Растение с геном кролика очищает воздух: эксперимент и его границы

В декабре 2018 года в журнале Environmental Science & Technology появилась статья учёных Вашингтонского университета, которая наделала немало шума: исследователи взяли обыкновенный эпипремнум (потос), встроили в него ген из клеток кролика и показали, что это растение способно разрушать ряд летучих органических соединений, которые обычные растения не трогают. Заголовки СМИ немедленно объявили о «комнатном растении-очистителе воздуха». Реальность интереснее, но и значительно скромнее.

Что за ген и зачем он нужен

Речь идёт о гене, кодирующем фермент цитохром P450 2E1 — в сокращении CYP2E1. Этот белок присутствует в клетках всех млекопитающих, в том числе человека: именно он отвечает за метаболизм этанола в печени, а заодно разрушает ряд токсичных органических молекул, превращая их в менее опасные соединения. В нашем организме CYP2E1 сосредоточен в печёночных клетках и включается в работу при употреблении алкоголя, поэтому к очистке воздуха в лёгких он отношения не имеет.

Исследователи под руководством профессора Стюарта Стрэнда решили применить концепцию «зелёной печени»: перенести реакцию расщепления токсинов в растение, которое могло бы непрерывно работать в жилом пространстве. Для этого была создана синтетическая версия гена кролика, кодирующего CYP2E1, — именно кролика, а не человека, поскольку кроличья форма фермента лучше охарактеризована для подобных экспериментов. Ген вставили в каждую клетку эпипремнума, и растение начало экспрессировать белок 2E1 во всех своих тканях.

Что и как разрушается: бензол и хлороформ

В организме млекопитающих CYP2E1 превращает бензол в фенол, а хлороформ — в углекислый газ и хлорид-ионы. Оба конечных продукта для растений полезны или нейтральны: фенол используется при синтезе клеточных стенок, углекислый газ — в фотосинтезе, хлорид — как микроэлемент.

Откуда берутся бензол и хлороформ в домашнем воздухе? Бензол — компонент бензина и выхлопных газов — проникает в дома, где в пристроенных гаражах хранятся автомобили или газонокосилки. Хлороформ в небольших количествах присутствует в хлорированной водопроводной воде и выделяется при кипячении, душе или принятии ванны. Оба вещества относятся к канцерогенам при хроническом воздействии, и стандартные HEPA-фильтры с ними не справляются — молекулы слишком малы.

Эксперимент: закрытая стеклянная камера

Дизайн опыта важен для понимания того, что именно было измерено. Исследователи помещали растения — модифицированные и обычные — в отдельные стеклянные трубки, добавляли туда бензол или хлороформ в газообразном виде и отслеживали изменение концентрации на протяжении 11 дней.

Результаты оказались впечатляющими в рамках этой установки. Хлороформ в трубках с обычными растениями практически не убывал. В трубках с ГМ-растениями его концентрация за три дня упала на 82%, а к шестому дню он практически исчез. Бензол снижался медленнее: за восемь дней концентрация упала примерно на 75% в трубках с модифицированными растениями.

Однако концентрации, которые использовали исследователи, были значительно выше тех, что типичны для жилых помещений. Учёные отдельно оговаривают это: они намеренно взяли завышенные концентрации, чтобы регистрировать снижение инструментально. По мнению авторов, при реальных — значительно более низких — концентрациях снижение может быть сопоставимым или даже более быстрым в процентном отношении. Это предположение, а не измеренный факт.

Ограничение первое: нет воздушного потока — нет очистки

Профессор Стрэнд прямо предупреждает: растение, стоящее в углу комнаты, оказывает некоторый эффект — но без принудительного движения воздуха молекула токсина, находящаяся на другом конце комнаты, может добраться до листа очень долго или не добраться вовсе. Чтобы модифицированный эпипремнум работал как полноценный очиститель, его нужно поместить в специальный короб с вентилятором, который прогоняет воздух через листву.

Это фундаментальное ограничение: растение разрушает молекулы только тогда, когда они достигают его листьев и поступают внутрь через устьица. Диффузия без принудительной вентиляции — медленный процесс. Это означает, что любые оценки продуктивности ГМ-растения применительно к реальной комнате должны учитывать скорость воздухообмена — параметр, который в лабораторном опыте не воспроизводился.

Ограничение второе: один ген, два соединения

CYP2E1 эффективен против ограниченного круга молекул. Он разрушает бензол и хлороформ, но не формальдегид — один из наиболее распространённых летучих загрязнителей в жилых помещениях, источником которого служат ламинат, МДФ-мебель и некоторые напольные покрытия. Авторы статьи прямо указывают, что в качестве следующего шага планируют встроить в растение белок, расщепляющий формальдегид.

EPA относит к основным загрязнителям закрытых помещений раdon, окись углерода, продукты горения, споры плесени, частицы, летучие органические соединения. Модифицированный эпипремнум потенциально работает с узкой категорией последних — и только при наличии воздушного потока.

Что делать с качеством воздуха в доме: EPA об эффективных мерах

По данным EPA, около 90% своего времени люди проводят в помещениях, а концентрации некоторых загрязнителей внутри могут в 2–5 раз превышать наружные. EPA выделяет три стратегии улучшения качества воздуха в порядке убывания эффективности.

Первая и наиболее действенная — контроль источников: устранить или минимизировать выделение загрязнителя. Не хранить автомобиль в закрытом пристроенном гараже. Выбирать материалы с низким содержанием летучих органических соединений при ремонте. Не курить в помещении. Это работает независимо от того, есть ли у вас растения или фильтры.

Вторая стратегия — вентиляция: проветривание, вытяжные системы, рекуператоры. Приток свежего воздуха разбавляет концентрацию загрязнителей и работает применительно ко всем вредным соединениям разом.

Третья — фильтрация: HEPA-фильтры задерживают твёрдые частицы, активированный уголь адсорбирует ряд летучих соединений. Это дополнение к первым двум мерам, но не замена им.

Модифицированный эпипремнум мог бы теоретически стать дополнительным элементом этой системы — именно дополнительным, интегрированным в принудительную вентиляцию. Само по себе растение в горшке на подоконнике — не то же самое, что описано в лабораторном эксперименте.

Почему результат всё равно важен

При всех оговорках исследование 2018 года примечательно тем, что впервые показало: классическое комнатное растение можно наделить способностью разрушать летучие соединения, которые недоступны ни HEPA-фильтрам, ни обычным растениям. Это открывает направление для разработки биотехнологических решений, интегрированных в системы вентиляции зданий.

Авторы чётко разграничивают, что доказано и что остаётся гипотезой. Доказано: в закрытой камере с принудительным контактом воздуха с листьями модифицированное растение эффективно снижает концентрацию двух конкретных соединений. Не доказано применительно к реальной комнате — эффективность в условиях нормального воздухообмена, широкого спектра загрязнителей и типичных концентраций.

Коммерческая доступность растения ограничена: в ряде регионов ГМ-организмы требуют специальной регуляторной процедуры, а правила в отношении домашних ГМ-растений различаются по странам. Работа продолжается — группа Стрэнда нацелена на расширение спектра разрушаемых соединений.

Читайте также: В Аргентине представили первых генетически модифицированных лошадей для поло