Нові біотехнології, такі як RNAi, розпилення стерильного пилку і використання системних метаболітів можуть мати істотний вплив на ринок через десять років або й раніше
Десять відсотків світового ринку пестицидів
Уже кілька років у сфері хімічних засобів захисту рослин немає особливих новин і проривів. Впровадження нових діючих речовин відбувалося повільно. Натомість уже зараз біоінсектициди становлять близько 10% світового ринку пестицидів, а зростання кількості біопродуктів на ринку (біофунгіцидів, біогербіцидів, біостимуляторів) виражається двозначними цифрами. Це не дивно, якщо подивитися на попит. Зростають обмеження на хімічні засоби захисту рослин, підвищується стійкість шкідливих організмів до багатьох хімічних речовин, а також є проблема утилізації решток хімічних продуктів. Біологічні продукти практично не мають обмежень щодо застосування і проблем з утилізацією. Вони забезпечують альтернативу хімічним препаратам, до яких є стійкість (хоча є ймовірність, що стійкість до певних біопродуктів може виникнути в майбутньому).
Як ілюстрацію того, що в біозахисті відбувається справжня революція, можна навести такі дані: у першій половині 2024 року на розгляді у Відділі запобігання забрудненню біопестицидами в Управлінні з охорони довкілля США перебував 71 новий активний інгредієнт, тоді як у Відділі реєстрації нових активних інгредієнтів синтетичних хімікатів ― лише 10.
За останні кілька років кількість стартапів, які займаються виробництвом біопродуктів, різко зросла, і далі зростає. Як зазначила в журналі Biopesticide Science доктор Памела Марроне з каліфорнійської корпорації Invasive Species Corporation: «Нові захопливі технології, які розробляють ці стартапи, такі як RNAi, стерильний пилок і системні метаболіти, можуть мати істотний вплив на ринок через десять років або й раніше».
За її словами, опис цих нових продуктів як революційних — це далеко не гіпербола. «Багато років тому ми розробили живі мікробні продукти для захисту рослин, такі як Bacillus thuringiensis, але завдяки новим технологіям перейшли до біохімії, — пояснює вона. — Продукти потужні, оскільки вони у деяких випадках набагато більш цілеспрямовані, ніж хімічні, й мають менший вплив на людей, які їх застосовують, та на інші організми в довкіллі».
«Крім того, вони будуть регулюватися інакше, ніж традиційні хімічні засоби захисту рослин. Це важливо для скорочення часу, необхідного для виведення продукту на ринок. Розроблення та маркетинг цих нових продуктів потребує часу та коштує багато грошей, хоча схвалення регуляторів значно важливіше».
RNAi, стерильний пилок і системні метаболіти матимуть істотний вплив на ринок у перспективі найближчих десяти років
RNAi
Хоча технологія РНК-інтерференції (RNAi) тільки зараз набирає обертів, її несподівано відкрили понад двадцять п’ять років тому доктор Крейг Мелло (Інститут РНК-терапії Массачусетського університету) та доктор Ендрю Файр (Стенфордський університет), за що отримали Нобелівську премію у 2006 році. Вони виявили, що клітини мають механізм контролю активності генів (пошуку певних генів у ДНК), який можна використовувати (запрограмувати), щоб заглушити гени, які мають стосунок до хвороби.
У подібний спосіб у сфері біопродуктів RNAi можна використовувати для пошуку та придушення гена, який відповідає за виживання комах-шкідників або грибних збудників. Минулого року вчені з Канади опублікували дослідження «РНК-інтерференція: минуле та майбутнє застосування в рослинах» (RNA Interference Past and Future Applications in Plants). Суть у тому, що культурну рослину можна генетично модифікувати, щоб шкідник гинув після проковтування її рослинного матеріалу. Одним із відомих прикладів є кукурудза SmartStax Pro, схвалена урядом США для боротьби із західним кукурудзяним жуком. Новина про схвалення цього розроблення з’явилася у 2017 році, а у 2022-му вона вийшла на ринок у США. SmartStax PRO пропонує три способи контролю шкідників, що живляться на корінні, зокрема новий спосіб дії на основі РНКІ. Хоча навіть у США, де дозволені ГМ-рослини, громадськість була занепокоєна їх вровадженням.
На щастя, RNAi можна використовувати й іншими способами. Наприклад, торік група дослідників у Китаї опублікувала подробиці успішної боротьби з двома хвороботворними грибами, що передаються в ґрунті, на бавовні та рисі за допомогою мікроба, вирощеного в корисному грибі.
Також з’явилася технологія розпилення мікробних препаратів, які були трансформовані для пригнічення певних генів і у шкідників через RNAi. Ця технологія називається Spray-Induced Gene Silencing, або SIGS (у дослівному перекладі з англійської ― приглушення генів, індуковане розпиленням). Суть у тому, що розпилений на культурні рослини мікробний препарат поїдають комахи-шкідники, внаслідок чого в них блокуються певні гени й комахи гинуть. Одним із прикладів є дріжджові клітини, трансформовані для перенесення механізму RNAi, який вбиває дрозофілу Сузукі. У природних умовах цей тип дріжджів розвивається на поверхні гнилих фруктів, які споживає ця плодова мушка.
Однак не всі комахи чутливі до поїдання RNAi. Крім того, навіть у випадках, коли SIGS успішно справляється з патогенами та шкідниками, також можуть виникнути проблеми зі стабільністю RNAi у робочому розчині, але тут спостерігається прогрес. Наприклад, два роки тому група дослідників з Іспанії, США та Австралії випробувала композицію під назвою BioClay з RNAi і виявила, що вона подовжує контроль SIGS проти Botrytis cinerea (основного грибного патогену) у томатах і нуті. Вони назвали це «важливим кроком вперед для впровадження SIGS як екологічно чистої альтернативи традиційним фунгіцидам».
Клітини дріжджів, модифіковані для перенесення механізму RNAi, можуть боротися з дрозофілою Сузукі
Пептиди
Пептиди ― ланцюжки амінокислот ― є одними з найперспективніших сполук для створення нових біологічних продуктів, які захищають широкий спектр культур від хвороб і шкідників (див. статтю у журналі iFarming за липень 2024 року).
Сьогодні в базі даних антимікробних пептидів, якою керує Університет Небраски, зареєстровано понад 3400 АМП. З них приблизно 29% ― рослинного походження, 16% ― тваринного (включно зі ссавцями, жабами і комахами) і 5% ― мікробного. Решта АМП ― синтетичні, це 50% від загальної кількості.
Компанії по всьому світу почали серйозно розробляти синтетичні пептиди лише кілька років тому. Відтоді було створено близько двадцяти таких препаратів. Деякі з них проходять випробування на стабільність та ефективність, деякі вже очікують схвалення регуляторних органів, а деякі вже вийшли на світові ринки.
Сучасні платформи штучного інтелекту та машинного навчання тепер можуть шукати у величезних базах даних пептидів ланцюжки з потрібною конфігурацією та складом, які втручатимуться в ключовий метаболічний процес у шкідника чи збудника хвороби. Потім відповідний пептид можна виробляти в промислових масштабах. Однак існують проблеми з ефективністю й стабільністю пептидних ЗЗР.
Американська компанія GreenLight BioScience вже отримала комерційну реєстрацію в США на препарат Calantha для боротьби з колорадським жуком
Стерильний пилок
Стерильний пилок ― це і є стерильний пилок, не що інше. Пилок певних видів бур’янів опромінюють, щоб зробити його стерильним, і вносять на полі для запилення жіночих рослин бур’янів. Отримане насіння нежиттєздатне, тож це ще один екологічний спосіб боротьби із небажаною рослинністю.
Системні метаболіти
Застосування пептидів або комплексу RNAi може спричинити загибель патогену чи комахи-шкідника, але ці сполуки також можуть вироблятися самим патогеном (шкідником). Тобто бактерія або гриб, призначений для виробництва метаболіту, отруйного для мішені, впроваджується в мішень, живе всередині неї (як ендофіт) і виробляє отруту, поки мішень не загине.
Цього року GreenLight Bio планує випустити сироп на основі РНК-технології проти кліщів Varroa у медоносних бджіл
Стартапи, що спеціалізуються на біотехнологіях
- РНК-інтерференція
Компанія GreenLight BioScience у Бостоні (США) вже отримала комерційну реєстрацію в США інсектициду Calantha (Каланта) для боротьби з колорадським жуком, який щороку спричиняє втрати врожаю на мільйони доларів. Як зазначено на сайті виробника, Каланта ― це інноваційний біоінсектицид для позакореневого застосування (листкового внесення). Діюча речовина Каланти, ледпрона, розроблена з використанням РНК-технології і є високоцільовою молекулою. Потрапляючи в організм шкідника, вона запобігає виробленню специфічного важливого білка, забезпечуючи точний контроль над колорадським жуком. Канадська компанія Renaissance BioScience також випробовує свій продукт на основі РНК-технології проти цього шкідника.Цього року GreenLight BioScience планує випустити сироп на основі молекули, розробленої за допомогою РНК-інтерференції, проти кліщів Varroa у медоносних бджіл.TrilliumAG у штаті Вашингтон розробляє продукти для широкого спектра культур проти кількох комах-шкідників.Pebble Labs у Нью-Мексико — ще один стартап із розробленням продуктів, а Innatrix у Північній Кароліні працює над продуктами для боротьби з цистоподібними нематодами сої, фітофторозом картоплі тощо.
- Пептиди
Бельгійський стартап під назвою Biotalys уже має пептид для захисту рослин, який очікує на схвалення регуляторних органів США, їхні колеги ― компанії Invaio та Micropep.
- Системні метаболіти
Biotelliga в Новій Зеландії ― це стартап, який працює над корисними грибами-ендофітами, які спрямовані на різноманітних комах-шкідників.
- Стерильний пилок
Компанія WeedOUT, що базується в Ізраїлі, сподівається, що її технологія стерильного пилку може скоротити популяції стійких до гербіцидів бур’янів, зокрема щириці Палмера, конопельника та райграсу. Показником перспективності є й те, що найбільший виробник засобів захисту рослин Syngenta кілька років тому інвестував нерозголошену суму в цей стартап.
Найуспішніші стартапи пропонуватимуть біопродукти, ефективність яких буде значно кращою
Ризики
За словами доктора Памели Марроне з каліфорнійської корпорації Invasive Species Corporation, продукти з РНК або пептидами матимуть найбільший вплив на ринок у короткостроковій перспективі. Однак Марроне застерігає, що обидві технології схильні до розвитку резистентності, особливо пептиди. «Обидві технології є методами контролю одного гена, тож їх доведеться використовувати в програмах, які запобігають розвитку резистентності. Можуть розвинутися резистентність і з’явитися нові хвороби», ― пояснює вона.
Це означає, що стартап, який продає успішний пептид або RNAi-продукт, також повинен докладати зусиль для розуміння потенційних механізмів резистентності, які можуть розвинутися, і, якщо можливо, мати один або кілька продуктів, які можна буде застосувати, якщо виникне стійкість до першого продукту.
Скажімо, бельгійська компанія Biotalys дуже серйозно ставиться до цієї стратегії. Кілька років тому стартап подав біофунгіцид «EVOCA першого покоління» на регулятивну перевірку в США та ЄС, але планують подання версії «наступного покоління» продукту з ширшим спектром контролю. EVOCA — це пептидний продукт, який «взаємодіє з багатьма ліпідами в клітинній мембрані, порушуючи цілісність структур клітинної мембрани рослинних патогенів, перешкоджаючи проростанню спор і росту гіф, що призводить до загибелі клітин». Він забезпечить контроль над Botrytis cinerea та борошнистою росою на томатах та інших культурах.
Маркетингові стратегії
Деякі стартапи співпрацюють із великими компаніями для нових розроблень, досліджень та маркетингу. Biotalys, наприклад, співпрацює з Novozymes.
Інші, такі як Meristem і Pivot, рухаються до успіху самостійно. Як пояснює Марроне, «вони звертаються безпосередньо до фермерів і залучають перших користувачів для проведення демонстрацій. Вони самі займаються маркетингом, зосереджуючись на створенні попиту на рівні фермерів».
Фахівчиня додає, що «фермери чесні один з одним щодо того, що працює, а що ні, і вони активні в соціальних мережах, тому передання інформації також важливе».
Марроне закликає стартапи, які займаються виробництвом біопродуктів, чітко описувати, як використовувати продукт. «Виробникам потрібна конкретна інформація. Дослідження ринку показують, що близько половини виробників все ще не знайомі з тим, як використовувати біопрепарати та як ці продукти діють, тому їм потрібна підтримка».
Компанія WeedOUT, що базується в Ізраїлі, сподівається, що її технологія стерильного пилку може скоротити популяції стійких до гербіцидів бур’янів, зокрема щириці Палмера
П’ять ключових моментів про біопродукти
Очікується, що протягом наступних п’яти-десяти років на ринку з’явиться величезна кількість біопродуктів з використанням різних технологічних платформ. RNAi та пептидні продукти є лідерами.
Прогнозують швидший час виходу на ринок у порівнянні з продуктами на хімічній основі.
Деякі біопродукти також чутливі до розвитку резистентності. Усі засоби захисту рослин виробники повинні використовувати в рамках комплексної стратегії боротьби зі шкідниками, бур’янами та хворобами.
Потрібні постійні дослідження та розроблення. Найуспішніші стартапи пропонуватимуть біопродукти, які забезпечуватимуть значне підвищення ефективності у порівнянні з наявними продуктами, і зосереджуватимуться на постійному розвитку продуктів із різними способами дії, доставки активних речовин тощо.
Навчання фермерів має вирішальне значення. Стартапи повинні надати виробникам конкретні інструкції щодо використання їхніх біопродуктів. Дослідження ринку показують, що лише близько половини виробників знайомі з тим, як діють біопрепарати та як їх використовувати.