Crispr kann natürliche Prozesse beschleunigen und den Anbau von Lebensmitteln verändern

Es dauerte Tausende von Jahren, bis die Menschheit eine schöne und saftige Tomate aus einer Pflanze mit erbsengroßen Früchten holte. Mit der Gen-Bearbeitung können Wissenschaftler jetzt alles ändern.

Wie jeder Landwirt mit Selbstachtung murrte Zachary Lipman über das Wetter. Lipman stand fest niedergeschlagen, mit kurzen Haaren und Bart, und stand in einem Gewächshaus mitten auf Long Island, umgeben von üppiger und üppiger Vegetation. "Oh, frag nicht einmal", sagte er über den späten und harten Frühling. Es war Dienstag, Mitte April, aber die Prognose sprach von der Wahrscheinlichkeit, dass Schnee fällt, und ein kalter Wind wehte über die Insel. Dies ist nicht das Wetter, das an Sommertomaten erinnert. Aber Lipman dachte an die Zukunft, den Memorial Day [letzten Montag im Mai / ca. trans.] wenn Tausende sorgfältig gepflanzter Tomatensämlinge von Gewächshäusern in das fruchtbare Land Long Island gebracht werden. Er hoffte, dass sich das Wetter endlich ändern würde.

Obwohl er als Teenager auf einem Bauernhof arbeitete und immer noch eine romantische Bindung an das Land hat, ist Lipman kein Bauer. Er ist Botaniker am Cold Spring Harbor Laboratory in New York und studiert Genetik und Pflanzenentwicklung. Und all diese Gewächshauspflanzen sind keine gewöhnlichen Tomaten.

Lipman stellte mich seinem regelmäßigen Begleiter Charlie vor (eine gesellige und schlampige Kreuzung zwischen einem Labrador und einem Rottweiler) und führte mich an Hunderten von Pflanzen vorbei, die einer täglichen Temperatur von 27 ºC und einer Luftfeuchtigkeit von 40 bis 60% ausgesetzt waren und sie für eine 14-stündige Photosynthese mit Natriumentladungslampen stimulierten hoher Druck . Einige der Pflanzen waren kaum gekeimte Sprossen; andere haben gerade begonnen, ihre charakteristischen gelben Blüten zu enthüllen, was zukünftige Früchte vorwegnimmt; und einige waren fast reif, und ihre roten Früchte gossen Gewicht.

Dieses Gewächshaus zeichnet sich dadurch aus, dass 90% seiner Pflanzen mithilfe der magischen Gen-Editing-Technologie Crispr / Cas-9 gentechnisch verändert wurden. Damit ist es wahrscheinlich das Epizentrum einer Revolution in der Botanik, die die Zukunft nicht nur von Tomaten, sondern auch für immer verändern kann und viele andere Nahrungspflanzen. Lipman und Joyce van Ek, sein langjähriger Partner am Boyce Thompson Institute in Ithaca, New York, gehören zu einer kleinen Armee von Forschern, die mithilfe der Gen-Bearbeitung aus einer Tomate eine Labormaus der Botanik machen. In diesem Gewächshaus ist Crispr ein Verb, jede Pflanze ist ein Experiment und eine Mutante ist kein schlechtes Wort.

Lipman ging zur Rückseite des Gebäudes und zeigte auf verschiedene Tomaten einer besonders großen Sorte - eine der kommerziellen Optionen, die in Supermärkten und nicht auf Bauernmärkten verkauft werden. Diese Pflanze, die ungefähr zwei Monate alt war, bog sich unter dem Gewicht großer, fast reifer Früchte. Es war eine Mutante, wie Lipman erklärte, die sie "Knoten" nennen. Die meisten Tomaten am Stiel in der Nähe der Stelle, an der sich der Fötus bildet, haben einen geschwollenen Gewebecluster, einen Knoten. Wenn die Tomate reift, sagt er sich, wie Lipman es ausdrückte: "OK, ich bin gereift - es ist Zeit zu fallen", erhalten die Zellen des Knotens ein Signal zum Absterben und geben die Tomate frei. So verbreitet die Natur Tomatensamen; Aber dieser Knoten war in der Landwirtschaft immer ein unangenehmes Problem, da ein Teil des Stiels Löcher in mechanisch geerntete Früchte bohrte. Knotenfreie Tomaten, aus denen der Wurzelstamm herausgerissen werden kann, wurden gewonnen und für die kommerzielle Verwendung gezüchtet, zeigten jedoch häufig Nebenwirkungen. Diese gentechnisch veränderten Versionen vermeiden die unbeabsichtigten Folgen der traditionellen Züchtung. "Jetzt können wir Crispr verwenden, um direkt mit dem Gen zu arbeiten und es mit einer molekularen Schere abzuschneiden, was zu einer Mutation führt", sagte Lipman. "Und voila: die schlüssellose Eigenschaft jeder Art, die Sie brauchen."

Wir gingen zu mehreren Beispielen von Physalis pruinosa über, einem Verwandten der pflanzlichen Physalis , der kleine und saftige Früchte der Physalis produzierte. Diese Pflanze konnte sich noch nicht domestizieren, und Lipman beschreibt ihre wilde Version als "Monster": groß, unordentlich und gierig, was eine elende Frucht pro Trieb ergibt. Daneben wuchs eine Physalis, bei der Wissenschaftler eine Mutation namens "Selbsttrimmen" verursachten. Es war zweimal niedriger, nicht so buschig, und bei jedem Vorgang zeigten sich fünf bis sechs Früchte. Lipman riss eine Frucht aus dem Mutanten und bot sie mir an.

„Rieche es zuerst“, fragte er. "Genieße den Geruch." Der Geruch war exotisch und etwas tropisch. Ich steckte es in meinen Mund und biss es, wobei ich eine Explosion verschiedener Geschmäcker bekam. Wie bei seinen verwandten Tomaten erwies sich der Geschmack als mysteriös, zeitlich mit süß und sauer verschmiert, dekoriert mit flüchtigen Bestandteilen, die meine Nase fanden und den Geschmack ergänzten.

"Sie haben gerade eine bearbeitete Pflanze gegessen", sagte Lipman mit einem Lächeln. "Aber mach dir nicht zu viele Sorgen."


Zach Lipman unter den bearbeiteten Tomaten


Genetisch bearbeiteter Tomatenbusch

Lipman glaubt, wie die meisten Wissenschaftler, dass gentechnisch veränderte Pflanzen sicher sind. Aber sein schelmisches Lächeln bestätigt, dass nicht jeder diese Technologie für harmlos hält. Es gibt viele Sorgen, die mit der genetischen Bearbeitung von Pflanzen verbunden sind. GVO-Pflanzen wie Mais oder Soja dringen seit vielen Jahren in Lebensmittel, Tierfutter und Biokraftstoffe ein, und der Kampf um sie herum hat die Gesellschaft in den USA und anderen Ländern gespalten. Die Crispr-Revolution erfindet diese Debatte neu oder entfacht sie sogar neu. Die meisten der heute existierenden Pflanzen wurden durch die Entfernung von Genen (durch Mutationen) und nicht durch die Einführung genetischer Sequenzen anderer Arten wie bei der ersten Generation genetischer Veränderungen, die Angst vor Frankensted und Umweltverschmutzung hervorriefen, bearbeitet. Gerade weil die Bearbeitung jetzt eher durch Entfernen als durch Hinzufügen erfolgt, argumentieren Wissenschaftler, dass die derzeitige Form der Gen-Bearbeitung die Mutationen nachahmt, die während der klassischen landwirtschaftlichen Züchtung aufgetreten sind. Dieser Unterschied mag Kritiker nicht beruhigen, überzeugte aber die staatlichen Regulierungsbehörden; Gentechnisch veränderte Sojabohnen und Kartoffeln wachsen bereits, und im März letzten Jahres gab das US-Landwirtschaftsministerium bekannt, dass die durch genetische Bearbeitung gewonnenen Pflanzen von denen, die durch traditionelle Selektion gewonnen wurden, „nicht zu unterscheiden“ seien und keine „staatliche Aufsicht“ erforderten.

Die Zukunft der Lebensmittel ist voller Fragen: Wie man 9 Milliarden Münder füttert, wie man in einer Zeit beispielloser klimatischer Unsicherheiten Landwirtschaft betreibt, wie man beständigere und nahrhaftere Lebensmittel für die Öffentlichkeit schafft, die sich Sorgen um neue Technologien macht. Botaniker verwenden Crispr und verwandte Technologien bereits, um Pflanzen radikal zu verändern - sie bearbeiten Weizen, um den Glutengehalt zu verringern, Sojabohnen, um gesündere Butter zu produzieren, Mais, um den Ertrag zu steigern, Kartoffeln, um die Lagerung zu verbessern (und krebserregende Abfälle während des Kochens zu reduzieren). Industrielle und wissenschaftliche Labors entwickeln neue Bearbeitungswerkzeuge, die die Lebensmittel, die wir alle essen, ernsthaft beeinträchtigen können. Diese neu entdeckte Fähigkeit, Lebensmittel umzuwandeln, fiel jedoch mit der Konsolidierung der Landwirtschaft in drei Megakonglomerate zusammen. Diese Unternehmen haben die Möglichkeit, neue Technologien auf den Markt zu bringen. Die Frage ist, warum sie es verwenden werden.

Sojabohnen, Kartoffeln und Mais integrieren sich verdeckt in die Nahrungskette, aber Tomaten fügen der aktuellen Debatte ein großes rotes Ausrufezeichen hinzu. Wahrscheinlich kann keine andere Nahrungspflanze symbolischer sein, wenn man bedenkt, was in Bezug auf Landwirtschaft, Biologie, Kultur und den Anbau von hausgemachtem Essen auf dem Spiel steht. Tomate - der König der Bauernmärkte, die Perle des Hausgartens, Alpha-Gemüse- Lokavorov . In Lipmans Gewächshaus gibt es nur wenige Möglichkeiten, wie die Bearbeitung von Genen bereits Tomaten verändert - er hat Pflanzen, die früher blühen, das Vorhandensein oder Fehlen von Licht ignorieren, eine kleinere Fläche einnehmen und mehrere Früchte gleichzeitig auf den Stiel legen.

Für Menschen, die gerne Tomaten essen oder anbauen (ich komme aus beiden Kategorien), verursacht das Auftreten von Crispr Zynismus und schwindelerregende Hoffnungen auf die Zukunft unseres geliebten Gemüses. Zynismus entsteht, weil die meisten praktischen wissenschaftlichen Bemühungen den frischen Geschmack von kommerziell angebauten Tomaten aufrechterhalten. In gewissem Sinne ist dies nur ein Zeichen für den Sieg der Lebensmittelproduzenten, die eine größere Ernte für weniger Geld gegenüber dem Geschmack der Verbraucher suchen, denen Geschmack und Ernährung gegeben werden. (Harry Klee, ein Tomatenexperte an der Universität von Florida, sagt, dass die Größe der idealen Tomate für die Branche genau der Größe eines McDonald's-Hamburgers entsprechen muss.) Und Hoffnung - denn es ist faszinierend, mit der neuen Technologie eine köstliche, süß-saure Explosion der Tomatensorte der Familie in einer resistenteren krankheitsresistenten Pflanze zu bewahren.

Nach einem Spaziergang mit Lipman durch seinen Garten mit Mutationen, die von einem Mann gemacht wurden, musste ich mich fragen, ob die Familiensorten, die ich jedes Jahr selbst anbauen möchte, von einer Crispr-Schere stammen.

"Wir bearbeiten keine Familiensorten", sagte Lipman. - Tschüss. Dies ist aber bereits in der Entwicklung. Sie können von kleinen Verbesserungen profitieren. “


Tomaten verwöhnen und machen Photosynthese am Boyce Thompson Institute

Dies ist eine Geschichte über Tomaten. Aber wie in allen landwirtschaftlichen Geschichten gibt es auch eine Geschichte über Mutationen, sowohl "natürliche" als auch von Menschen verursachte, gerissene, unsichtbare Mutationen und übermäßig groteske Mutationen, die Anfang dieses Jahres im Labor erstellt wurden, und solche, die 10.000 Jahre alt sein könnten zurück, wie diejenigen, die Solanum pimpinellifolium (Johannisbeertomate), ein unordentliches mehrjähriges Unkraut, das erbsengroße Früchte produziert und an der Pazifikküste in Peru und Ecuador wächst, in diese schönen und riesigen Früchte von Familiensorten verwandelt haben, die in Ihrem Garten wachsen. In unserem Kulturwörterbuch hat das Wort „Mutation“ nur eine spöttische Bedeutung, aber wenn Sie dieses Wort für schlecht halten, sollten Sie es wahrscheinlich nicht weiter lesen - und keine pflanzliche Nahrung zu sich nehmen. Das Grundprinzip der Pflanzenzüchtung besteht darin, genetische Veränderungen und Mutationen auszunutzen, unabhängig davon, ob diese Mutationen durch Sonnenlicht, Röntgenstrahlen oder Crispr verursacht werden. Wie Klee sagt: "Ich kenne keine einzige Nahrungspflanze, die in einem Supermarkt zu finden ist, der sich im Vergleich zu seiner wild wachsenden Version nicht dramatisch verändert hat."

Jeder Gärtner ist freiwillig oder unfreiwillig ein Spezialist für Mutationen. Alle verschiedenen Sorten von Familientomaten - dünnhäutiger Brandywine, aprikosenheller Joan Flamm, grünliche schwarze Krim und meine geliebte Berner Rose, rosig und köstlich im Geschmack - sind Produkte langjähriger Mutationen von geringer Qualität.


Forschungsstandorte in Cold Spring Harbor, wo etwa 8.000 gentechnisch veränderte Pflanzen wachsen

Jedes Frühjahr sitze ich mit einem Haufen Töpfe, die mit Torf und anfänglicher Erde gefüllt sind, auf dem Boden und drücke die Samen der oben genannten Sorten ungeschickt in jungfräulichen Boden. Meine Frau wundert sich, warum ich nicht wie alle anderen sofort fertige Setzlinge auf dem Markt kaufen sollte, aber ich bin meiner kindlichen Freude nicht entwachsen, zu beobachten, wie aus einem winzigen Stück Pflanzen-DNA, umgeben von einer harten Schale eines Samens, eine anderthalb Meter lange Pflanze wird, die ihre Makellosigkeit abgibt Geschenke. Gärtner - die ersten autodidaktischen Biologen - kennen diese Freude. Wie Lipman. So nahm er die genetische Bearbeitung von Tomaten auf.

Lipman wuchs in Milford, Connecticut, auf. Sein Vater unterrichtete seine Muttersprache und seine Mutter arbeitete im Gesundheitswesen. Zu seinen frühesten Erinnerungen gehörte der Besuch eines nahe gelegenen Bauernhofs mit seinem Vater im Alter von 6 bis 7 Jahren, als er hier und da herumliegende Kürbisse mit ihren erstaunlichen Formen und Farben sammelte.

Dieses Kürbisfeld gehörte zu Robert Trits Farm, und als Lipman 13 wurde, begann er dort jeden Sommer zu arbeiten und seine Liebe zu Pflanzen zu pflegen. Als er 1996 die High School abschloss, beschloss er, Pflanzenzüchtung und Genetik zu studieren, zuerst an der Cornell University und dann in Cold Spring Harbor, wo er seine Promotion verteidigte, und arbeitet jetzt als Forscher am Howard Hughes Medical Institute.

Lipmans Büro ist ein Tomatentempel. An den Wänden hängen alte Etiketten mit Tomatenkonserven und Postkarten mit unrealistisch großen Tomaten, und auf dem Tisch, in alten Kisten, in Holzschalen und Plastikschränken an der Wand, werden Tausende kleiner brauner Umschläge mit Samen aufbewahrt, die nach Jahr und Klasse gekennzeichnet sind. Das charakteristischste Relikt befindet sich direkt vor der Tür - eine große Reproduktion in einem Rahmen aus einem Buch von Pietro Andrea Mattioli aus dem 16. Jahrhundert, das als ältestes farbiges Bild einer Tomate gilt, die unmittelbar nach der spanischen Expansion nach Amerika hergestellt wurde. Für einen Genetiker wie Lipman ist Mattiolis Zeichnung besonders wichtig, da sie darauf hinweist, dass präkolumbianische Einwohner Amerikas eine nützliche Mutation von Tomaten erkennen könnten - sie haben bereits eine kleine wilde Frucht in eine große und goldene verwandelt.


Samen werden in Kisten gelagert und dann gepflanzt.

Bis in die 1930er Jahre verließen sich Agrarfachleute auf dieselbe Technologie wie die ersten Tomatenbauern in Nordamerika: Warten Sie geduldig darauf, dass die Natur eine vorteilhafte Mutation hervorbringt, erkennen Sie eine vorteilhafte Eigenschaft (z. B. größere Früchte) und Erstellen Sie mit dieser Eigenschaft eine neue Sorte, indem Sie mutierte Stämme auswählen und vermehren. Mit anderen Worten, Landwirtschaft stand immer für unnatürliche Selektion - die Wahl einiger Mutationen durch eine Person und die Ablehnung anderer. Während des Zweiten Weltkriegs beschleunigten Biologen diesen Prozess, indem sie absichtlich Mutationen in Samen mithilfe von Chemikalien, Röntgenstrahlen und anderer Strahlung induzierten. In diesem Fall war der Prozess jedoch langsam. Die Auswahl der gewünschten Eigenschaften kann sich leicht über zehn Jahre erstrecken.

Alles begann sich 2012 zu ändern, ein entscheidendes Jahr für Tomaten. Im Mai dieses Jahres haben Pflanzengenetikspezialisten das Tomatengenomprojekt abgeschlossen - sie haben die gesamte DNA-Sequenz entschlüsselt, alle 900 Millionen gepaarten Basen auf 12 Chromosomen. Im Juni veröffentlichte eine Gruppe unter der Leitung von Jennifer Dudna von der University of California in Berkeley die erste Arbeit zu einer neuen Gen-Editing-Technologie, Crispr, der bald Gruppen des Broad Institute am MIT und in Harvard folgten. Diese beiden Forschungsströme konkurrierten miteinander, um herauszufinden, ob die neue Technologie mit Pflanzen funktioniert.

Sobald Informationen über Crispr erschienen, dachte Lipman: „Ist es möglich, sie auf Tomaten anzuwenden? Wenn möglich vorwärts. “ Es war notwendig, schnell ein Experiment mit Tomatengenen durchzuführen, das die Wirksamkeit von Crispr unverzüglich nachweisen konnte. Auf welches Gen haben Lipman und van Ekk abgezielt? Keiner, der die Größe oder Form des Fötus verbessern würde, da dies viel Zeit in Anspruch nehmen würde und van Ekk ungeduldig war. "Ich möchte nicht, dass er in ein Gewächshaus gepflanzt wird und warte, bis er erwachsen ist", sagte sie zu Lipman. "Ich möchte, dass wir schon etwas in der Petrischale sehen." Deshalb wählten sie ein Gen, das wirtschaftlich völlig nutzlos und aus Verbrauchersicht noch weniger nützlich war. Es war ein seltsames Gen, das infolge einer Mutation verstümmelte Tomatenblätter hervorbrachte, die wie Nadeln aussahen. Die mutierte Version wurde "Draht" genannt.

Die Drahtmutation war so wenig bekannt, dass van Ekk ein Werk aus dem Jahr 1928 ausgraben musste, um zu verstehen, wonach es suchen musste. Für jede Mutation mit Crispr-Technologie ist ein speziell vorbereitetes Werkzeug namens "Konstrukt" erforderlich - eine Leit-RNA , mit der Sie auf ein bestimmtes Tomatengen und das dazugehörige Enzym zielen können, wodurch die DNA der Pflanze an der richtigen Stelle abgeschnitten wird. In diesem Fall entwickelte Lipman ein Konstrukt, das auf das Drahtgen abzielt und es ausschneidet. Genau genommen wird die Mutation nicht durch die Crispr-Technologie verursacht, sondern durch die Pflanze selbst, die versucht, die Wunde zu heilen. Van Ek verwendete ein Bakterium, das Pflanzen perfekt infiziert, um die Crispr-Mutation in Tomatenzellen zu bringen. Nach der Mutation wurden diese Zellen in Petrischalen überführt, wo sie sich zu entwickeln begannen und Pflanzen hervorbrachten. Van Ekk musste noch ein paar Monate warten, bis aus den Tomatenzellen Sprossen wurden und Triebe mit Blättern wuchsen, aber das Warten hat sich gelohnt.

„Ich erinnere mich noch daran, die ersten Blätter gesehen zu haben“, erinnert sie sich. Sie waren zu Nadeln verdreht. "Entzückend, es hat funktioniert!" Sie weinte und eilte durch die Korridore des Instituts und erzählte allen, die bereit waren, darüber zu hören. "Ich war im Zug, denn was funktioniert eigentlich beim ersten Mal?"

Sie haben nicht nur gezeigt, dass Crispr in der Lage ist, eine vererbte Veränderung der Merkmale von Nahrungspflanzen zu bewirken, sondern ihr Ergebnis auch in ein paar Monaten statt in einem Jahr erhalten. Sie wussten, dass derselbe Prozess im Prinzip verwendet werden kann, um jedes Gen in jeder Kultur mit äußerster Genauigkeit und beispielloser Geschwindigkeit zu bearbeiten.

Sobald sie davon überzeugt waren, dass alles funktionierte, begannen Lipman und van Ekk, alle Eigenschaften, die sie in den letzten 15 Jahren nur untersuchen wollten, zu „knirschen“. Einer von ihnen ist zu einem knotenlosen Eigentum geworden. Seit 60 Jahren versuchen Forscher, das Problem eines Knotens auf einem Tomatenspross zu lösen.Der großflächige Anbau von Tomaten - allein in Kalifornien werden jährlich mehr als 10 Millionen Tonnen produziert - erfordert eine mechanische Montage, und Tomatenstängel, die die Früchte durchbohren, erschweren die Aufgabe und erhöhen die Abfallmenge. Lipman, der Pflanzenarchitektur studierte, wusste, dass viele Sorten knotenloser Tomaten zu viele zusätzliche Triebe produzieren und den Ertrag verringern. Er fand heraus, dass dieser Nebeneffekt das Ergebnis einer traditionellen Selektion war: Wenn Züchter eine Mutation ohne Knoten auswählten, erhielten sie aufgrund der komplexen Wechselwirkung von Mutationen auch unnötige Verzweigungen. Die traditionelle Selektion ergab einen weiteren Nebeneffekt - Früchte mit ungewöhnlicher Form -, da bei der Selektion einer knotenlosen Pflanze ein Stück DNA mit einer unnötigen Mutation gezogen wurde.

Wenn Lipman Crispr verwenden könnte, um eine Mutation ohne Knoten zu erzeugen, ohne die schädlichen Auswirkungen der traditionellen Zucht zu beseitigen, wäre dies ein Durchbruch für die Landwirte. Er und van Ekk mussten länger warten als bei nadelförmigen Blättern, aber bis März 2016 hatte Lipman Tomaten im Gewächshaus gepflanzt. Sie veröffentlichten im Frühjahr 2017 einen Artikel in der Zeitschrift Cell, und Lipman teilte Klee und der University of Florida ein Tool zur Bearbeitung von Genen mit. Im März letzten Jahres landeten Klee und das Team mehrere genetisch bearbeitete Knotenmutanten der kommerziellen Sorte Florida 8059 in einem Versuchsfeld nördlich von Gainesville.


Joyce van Ekk sah die verdrehten Blätter eines winzigen Tomatensämlings und erkannte, dass das Experiment ein Erfolg war

Kehren wir zur brutalen Realität zurück: Trotz des Hype, der mit der Revolution in der Geneditierung verbunden ist, hat diese Technologie in den letzten Jahren nicht nur Erfolg, sondern auch Grenzen gefunden. Wissenschaftler werden Ihnen sagen, dass Crispr sehr gut darin ist, Gene auszuschalten. Es ist jedoch nicht so einfach, damit neue Gene einzufügen, wie viele empfohlen haben, um die genetische Linie einer Person, eines Tieres oder einer Pflanze zu „überschreiben“. "Crispr ist nicht für alles eine Lösung aus einer Hand", sagte Dan Voitas von der University of Minnesota, einer der Pioniere der Bearbeitung landwirtschaftlicher Gene. Darüber hinaus sind Genome auch in Pflanzen sehr komplex. So wie ein Dutzend Griffe eines Stereoradios den Klang eines Songs erzeugen können, steuern viele genetische Elemente die Wirkung eines einzelnen Gens.

Die entmutigende Komplexität inspirierte Lipmans Labor zu einem kniffligen Trick bei der Geneditierung. "Ich erinnere mich, dass ich hier eine Notiz haben sollte", sagt Lipman und zeigt auf die Tastatur. Die Notiz sagt einfach: " CRISPR- Promotor ".

In Pflanzen wie in Tieren (und Menschen) befindet sich ein Teil der DNA außerhalb des Segments des Gens, das für Proteine ​​kodiert, und reguliert deren Produktion. Diese Nukleotidsequenz wird als Promotor bezeichnet und legt verschiedene Ausgangspegel - so etwas wie Volumen - für bestimmte Gene fest. Was wäre, wenn, fragte sich Lipmans Gruppe, Crispr verwendet werden könnte, um das Volumen eines bestimmten Gens anzupassen, indem es wie ein Funkgriff gedreht oder verdreht wird, indem der Promotor an verschiedenen Stellen mutiert wird?

Das Gewächshaus auf Long Island ist voller Beispiele dafür, was passiert. Daniel Rodriguez-Lial und Kollegen aus Lipmans Labor veröffentlichten in Cell einen Artikel über seine Entdeckung: Durch Mutationen im selbsttrimmenden Genpromotor an verschiedenen Stellen konnten sie dessen Produktion regulieren und kleine, aber wichtige Änderungen vornehmen. Laut Lipman können Wissenschaftler mithilfe von Crispr zur Erzeugung des Gens in unterschiedlichen Mengen „verbesserte“ Versionen von Pflanzen finden, verglichen mit denen, die die Natur zu bieten hat.

Allerdings aus wessen Sicht verbessert? Eine von Lipmans Lieblingsphrasen ist das „goldene Mittel“. Es zeigt ein genetisches Gleichgewicht an und beobachtet, welche Eigenschaften Sie für die Landwirtschaft benötigen, ohne die notwendigen Merkmale wie Geruch oder Form zu beeinträchtigen. „Jetzt können wir darüber nachdenken, unsere besten Tomatensorten zu nehmen und sie schneller blühen zu lassen, damit sie in Breiten näher am Norden angebaut werden können, wo der Sommer kürzer ist“, sagt sie. - Wir können anfangen, über neue Pflanzentypen nachzudenken, über neue Versionen bestehender Nahrungspflanzen, die für den städtischen Anbau geeignet sind, beispielsweise über mehrstufige Gewächshäuser, die Menschen in verlassenen Lagern betreiben. Passen Sie die Pflanze so an, dass sie kompakter wird, schneller blüht und unter sehr kompakten Bedingungen eine Frucht der richtigen Größe und Menge hervorbringt.entspricht der Gewächshauslandwirtschaft, nur bei Verwendung von LED-Beleuchtung. " Da jedes Pflanzengen seinen eigenen Promotor hat, kann eine solche genetische Anpassung für nahezu jede Nahrungspflanze durchgeführt werden.

Das Trimmen ist nur eine von vielen Möglichkeiten, wie Biologen Tomaten wechseln. Letztes Jahr haben Forscher des Sainesbury Laboratory in England die Tomatensorte Moneymaker genetisch bearbeitet, um sie gegen Mehltau resistent zu machen .und ein japanisches Forschungsteam produzierte kürzlich kernlose Tomaten. An diesem 1. Mai, als ich die Samen meiner Familientomaten pflanzte, unterhielt ich mich über Skype mit zwei Botanikern aus Brasilien, die die genetische Bearbeitung von Tomaten auf ein neues Niveau brachten. Zusammen mit dem Wojtas-Labor der University of Minnesota erhielten Augustine Szogon von der University of Visoso und Lazaro Perez von der University of São Paulo durch Reverse Engineering wilde Tomaten, den Vorfahren aller heutigen domestizierten Sorten. Anstatt domestizierte Tomaten zu schneiden, kehrten sie zum ersten Schritt zurück - einer Wildpflanze - und verwendeten Crispr, um mehrere Gene gleichzeitig auszuschalten. Infolgedessen wurde die genetisch bearbeitete Tomate anstelle von buschigem Unkraut kompakt und weitläufig. Anstelle von erbsengroßen Früchten wurden Tomaten kirschgroß.Die bearbeitete Kultur erwies sich auch als mehrLycopin , ein wichtiges Antioxidans als jede andere bekannte Tomatensorte. Dieser Prozess wird als "neue Domestizierung" bezeichnet.

"Wir sind nicht von Erbse zu Größe gewechselt, sondern von Erbse zu Kirsche", beschrieb Szogon diesen ersten Versuch. Und wie schmecken sie? "Großartig!" - Peres argumentierte. Nach dem gleichen Prinzip domestizierten Lipman und van Ekk wilde Physalis in der Hoffnung, dass er Blaubeeren und Erdbeeren als eine der grundlegenden Beerenkulturen verbinden würde.

Ein solcher Ansatz der neuen Domestizierung ist insofern interessant, als er die angesammelte „Weisheit“ einer Wildpflanze voll ausnutzt. Während Zehntausenden von Jahren der Evolution erwerben Wildpflanzen Resistenz und Ausdauer, Resistenz gegen Krankheiten und Stress. Die Domestizierung beseitigte einige dieser Merkmale. Da diese Merkmale normalerweise von einer ganzen Reihe von Genen abhängen, wäre es laut Perez äußerst schwierig, sie mit Crispr oder einer anderen Technologie in bereits domestizierte Tomaten einzuführen. Und dieser Ansatz kann die Verwendung anderer extremer Eigenschaften ermöglichen. Perez will den wilden Blick von den Galapagosinseln "domestizieren" und extreme Bedingungen wie hohen Salzgehalt und Dürre tolerieren - solche Eigenschaften könnten in Zukunft die Sicherheit der Kultur angesichts klimatischer Schwankungen gewährleisten.

Temperaturanstieg. Wechsel der Wachstumsperioden. Bevölkerungswachstum. Die Folgen eines übermäßigen Einsatzes von Herbiziden . Was ist, wenn das Bearbeiten von Genen beispielsweise dazu beiträgt, Gene einzuschließen, die die Krankheitsresistenz erhöhen und den Pestizideinsatz reduzieren ? - fragt Lipman. "Dann wird es nicht nur Nahrung für die ganze Welt anbauen, sondern auch den Planeten schützen."


Lipman neben dem Tomatengewächshaus.

All diese neue Botanik - Gene deaktivieren, Promotoren einstellen, neue Domestizierung - eine wunderbar kreative Disziplin, die sich sehr schnell entwickelt. Aber früher oder später muss man über seine Rückseite sprechen. Wollen die Verbraucher diese Tomaten essen? Werden Crispr-Gemüse und -Körner, wie einige Umweltschützer glauben, zu „neuen GVO“ oder unterscheiden sich gentechnisch veränderte Pflanzen im Wesentlichen von gewöhnlichen? "Dies ist der Beginn eines neuen Gesprächs", sagt Lipman.

Das alte Gespräch war sarkastisch und emotional. Original gentechnisch veränderte Monsanto- Produktewaren "transgen", dh Biologen fügten fremde DNA von anderen Arten in Pflanzen ein. Das Editieren von Genen ähnelt viel eher alten Formen der Mutagenese wie Strahlung und Chemikalien, ist jedoch nicht so unsystematisch. Anstatt zufällige Mutationen zu erzeugen, zielt Crispr auf bestimmte Gene ab. (Beim Bearbeiten kann es passieren, dass Lipman solche Fälle noch nicht erlebt hat.) Aus diesem Grund setzen Botaniker diese Technologie so leidenschaftlich ein. Daher betrachtet das US-Landwirtschaftsministerium die bearbeiteten Kulturen als ähnlich wie frühe Mutagene und erfordert keine besondere Regulierung. (Im Falle der Hinzufügung neuer Gene zu Pflanzen hat das Ministerium beschlossen, jeden Fall separat zu betrachten.) Einige europäische Länder haben GVO verboten,und die Europäische Union muss noch eine endgültige Entscheidung über gentechnisch veränderte Pflanzen treffen.

Obwohl viele Studien die Bedrohung der menschlichen Gesundheit durch GVO nicht nachweisen konnten, bleibt die Öffentlichkeit im Zweifel. Eine Umfrage von 2016 ergab, dass 39% der Amerikaner glauben, dass gentechnisch veränderte Lebensmittel weniger gesund sind als normale Lebensmittel, und selbst bei Lipman zog es seine eigene Frau zunächst vor, seine gentechnisch veränderten Tomaten nicht zu essen.

Es gibt andere Gründe, warum gentechnisch veränderte Lebensmittel verdächtig sind. Monsantos frühe Bemühungen zur Herstellung von GVO verwendeten revolutionäre Technologie, um keine gesunden oder dauerhaften Lebensmittel mehr herzustellen und die Resistenz von Sojabohnen und Mais gegen Roundups firmeneigenes Herbizid abzurunden". Die aggressive Werbung des Unternehmens für ein Produkt, das seinen eigenen Zwecken dient, wurde als PR-Katastrophe anerkannt.

Große Agrarunternehmen versuchen, die Geneditierung zu nutzen. Aus einer Reihe von Allianzen in jüngster Zeit sind drei multinationale Giganten der globalen Landwirtschaft hervorgegangen: Bayer (der die Übernahme von Monsanto in diesem Jahr abgeschlossen hat), DowDuPont (nach der kürzlich erfolgten Fusion von Dupont mit Dow Chemical) und Syngenta (das letztes Jahr von einem großen chinesischen Unternehmen gekauft wurde, das Gene, ChemChina, bearbeitet). . Fragen des geistigen Eigentums können komplexer sein als die Pflanzengenetik. Die wichtigsten landwirtschaftlichen Patente für Crispr gehören den Instituten Broad und DuPont Pioneer. Diese Unternehmen haben sich im vergangenen Herbst zusammengeschlossen, um Lizenzen für die Anwendung von Technologie in der Landwirtschaft zu erstellen (alle drei Giganten lizenzierte Technologie). Laut QuellenDas Recht, Crispr in der gewerblichen Landwirtschaft einzusetzen, setzt Vorauszahlung, jährliche Abzüge vom Umsatz und andere Bedingungen voraus.

Und dann stößt die Bearbeitung von Genen auf eine heftige Agrarwirtschaft. Wissenschaftler können Crispr-Forschung betreiben, ohne eine Lizenz zu bezahlen. Aber das ist alles. "Ich kann keine Produkte entwickeln und verkaufen", sagt Lipman. Die kommerzielle Entwicklung erfordert die Zahlung einer Lizenz - die nur für wohlhabende Agrarunternehmen erschwinglich ist.

Es gibt mehrere kleinere Biotech-Unternehmen, die versuchen, große Beteiligungen und Probleme mit geistigem Eigentum zu umgehen. Calyxt, ein in Minnesota ansässiges Startup, dessen Mitbegründer Wojtas bereits erhalten hat, ist vom US-Landwirtschaftsministerium für den Anbau mehrerer Pflanzen zugelassen, die mit einer früheren und ausgefeilteren Gen-Editing-Technologie, TALENs, erzeugt wurden. Lipman berät das Massachusetts-Startup Inari. St. Louis Benson Hill Biosystems arbeitet daran, die Pflanzenproduktivität mit einer neuen patentierten genetischen Schere zu verbessern, die sie Crispr 3.0 nennt. Aber CEO Matthew Crisp (ja, so heißt er) behauptet, dass die „schlammigen“ Gesetze zum Schutz des geistigen Eigentums Innovationen ersticken. Benson Hill-Partner und zukünftige Lizenznehmer beklagen, dass die kommerziellen Rechte an Crisprs Gen-Editing-Technologie "zu teuer, zu belastend oder zu vage" seien. Die Entdeckung neuer Enzyme für die Geneditierung oder andere Innovationen könnte die Patentlandschaft weiter verwirren. Wie eine Quelle sagte: "Dies ist ein Chaos, und die Situation wird sich nur verschlechtern."

Aus diesem Grund wird dem neuen Startup Pairwise Plants, bei dem Monsanto mit mehreren Pionieren Crispr vom Broad Institute zusammengearbeitet hat, so viel Aufmerksamkeit gewidmet. In jüngsten Aussagen gegenüber Bloomberg betont Tom Adams, ein ehemaliger Vizepräsident von Monsanto, wie neue Kulturen „wirklich gut für Menschen“ sind, was ziemlich überraschend war. "Monsanto sprach keine solche Sprache", sagte Voitas. Der Monsanto-Stammbaum ist ein Problem für einige Nerds. "Die Frage ist: Sie haben riesiges Gepäck im Zusammenhang mit der Akzeptanz der Verbraucher", sagt Lipman. "Und wenn sie es hier vermasseln, werden sie alles für alle anderen ruinieren." Alle hielten nur den Atem an. "


Schalen zum Keimen von Tomatensamen


Sprouts Physalis pruinosa am Boyce Thompson Institute in Ithaca

Hier ist eine einfachere Frage für Sie: Was ist mit dem Geschmack? Als ich Harry Klee fragte, ob er eine der 8059-Sorten ohne Wurzel ausprobiert habe, die er anbaut, lachte er und sagte, dass er sie nicht bekommen habe. "Wir wissen, dass Florida 8059 im Prinzip keinen Geschmack als solchen hat." Die Verbesserung des Geschmacks von Tomaten hat in der Marktwirtschaft immer nur die zweite Geige gespielt. Die meisten Tomaten aus Florida wachsen in der Lebensmittelindustrie - „McDonald's und Subwoofer“, sagt Klee. "Die traurige Realität ist, dass die Industrie nicht versucht, die Tomaten schmackhafter herauszubringen." Kli liebt es, über Geschmack zu sprechen - er leitet eine Gruppe, die ein paar Dutzend genetische Stellen identifiziert hat, die für den außergewöhnlichen Geschmack von Tomaten verantwortlich sind. "Wir wissen absolut, wie man eine süßere und schmackhaftere Tomate gibt", sagt er. Aber solche Tomaten sind wirtschaftlich nicht attraktiv."Die Bauern werden sie nicht akzeptieren."

Und was ist mit den Verbrauchern? Würden sie eine gentechnisch veränderte Tomate nehmen, wenn sie besser schmecken würde? Oder, um es anders auszudrücken, würde botanische Blasphemie Familiensorten bearbeiten?

Während seiner Besichtigung des Gewächshauses hielt Lipman irgendwann an, um freundlicherweise Familiensorten zu entlassen. Er gibt zu, dass dies ausgezeichnete Tomaten sind, aber "sie geben eine sehr Meerrettichernte." Aus eigener Erfahrung kann ich bestätigen, dass Familiensorten zu wählerisch und nicht sehr produktiv sind und auch ein schlechtes Immunsystem haben - zum größten Teil stören sie Sie, zumindest wenn Sie in einem Garten wachsen. Sie beginnen zu wachsen wie ein Bolzenauf hundert Metern und verwandeln sich dann in erschöpfte, welke Pflanzen, die an allen möglichen Krankheiten, Pilzen und Parasiten leiden und braune Blätter haben. Es wäre verlockend, die neue Technologie zu verwenden, um sie zu bearbeiten. Kli "freut sich darauf, Gene in den Gärten zu bearbeiten." Er glaubt, dass Gärtner wie ich das Argument akzeptieren können, dass gentechnisch veränderte Tomaten keine GVO sind.

„Was wäre, wenn wir Ihnen eine Brandyvine-Sorte mit hohem Lycopingehalt, langer Haltbarkeit und kompakteren Büschen geben würden? Kli hat mich gefragt. "Ich kann jetzt alles tun, indem ich Gene durch Bearbeiten deaktiviere." Und ich könnte Ihnen etwas geben, das fast identisch mit dem Brandywein ist, nur halbwüchsig und mit Früchten, die tagsüber nicht schlaff werden, und außerdem eine tiefrote Farbe aufgrund von Lycopin. Würdest du das anbauen? "

"Natürlich!" Ich habe es ihm gesagt.

"Ich denke, jeder würde es anbauen", sagte er. "Ich denke, es wäre eine großartige Gelegenheit, Gärtner darüber zu informieren, woraus die Auswahlmethode besteht."

Nicht jeder wird Kli (oder mir) zustimmen. Voitas, ein Pionier in der Bearbeitung von Pflanzengenen, lachte, als ich ihn nach der genetischen Bearbeitung von Familiensorten fragte. „Zum Teil, weil es sich um Familiensorten handelt. Das heißt, der Name deutet darauf hin, dass es sich um einen Wert aus der Vergangenheit handelt. Und nichts Neues, Technologisches. “ Ein wenig näher am Punkt erinnerte er mich an die "unverschämten" Preise für die Lizenzierung von Gen-Editing-Technologie. "Daher wird Ihre Vorstellung von bearbeiteten Familientomaten für jemanden, der für eine Lizenz bezahlt, niemals finanziell attraktiv sein."

Fazit: Genetisch verarbeitete Tomaten sind offenbar bereits auf dem Weg zum Markt. Aber Tomaten mit verbessertem Geschmack in naher Zukunft sind das Warten nicht wert.

Anfang Juni kehrte Zack Lipman zur Landwirtschaft zurück. An einem sonnigen Nachmittag schienen er und ein Dutzend Kollegen zunächst etwa 8.000 gentechnisch veränderte Tomaten auf ein Feld auf dem Gelände des Cold Spring Harbor-Labors zu verpflanzen. Es gab viele bekannte Mutanten - knotenlos, selbstschneidend, lichtunempfindlich. "Pflanzen Sie tiefer!" Schrie er und das Team beschleunigte und versuchte, die Sämlinge unter einem plötzlich dunkler werdenden Himmel im Boden zu verwurzeln.

Das endgültige Schicksal gentechnisch veränderter Tomaten ist ebenso unvorhersehbar wie das Wetter, aber das Schicksal dieser spezifischen Tomaten ist weniger rätselhaft. Lipman nimmt sie oft mit nach Hause. „Ich habe schon viele gentechnisch veränderte Tomaten gegessen, ja“, lacht er. Es ist nicht verwunderlich, dass er in ihnen keine Unterschiede zu gewöhnlichen findet. "Es sind keine GVO", betont er. - Das Ergebnis ist das volle Äquivalent einer natürlichen Mutation. Warum also nicht essen? Dies ist nur eine von Tausenden oder Millionen von Mutationen, die die Gesundheit der Pflanze beeinträchtigen können oder nicht - und wir essen sie! “