Джесси Ченак из The Wired побывал в Аризоне, где выращивают «чудо-растение», которое может лишить Азию монополии на натуральный каучук
Эрик Матхур (Eric Mathur) сидит на заднем сиденье внедорожника, едущего на юг через аризонскую пустыню. Высокий, темнокожий и лысый, он одет для дня под открытым солнцем. Его льняная рубашка расстегнута на несколько пуговиц, открывая взгляду толстую золотую цепочку на шее. Панама кремового цвета покоится на колене.
Эрик МатхурЭрик Матхур
Пока мы едем из пригородов Финикса на ферму неподалеку от Марикопы, в 40 милях от города, Матхур объясняет, как он и его компания, Yulex, надеются разрушить монополию азиатского каучука при помощи определения последовательности генов одного невзрачного пустынного растения. Это длинная история, и примерно где-то посередине описания своего великого плана он рассказывает мне о своих родителях. Его отец был индийцем, одним из членов семьи, более сотни поколений жившей на юге Азии, а его мать была латышкой с корнями в Восточной Европе. Цепочка на его шее - это латышская фамильная реликвия, одна из ценностей, которые семья его матери закопала у своего дома в Риге, когда к городу подходили русские войска в первые дни Второй мировой войны.
Его родители познакомились после войны и вырастили четырех детей. Хотя его мать, Бирута, ростом всего пять футов и три дюйма, а его отец, Прем, лишь немногим выше, Матхур и два его брата ростом выше шести футов. Как говорит Матхур, его семья - это живой пример «гибридной силы». После столетий браков в ограниченных популяциях две генетические линии пересеклись, породив характерные черты, которых до этого не было. Это, объясняет он, именно то, что он пытается сделать здесь, в пустыне, с растением под названием гваюла.
Мы проезжаем через открытые ворота к ферме, где Yulex занимается выращиванием гваюлы - в Америке это произносится как «уай-ю-ли» - на более чем 350 акрах земли. Ряд за рядом простираются от шоссе до холмов на западе. Натянув панаму на голову, Мантхур проводит меня по своему пустынному полю, чтобы я мог рассмотреть растения вблизи. Это кустарник с белесо-зелеными листьями, похожий на те, что выкапываешь и выбрасываешь, если он вырос на заднем дворе. Но самое интересное кроется внутри.
Ферма гваюлы, принадлежащая YulexФерма гваюлы, принадлежащая Yulex
Наклонившись, Матхур срывает стебель одного из кустов и обдирает кожуру, показывая тонкий слой… чего-то мягкого. Это паренхима. Ее можно использовать для получения каучука, и это означает, что из нее можно делать гидрокостюмы, презервативы, перчатки, катетеры, баллоны для ангиопластики и многие другие медицинские изделия. Но что самое важное, из нее можно делать шины. Легковые. Грузовые. Авиационные. На самом деле этот вид натурального каучука незаменим в производстве шин. Да, теперь у нас есть синтетический каучук, но он не такой прочный, как натуральный. Шины наших автомобилей на 50% изготовлены из натурального каучука, а грузовую или авиационную шину без него сделать не получится в принципе.
Сегодня почти весь натуральный каучук получают из деревьев гевеи, произрастающей в Юго-Восточной Азии, а это создает вероятность кошмарного сценария для американских шинных производителей и, если брать шире, американской экономики. В случае войны или природной катастрофы поставки просто прекратятся, и очень быстро. Но гваюла может стать альтернативой. С начала 20-го века американские исследователи, предприниматели и государственные деятели рассматривали это растение как способ освободить экономику страны от сильнейшей зависимости от Азии. Каучуковые деревья плохо приживаются в США, но гваюла - совсем другое дело. Это коренной житель Мексики и юго-запада Соединенных Штатов.
Проблема в том, что из обычного растения можно получить относительно малое количество каучука. Массовое производство на самом деле никогда не было возможным. Но Матхур уверен, что он может это изменить. Он и его коллеги по Yulex собрали семена гваюлы со всего мира в поисках генетических штаммов, которые бы так сильно отличались друг от друга, как, да, его отец-индиец и мать-латышка. Теперь его команда проращивает эти семена и при помощи изучения генетического строения саженцев пытается предсказать, какие штаммы обеспечат лучшее потомство и смогут ускорить создание самых эффективных гибридов - гибридов, из которых можно будет получать количество каучука, ранее бывшее невозможным.
«Мы работаем по сути с дикими растениями, - говорит Матхур своей обычной скороговоркой. - Есть много сортов, у которых никогда не было продуктивности, способной сделать их интересными. Но теперь, благодаря революции в геномике, появились инструменты, который могут вывести их на новый уровень».
Yulex в течение двух лет выводила свои гибриды в теплицах на юге Калифорнии, создав порядка 1 200 разновидностей, а растения здесь, в Аризоне, это первые массово высаженные образцы, растущие в открытом поле. По словам Матхура, лучшие из них смогут производить по тонне каучука на один акр. Эти суперрастения, уверен он, теперь не уступают каучуковым деревьям.
Часть урожая фермы Yulex под ФиниксомЧасть урожая фермы Yulex под Финиксом
Поскольку стоимость технологий определения последовательности генов падает, академики, правительственные исследователи и большие корпорации используют методики так называемой молекулярной селекции, чтобы улучшить свойства старых сельскохозяйственных культур, совмещая последние биотехнологические разработки с древними методами земледелия. Тщательно изучив ДНК отдельных растений, они могут определить, какие из них способны дать лучшее потомство и тут же их скрестить. В отличие от попыток действительно модифицировать ДНК фруктов и овощей - так часто обсуждаемые ГМО - агрогигант Monsanto использует эти технологии для ускорения естественного скрещивания таких растений, как салат-латук, перец и брокколи. Другие похожие корпорации занимаются чем-то подобным.
Фермеры выращивали гибриды веками, находя два самых многообещающих растения и заставляя их опылять друг друга. Те, кто определяет последовательность ДНК, обладают куда большим контролем. Исследователи в состоянии лучше понимать, что происходит, и делать это быстрее. «Мы можем пропустить многочисленные годы тестов, необходимых для традиционных методов селекции», - говорит Патрик Шнабле (Patrick Schnable), профессор Университета штата Айова, специализирующийся на геномике растений.
Но молекулярная селекция способна не только улучшать уже существующие растения. С ее помощью можно создавать совершенно новые культуры - культуры, в которых ранее не было необходимости. До того как перейти в Yulex, Матхур был технологическим руководителем компании SG Biofuels, которая превратила растение под названием ятрофа в источник авиационного топлива. Теперь он применяет те же знания в отношении гваюлы. И в этом он не один.
Американское Министерство сельского хозяйства (USDA) вовсю работает над секвенированием генома гваюлы, и многочисленные компании, такие как Cooper Tire или конкурент Yulex под названием PanAridus, надеются использовать в своей работе молекулярную селекцию. В ближайшие годы эти самые технологии селекции могут помочь улучшить свойства самых разных растений, из которых можно будет получать не только топливо или сырье, но и еду. «Мир природы теперь наш для культивирования», - говорит Шнабле.
В 1875 году англичанин по имени Генри Уикхэм (Henry Wickham) контрабандой перевез порядка 70 000 семян гевеи из Бразилии в Королевские ботанические сады в Кью рядом с Лондоном. Многие сгнили во время путешествия через Атлантику, но некоторые доехали в целости и сохранности. И некоторые проросли в Кью. После этого Британия переправила гевею в части своей империи на Цейлон, в Малайзию и Индонезию, разрушив монополию Бразилии. В следующие десятилетия быстро распространяющаяся болезнь уничтожала рынок в Амазонии. Но гевея прижилась на другом конце света.
По иронии так была создана новая монополия. Сегодня Юго-Восточная Азия производит 92% каучука в мире, что подтверждают данные Ассоциации стран-производителей натурального каучука (ANRPC), консорциума, куда входят Китай, Индия, Малайзия, Индонезия, Таиланд, Филиппины и Вьетнам. Со времени каучукового бума в Азии американские правительство и промышленность продолжают искать способы начать массовое производство каучука ближе к своему дому. В 1910 году группа предпринимателей при участии Джона Рокфеллера (John Rockfeller) инвестировала в гваюлу 30 миллионов долларов. Во время Второй мировой войны, после того как японцы захватили большую часть каучуковых плантаций в Юго-Восточной Азии, конгресс США выпустил постановление, подразумевавшее создание гваюловых плантаций на 32 000 акров в Калифорнии и Аризоне. А после того как цены на нефть подскочили в 1970-х годах - что привело к подорожанию синтетического каучука - американские шинные производители запустили новую волну исследований гваюлы.
Когда цены на нефть снизились, общее давление на экономику также ослабло, и проекты начали затухать. Но в целом потребность осталась. Никто не может изготовить качественную шину без натурального каучука. Синтетический каучук на молекулярном уровне недостаточно прочен, чтобы шины были надежными. «Определенно можно сделать шину из синтетического каучука, но они будут не такими же качественными», - говорит Чак Юркович (Chuck Yurkovich), старший вице-президент по технологиям Cooper Tire. По этой причине американская индустрия почти полностью зависит от азиатских фермеров. А у этих фермеров есть рычаги для установления своих цен. Пятнистость листьев - или еще одна война - может ограничить доступ к гевее, и в последние годы эта многоаспектная проблема встала еще острее, поскольку экономики Китая и Индии растут крайне быстрыми темпами. Им требуется больше каучука для собственных нужд.
Именно по этой причине Коллин Макмэхэн (Colleen McMahan) и команда из исследователей USDA работают над секвенированием генома гваюлы. «Это то, из-за чего у меня есть работа», - говорит она, сидя в подвальном помещении научного центра USDA в Олбани, Калифорния, прямо через залив от Сан-Франциско.
В рамках 6,9-миллионного правительственного гранта, за счет которого также финансируется работа Cooper, PanAridus, Университета Корнелла и Университета штата Аризона, ученые USDA надеются получить полностью секвенированный геном к концу этого года. Цель состоит в том, чтобы создать завершенный генетический образец, который поможет исследователям определить гены, отвечающие за отдельные качества, такие как размер, количество клеток паренхимы, циркулирующих в корне и стеблях, и даже форма растения.
«В этом весь смысл молекулярной селекции, - говорит Билл Белкнэп (Bill Belknap), один из биотехнологов USDA, работающих над секвенированием генома. - Мы предоставляем информацию, которая позволяет увидеть, где расположены гены, и как можно их передвинуть».
Потенциал методики для исследователей гваюлы огромен - частично потому, что гваюла настолько мало изучена, частично по той причине, что технологии селекции развиваются настолько быстро. «Создание гваюлового сырья, на что мы все тут надеемся, это вопрос вне науки, - говорит Макмэхэн. - Мы очень много знали о том, как эволюционировал человек, еще до того как секвенировали геном. И мы знаем намного меньше о том, как культивировать гваюлу. Но мы намерены получить всю информацию о том, как это работает».
Лет через десять, уверен Белкнэп, работа USDA позволит получать новые культуры и наконец внедрить гваюловый каучук в коммерческое производство шин. Шинная индустрия развивается медленно, говорит он. При этом Эрик Матхур уверены, что перемены наступят быстрее. Намного быстрее.
Матхур провел последние двадцать лет, пытаясь разгадать скрытые силы организмов, о которых мы с вами никогда не слышали. В 1990-х он пошел работать в компанию Diversa и начал путешествовать по миру в поисках микроорганизмов, способных помогать в самых разных областях от ухода за животными до переработки растительных масел. «Мы изучали природное многообразие, - говорит он. - Мы выделяли ДНК из грязи, из рыбьих кишок, из антарктических скал. Мы находили гены, которые ведут себя по-новому, а потом смешивали лучшие из них».
Потом, в 2006 году, он перешел в Synthetic Genomics, компанию, чей основатель - Крейг Вентер (Craig Venter) - был одним из первых ученых, которые полностью секвенировали геном человека. Там Матхур сфокусировался на трансформировании микробов, водорослей и растений в биотопливо - альтернативу нефти и газу - при помощи тех же инструментов, что использовались при определении человеческого генома. Позднее, в SGB, он делал во многом то же самое с ятрофой, растением, из которого до этого делали португальский свечной воск.
SGB увеличила урожайность ятрофы на 900% и в конечном счете подписала соглашение с BP и другими компаниями о создании плантаций на площади 75 000 акров в Бразилии. «Их работа действительно продемонстрировала потенциал технологий молекулярной селекции, особенно в плане создания новых культур», - говорит профессор Шнабле. После того как цены на нефть упали - что сделало биотопливо менее привлекательным - компания исчезла из виду. Но ее работа успела попасть на глаза генеральному директору Yulex Джеффу Мартину (Jeff Martin).
Мартин, бывший вице-президент по продажам и маркетингу производителя медицинских изделий Safeskin, основал Yulex на рубеже тысячелетий в надежде превратить гваюлу в новый источник каучука для медицинской индустрии. У многих людей каучук из гевеи вызывает аллергическую реакцию, и Мартин расценивал гваюлу как натуральную альтернативу синтетическому латексу. В итоге, впрочем, Yulex не смогла найти широкий рынок для своей продукции - американское Управление по контролю за продуктами и лекарствами (FDA) снабдила их перчатки достаточно странным предупреждением о том, что они могут усиливать аллергию, хотя, возможно, это было не так. Поэтому если не считать нескольких гидрокостюмов, продукция компании на рынке не прижилась.
По этой причине в 2013 году Yulex подписала соглашение с SG Biofuels, договорившись использовать их техники секвенирования генома, и в прошлом году Матхур полностью перешел на работу в компанию. У Yulex есть офисы в Аризоне, неподалеку от полей, где растут гваюловые гибриды, но Матхур и его команда работают в старом офисе SGB в пригороде Сан-Диего. Стены Yulex заново отдекорировала фотографиями гваюлы.
Здесь команда работает над тем, чтобы оживить семена гваюлы, которым по несколько десятков лет. Самые свежие саженцы выращиваются в «экологических камерах» размером с духовку, которые позволяют контролировать температуру, освещение и влажность. Каждое растение завернуто в крошечную салфетку, чтобы всегда присутствовала влага. Оживить можно только один процент семян. Матхур называет их «ходячими мертвецами» и сравнивает их с семенами гевеи, которые Уикхэм привез в Британию из Амазонии. «Им лет по 30-50, и у многих были очень непростые времена, - говорит он. - Часть хранилась в холодильниках, которые время от времени отключались. Не совсем все изменилось после истории с Кью».
Проект начался, когда Матхур и его команда собрали множество гваюловой «гермоплазмы» - живой ткани, способной воспроизводить новые растения - из максимально большого числа отдельных источников. Из университетов. Лабораторий. Частных коллекций. Хотя над улучшением урожайности гваюлы работают многие другие, в том числе USDA, они как правило берут гермоплазму в одном и том же регионе Мексике, откуда гваюла родом. «Большинство общедоступных линий в USDA очень тесно связаны, - говорит Макмэхэн. - В прошлом ученым нужны были большие растения и большое количество каучука, а не генетическое разнообразие». При этом за счет обнаружения дивергентных линий, добавляет Матхур, он и его команда смогут создать такую же гибридную силу, как та, что отразилась в его росте.
Весьма вероятно, что Матхур и его высокорослые родственники стали такими благодаря тому, что их диета была лучше, чем у их родителей, а также за счет межконтинентального смешивания крови. И генетическое разнообразие гермоплазмы Yulex также вызывает вопросы. Но гибридная сила или гетерозис действительно может существенно повысить урожайность растений. Если провести инбридинг одинаковых линий, могут проявиться поврежденные или рецессивные гены, объясняет Белкнэп. Если же провести кроссбридинг, доминирующие гены замаскируют рецессивные. «Когда ты их смешиваешь, то - бум! Поврежденных генов больше нет». Матхур добавляет, что в последние десятилетия благодаря подобной методики были улучшены такие культуры, как рис и кукуруза.
После оживления семян Матхур и его ученые используют специальное оборудование для идентификации последовательности отдельных генов и определения того, какие растения более генетически разнородны. Из них, вероятнее всего, могут получиться лучшие гибриды. После этого команда скрещивает эти растения в теплице на калифорнийском побережье, производя гибриды десятками. Эта часть процесса все еще очень по-обаятельному низкотехнологична. Растения помещаются в маленькие «палатки», наполненные синими черноголовыми мухами и углекислым газом, и мухи переносят пыльцу с одного растения на другое. Матхур называет это «принудительный секс в клетке».
Когда саженцы вырастают, команда проверяет генетическое строение самых многообещающих гибридов - их называют Воинами Джедаями - и процесс начинается заново. В конце концов лучших из Джедаев высаживают в открытое аризонское поле. У какого-то одного растения может быть лишь часть качеств, необходимых ученых, но его всегда можно скрестить еще раз.
По словам Матхура, когда компания получит образец генома от USDA, процесс будет ускорен. При помощи этого образца они смогут точнее определять, какие генетические «отпечатки пальцев» коррелируют с какими важными качествами, то есть можно будет с еще большей точностью предсказывать, из каких растений получатся лучшие гибриды. Матхур уверен, что технологии компании попадут в коммерческое производство к 2019 году. «К тому времени, - говорит он. - Мы ожидаем реальных экономических результатов».
Друзья и коллеги Матхура скажут вам, что он чрезвычайно позитивный человек, что становится очевидно в тот момент, когда видишь его впервые. Но это также означает, что к его прогнозам следует относиться с некоторой долей скептицизма. В каком-то смысле попытка изменения облика индустрии столь древней и ортодоксальной, как каучуковая - или нефтяная - это крайне идеалистическое предприятие. К тому же все предыдущие усилия по превращению гваюлы в ценную культуру ни к чему не привели. Сама Yulex с трудом пыталась вывести гваюлу на рынок больше десяти лет. Когда-то многообещающая SGB сейчас пребывает в забвении.
«Нам все равно придется дойти до критической массы, то есть до момента, когда эту культуру действительно будут выращивать и продавать фермеры», - говорит Катрина Корниш (Katrina Cornish), профессор факультета пищевого, сельскохозяйственного и биоинжиниринга Университета штата Огайо, которая помогала изучать гваюлу в USDA и какое-то время работала в Yulex.
Даже если получится заставить гваюлу производить достаточно большое количество каучука, есть еще остальная часть растения. Она не похожа на гевею, чей сок можно собирать, как кленовый, не убивая при этом растение. Необходимо собирать гваюлу и экстрагировать клетки парихемы из кожуры. Но за счет создания новых сортов Матхур надеется решить эту проблему, хотя бы частично. Он работает над сортами, которые будут лучше расти в более холодном климате, а его цель в том, чтобы из остальной части растений можно было получать биотопливо. Он стремиться изменить форму кустарника, причем в буквальном смысле.
Когда Матхур идет между рядами гибридной гваюлы в громадной наклоненной теплице в Энсинитас, Калифорния, он показывает, как сильно растения отличаются друг от друга по внешнему виду. Одни короткие и приземистые, другие высокие и тонкие. У некоторых большие стволы, у некоторых маленькие. На некоторых листья расправлены, как лопасти вентилятора. У других они больше похоже на ленточки. Такое ощущение, что это абсолютно разные виды растут от ряда к ряду.
Именно это происходит, когда впервые скрещиваешь существенно отличающиеся растения, и это необязательно указывает на большое генетическое многообразие. Но при этом можно понять, чего хотят добиться Матхур и Yulex. Меняя форму растений, они могут потенциально увеличить их количество на одном акре. «Можно повысить плотность посадки, - говорит он. - А не только количество производимого каучука».
Этот маленький кустарник открывает множество возможностей, и когда мы выходим из теплицы Матхур рассказывает мне еще об одной. Дополнительный трюк, говорит он, в том, что когда будет получено такое растение, какое нужно, его можно бесконечно клонировать. И клонировать его можно без модификации генов.
Гваюла представляет собой пример того, что называют факультативным апомиксисом. Она размножается половым путем, но не все время. Поэтому Матхур и его команда могут заниматься скрещиванием и получать новые качества (для этого требуется половое размножение). Но однажды, когда они получат желаемые свойства, они смогут сделать так, что гваюла будет размножаться апомиктическим способом - чтобы клонировать себя.
Матхур называет это «реальной силой» гваюлы. Растение вело себя подобным образом на протяжении столетий, но теперь у Матхура и его команды есть технологии, необходимые для подчинения себе этой силы. Недавно они подали заявку на получение патента, и Матхур уверен, что в конечном счете это позволит им превратить гваюлу в источник американского натурального каучука. Да, очень много исследователей не смогли этого сделать. Но у них не было таких инструментов.
Комментарии: (1)