Редактирование генома сельхозкультур, которые мы употребляем в пищу, — одна из сфер применения искусственного интеллекта. Почему это нужно уже сейчас и на что может повлиять в будущем?. Об этом пишет DW.
Производство продуктов питания очень сильно влияет на экологию. Как и наоборот — глобальное изменение климата и такие его последствия как, например, наводнения, ураганы и засуха, воздействуют на урожай и, в конечном счете, на количество продовольствия. Согласно докладу World Resources Institute (WRI), человечество столкнулось с дилеммой. Для обеспечения продовольствием оно должно больше производить, не используя при этом еще больше земли и ресурсов.
«Между объемами продуктов питания, которые производятся сегодня, и теми, в которых мы будем нуждаться к 2050 году, разница — 50 процентов. То есть человечеству потребуется гораздо больше продовольствия, и эти цифры отражают потребность лишь в самых необходимых продуктах питания», — констатирует Жанет Ренженетан, эксперт по вопросам обеспечения продовольствием в WRI и соавтор доклада.
Сколько ресурсов используется для производства продуктов питания
Во всем мире большая часть сельхозугодий используется для того, чтобы выращивать корм для скота, который, соответственно, необходим для производства молока и мяса. Если бы эти земли использовались исключительно для производства сельхозкультур, употребляемых в пищу людьми, и каждый человек был бы вегетарианцем, мы могли бы производить продукцию, которой хватило бы для всех и на долгое время. Но пока об этом речь не идет.
Фермер обрабатывает поле удобрениями вблизи ГанновераФермер обрабатывает поле удобрениями вблизи Ганновера
Фермер обрабатывает поле удобрениями вблизи ГанновераФото: Julian Stratenschulte/dpa/picture alliance
«Если количество урожая не изменится, и мы будем продолжать жить так же и дальше, то останется единственная возможность, чтобы обеспечить потребность человечества в продовольствии в будущем — еще больше истощать пахотные земли. И это означает, что мы должны будем навсегда попрощаться с пока еще имеющимися экосистемами», — предупреждает Ренженетан.
Чтобы этого избежать, ученые с помощью искусственного интеллекта (ИИ) и так называемых «генетических ножниц» CRISPR-CAS9 выращивают устойчивые к изменению климата сельхозкультуры, которые дают больший урожай и потребляют для своего роста мало ресурсов. Для этой цели используется технология, которая изменяет гены растений с помощью метода редактирования генома.
ИИ и редактирование генома в производстве продуктов
Один из примеров — производство риса. В Индии, Китае или Пакистане, а также в других частях планеты, засухи ведут к большим потерям урожая риса. Такое следствие изменение климата является серьезной проблемой, поскольку рисовые поля нуждаются в большом количестве воды. Решением проблемы в этом случае являются новые сорта риса, в частности сорт, который называется IR64.
Он в основном растет в странах Глобального Юга — в Индии, Индонезии, Мавритании, Мозамбике, Вьетнаме и в зоне Сахеля в Сахаре, на западе Африки, а продается по всему миру. Из-за изменения генома этот сорт удалось сделать устойчивым к засухе. В определенный период времени ему требуется до 40 процентов меньше воды, чем обычно.
«Редактирование генома отличaется от традиционной техники модификации генов. Оно основано на естественном процессе, но делает мутации генов не такими непредсказуемыми», — указывает Детлеф Вайгель (Detlef Weigel), биолог из Общества Макса Планка. Большинству генетически модифицированных продуктов, животных или растений был пересажен искусственный ген или ген другого организма. Так, например, хлопок, устойчивый к насекомым, или же кукуруза, содержат ген, который изначально принадлежал бактерии.
Вместо того, чтобы использовать чужую ДНК, редактирование генома может изменить генетический код собственной ДНК организма. С помощью ферментов рестрикции (типов белков, которые разрезают двухцепочечные молекулы ДНК в определенных точках), выполняющих роль генетических ножниц, можно удалить гены растений, заменить их или повторить. Изменение гена естественным путем длилось бы несколько поколений. «И это было бы уже не нужно, именно потому что длилось слишком долго. А метод редактирования генома очень действенный и быстрый, потому что речь идет об изменении всего одного гена», — объясняет Вайгель.
Новая технология или опасность
Речь идет не только о сорте риса, который был выведен с помощью ИИ и является устойчивым к засухе. Некоторые исследования выявили, как с помощью искусственного интеллекта можно увеличить урожай помидоров почти на 70 процентов, вырастить сою в соленой воде или сократить выбросы метана. А одна ученая из Кении даже пытается вырастить «умный банан», как она его называет. В своей лаборатории ей удалось активировать ген, который запускает иммунную систему банана в борьбе с вирусом, который активен именно при засухе.
Многие из растений, к которым применили новые генетические технологии, находятся в фазе тестирования и информации о них слишком мало. Но критики считают это опасными экспериментами с природой. Некоторые из них указывают на такие случаи, когда произошли генетические изменения, которые не были предусмотрены, или на случаи, когда в результате вмешательства исчезло больше генетической информации, чем планировалось.
К тому же оказалось, что гены, которые в период засухи увеличивают урожай, в слишком дождливые месяцы его уменьшают. Поскольку в этом процессе участвует большое число генов, недостаточно убрать один или два из них.
Как диверсифицировать источники продовольствия
Чем менее приспособлено растение к тем или иным условиям и среде, тем легче его улучшить. Поэтому основной потенциал ИИ в этой сфере в том, чтобы с помощью технологии генетических ножниц развивать сорта аграрных культур, которые до сих пор не выращивали в промышленных масштабах, например, просо. «Мы можем очень быстро привести растения к такому состоянию, когда их выгодно будет выращивать, и таким образом диверсифицировать источники продовольствия», — уверен Уильям Пелтон CEO, автор стартапа Phytoform.
С помощью искусственного интеллекта Phytoform пытается установить еще больше возможностей оптимизации генов. Их алгоритмы могут в короткое время перерабатывать огромное количество информации, на что человеку потребовались бы годы. Техника настолько развита, что сегодня она понимает некоторые сочетания ДНК лучше, чем человек. «ИИ может установить, какие фрагменты ДНК повторяются, и из этого делать выводы, — говорит Пелтон. — Это значит, что, с одной стороны, ИИ может понять ДНК, но, с другой стороны, он также может предлагать изменения, вдлияющие на результат, который не всегда может быть предсказуемым».
Phytoform работает в настоящее время над тем, например, чтобы картофель не становился коричневым, если в нем появляется какой-либо незначительный изъян. Ученые считают, что это позволит выбрасывать меньше картофеля, еще пригодного в пищу. Кроме того, в фокусе ученых и люпин, который давно используется в качестве еды, но пока его нет на полках магазинов. Это очень богатое белками и полезными веществами растение может использоваться как альтернатива мясу. Алгоритмы Phytoform должны найти, как увеличить урожайность этой культуры и решить проблемы с качеством.
По всему миру технология модификации генов с помощью ИИ набирает обороты. Если в 2011 году было выдано всего несколько патентов в этой сфере, то в 2019 году — почти 2000. В основном они получены частными фирмами или исследовательскими институтами. Сейчас США, Китай и международные компании инвестируют в технологии, которые в скором времени будут приносить миллиардную выручку. В США, Китае и многих латиноамериканских странах такие растения не называют генно-модифицированными и не контролируют жестко, поэтому в ближайшие годы многие новые культуры поступят на рынок.
В ЕС отношение к ним пока несколько иное. Такие растения здесь относят к генетически модифицированным и их жестко контролируют. Но уже ведутся дискуссии о том, насколько корректно данное название в отношении растений, к которым был применен метод редактирования генома. Сторонники ИИ говорят о новой методике выращивания сельхозкультур и выступают за применение генетических ножниц вместо классической модификации генов.
