Как применение технологий ДНК может помочь фермерам в борьбе с болезнями сельскохозяйственных культур

«Жизнь примерно 800 миллионов человек во всём мире зависит от маниока. Но этот важный источник питания находится под угрозой из-за вирусов, от которых можно легко избавиться», — говорит специалист в области вычислительной биологии и выпускник TED Лора Бойкин. Вместе с ней мы отправимся на фермы в Восточной Африке, где она работает с командой учёных из разных областей, чтобы помочь фермерам сохранять здоровый урожай при помощи переносной лаборатории по анализу ДНК и мини-суперкомпьютера, который может опознать вирусы за несколько часов вместо нескольких месяцев.

Я встаю по утрам по двум причинам.

Во-первых, небольшим семейным фермерским
хозяйствам требуется больше еды.

Это безумие, что в 2019 году
кормящие нас фермеры сами голодают.

Во-вторых, наука должна быть более
разнообразной и всеобъемлющей.

Для решения сложнейших всемирных проблем,

типа нехватки продовольствия для живущих
в крайней нищете миллионов людей,

потребуется вклад каждого из нас.

Я хочу вовлечь новейшие технологии

и самые разнообразные
группы учёных по всему миру

для помощи фермерам
в увеличении урожайности.

Я занимаюсь вычислительной биологией.

Что это, и как это поможет нам
покончить с голодом?

Мне нравятся компьютеры и биология,

и каким-то образом этот союз
стал моей работой.

(Смех)

Не могу сказать,

что я с детства хотела стать биологом.

По правде говоря, в колледже
я играла в баскетбол.

И чтобы себя финансово обеспечивать,
мне нужно было совмещать учёбу с работой.

В один ничем не примечательный день

я забрела в здание
неподалёку от своего общежития.

Так получилось, что это был
биологический корпус.

Я зашла и посмотрела на доску
объявлений о работе.

Да, так было до появления интернета.

Я увидела объявление размером 7х12 см,

приглашающее на работу в гербарии.

Я быстро записала номер телефона,

так как работа была с гибким графиком,

а мне нужно было совмещать работу
с занятиями баскетболом.

Я побежала в библиотеку, чтобы понять,
что же такое гербарий.

(Смех)

Оказалось,

что гербарий — это место, где хранится
коллекция мёртвых, засушенных растений.

Мне повезло, что я получила эту работу.

Итак, моя первая научная работа

заключалась в приклеивании на бумагу
часами напролет мёртвых растений.

(Смех)

Просто блеск.

Вот так я и стала вычислительным биологом.

В это же время

начали формироваться геномика
и обработка данных на компьютере.

Я продолжила учёбу на степень магистра,

совмещая биологию и компьютеры.

В то время

я работала в Лос-Аламосской
национальной лаборатории

в группе теоретической
биологии и биофизики.

Там я впервые столкнулась
с суперкомпьютерами,

и меня это глубоко потрясло.

Используя мощь суперкомпьютеров,

которые по сути представляют собой
сотни связанных персоналок на стероидах,

нам удалось распознать сложное
поведение гриппа и гепатита С.

И вот тогда-то я и увидела всю мощь

объединения возможностей вычислительной
техники и биологии на благо человечества.

Я захотела работать в этой области.

Поэтому, начиная с 1999 года,

большую часть своей
научной карьеры я провела

в самых современных лабораториях,

оснащённых очень дорогим оборудованием.

Многие меня спрашивают,

как и почему я начала работать
с фермерами в Африке.

Так как у меня были хорошие
компьютерные навыки,

в 2013 году группа учёных
в Восточной Африке

пригласила меня присоединиться к ним,
чтобы помочь спасти маниок.

Маниок — это растение, чьи листья и корни
употребляют 800 млн человек во всём мире,

и 500 млн из них живут в Восточной Африке.

Почти миллиард человек
полагается на это растение

для удовлетворения суточной
потребности в калориях.

Если у небольшого семейного фермерского
хозяйства будет достаточно маниока,

этого хватит на то, чтобы прокормить семью

и продавать излишки на рынке
для обеспечения насущных нужд:

школьного образования, медицинских затрат
и даже для накопления сбережений.

Но маниок в Африке находится под угрозой.

Белокрылки и вирусы губят это растение.

Белокрылки — это крошечные насекомые,

которые поедают листья
более чем 600 растений.

Они приносят беды.

Есть много видов белокрылок.

Они становятся устойчивы к пестицидам;

они распространяют сотни вирусов растений,

которые вызывают побурение

и мозаику маниока.

Это полностью убивает растение.

А если нет маниока,

то нет еды и дохода для миллионов людей.

Мне хватило одной поездки в Танзанию,

чтобы понять —
женщинам-фермерам нужна помощь.

Этим замечательным, сильным,
небольшим семейным фермерским хозяйствам,

большинство из которых — женщины,

приходится нелегко.

У них недостаточно еды,
чтобы прокормить семью.

Это настоящий кризис.

Происходит вот что:

они идут и засевают поля
маниоком в сезон дождей.

Спустя девять месяцев

на этих полях нет никакого урожая
из-за вредителей и патогенов.

И я задумалась,

как же может случится голод у фермеров?

Я решила посмотреть своими глазами

вместе с фермерами и учёными,
что происходит у них прямо там,

чтобы понять, смогут ли
пригодиться мои навыки.

Ситуация на местах шокировала.

Белокрылки уничтожали листья маниока,
употребляемые в пищу ради белка,

а вирусы уничтожали корни,
употребляемые в пищу ради крахмала.

Посевной сезон пройдёт,

и фермер потеряет доход
и пищу на целый год.

Семья будет голодать целый долгий сезон.

Но это можно полностью предотвратить.

Если бы фермеры только знали,

какой сорт маниока нужно выращивать,

чтобы он был устойчив
к этим вирусам и патогенам,

то у них было бы больше урожая.

Вся необходимая технология уже есть,

но знания и ресурсы

неравномерно распределены по миру.

Конкретно я имею в виду,

что старые геномные технологии,

использовавшиеся для решения
сложной проблемы

с вредителями и патогенами,

были непригодны
в условиях тропической Африки.

Они требуют миллионных вложений,

постоянного энергоснабжения

и привлечения специалистов.

Такого оборудования очень мало,
и оно разбросано по всему континенту,

не оставляя множеству учёных,
сражаюшихся на передовой,

другого выбора помимо
отправки образцов за границу.

А отправленные за границу
образцы портятся,

стоят уйму денег,

и получить результаты обратно
практически нереально

из-за плохого интернета.

Иногда, чтобы фермер узнал результат,
приходится ждать шесть месяцев.

Но к тому времени уже слишком поздно.

Урожай пропал,

усугубляя тем самым бедность и голод.

Мы знали, что эту проблему решить можно.

В 2017 году

мы узнали о существовании
портативного секвенатора ДНК —

Оксфордского нанопорового
секвенатора MinION.

Его использовали в Западной Африке
во время борьбы с вирусом Эбола.

Мы подумали,

почему бы нам его не применить
для помощи фермерам Восточной Африки?

И мы начали воплощать в жизнь этот план.

В то время это была новая технология,

и многие сомневались, что подобное
можно повторить в условиях фермы.

Когда мы начали,

один из наших «доброжелателей»
в Великобритании сказал,

что мы никогда не сможем применить
этот подход в Восточной Африке,

не говоря уже о ферме.

Но мы приняли вызов.

Этот человек даже поспорил на две бутылки
самого лучшего шампанского,

что у нас никогда ничего не получится.

Два слова:

ставь шампанское.

(Смех)

(Аплодисменты)

Покупай шампанское, мы этого добились.

Мы привезли фермерам
Танзании, Кении и Уганды

целую высокотехнологичную
молекулярную лабораторию,

которую назвали Tree Lab.

Итак, что же мы сделали?

Во-первых, мы назвали нашу команду

«Проектом по спасению маниока от вируса».

Мы создали вебсайт,

заручились поддержкой учёных из областей
геномики и вычислительных технологий

и, наконец, отправились на фермы.

Всё, что нужно для нашей Tree Lab,

осуществляется командой на месте.

Все молекулярные и вычислительные ресурсы,

необходимые для диагностики
больных растений, есть прямо там.

Всё это даже есть прямо здесь, на сцене.

Мы осознали, что чем ближе исходные данные

будут к полю и к фермеру,

тем быстрее мы сможем сказать,
в чём состоит проблема с растениями.

И не только сказать,
в чём состоит проблема,

но и предложить решение.

А решение заключается

в сжигании поля и посадке сортов растений,

устойчивых к пестицидам и патогенам,
которые находятся на поле фермера.

Первым делом мы извлекли ДНК.

Мы использовали вот эту машину.

Она называется ВЧБИ,

что означает «Весьма
Чертовски Быстрое Извлечение».

(Смех)

Согласна.

Мой друг Джо весьма крут.

Одной из самых больших
трудностей в извлечении ДНК

является необходимость использования
дорогостоящего оборудования,

расчёты на котором длятся часами.

Но с этим устройством

мы справляемся за 20 минут

и очень дёшево.

Устройство работает от батареи мотоцикла.

С его помощью мы извлекаем ДНК,
создаём из неё библиотеку,

чтобы загрузить

в этот самый портативный
геномный секвенатор,

который находится вот здесь,

и затем подключаем к мини-суперкомпьютеру

под названием MiniT.

Обе эти штуки подключаются
к портативной батарее.

Таким образом, мы смогли устранить

потребности в энергосети и интернете,

являющимися сильными ограничениями
для небольших семейных ферм.

Быстрый анализ данных также
может быть проблематичен.

И как раз здесь пригодились
мои познания вычислительного биолога.

Вся эта клейка засушенных растений,

все эти измерения

и все эти вычисления

наконец-то пригодились в реальном мире
и в реальном времени.

Я смогла создать
специализированные базы данных,

с помощью которых мы выдавали
фермерам результаты за три часа

вместо шести месяцев.

(Аплодисменты)

Фермеры были вне себя от радости.

Как же мы узнаём, что приносим пользу?

Девять месяцев спустя после использования
нашей лаборатории Tree Lab

Аша вместо ноля тонн урожая с гектара

собрала 40 тонн с гектара.

Ей этого хватило и чтобы кормить семью,

и чтобы продавать излишки на рынке.

Сейчас она строит дом для своей семьи.

Да, это так здорово.

(Аплодисменты)

Как мы увеличиваем масштаб
работы нашей Tree Lab?

Дело в том,

что фермы уже разрастаются
по всей Африке.

Эти женщины работают в группах,

поэтому помогая Аше, мы помогли
ещё 3 000 жителям её деревни,

потому что она поделилась с ними
и результатами, и решением проблемы.

Я помню всех фермеров,
с которыми когда-либо встречалась.

Их боль и радость

запечатлелись в моей памяти.

Наша наука — для них.

Tree Lab — наша самая удачная попытка
помочь им обеспечить себя продовольствием.

Я никогда и не мечтала о том,

что лучшее научное
достижение в моей жизни

случится на том самом
покрывале в Восточной Африке

при помощи высокотехнологичного
геномного оборудования.

Но наша команда мечтала о том,

чтобы дать фермерам ответы
за три часа вместо шести месяцев.

И мы этого добились.

Потому что в этом и состоит преимущество
многообразия и взаимодействия в науке.

Спасибо.

(Аплодисменты)

(Одобрительные возгласы)