetacijos sezono metu kaitaliojant drėgnus ir sausus laikotarpius galima gerokai sumažinti emisijas. (Deja, sausieji laikotarpiai gali sugeneruoti daugiau diazoto monoksido, dar vienų galingų šiltnamio efektą sukeliančių dujų.) Kiti daug žadantys metodai apima ryžių šiaudų grąžinimą atgal į laukus ne sezono metu ir laukų barstymą bioanglimi, šitaip paskatinant didesnį anglies kaupimą dirvožemyje.
Prinstono universiteto Energetikos ir aplinkos politikos tyrimų centro vyresnysis mokslo darbuotojas Timothy Searchingeris sveikina pažangą siekiant ambicingo ir pelningo genetinės inžinerijos proveržio, derinant jį su realiame gyvenime patikrintais metodais – tokia straipsnio, kurį jis paskelbė lapkričio mėnesį, tema.
„Kalbu apie grynai praktinį iššūkį, – sako jis. – Kaip tai iš tikrųjų įgyvendinti? Kokios būtų paskatos? Praktiniai iššūkiai yra realūs, bet tai nereiškia, kad negalime jų apeiti.“
„Crispr“ žada, kad praktinius iššūkius bus galima įveikti molekuliniu lygmeniu. Galbūt net prie arbatos puodelio.
