Трансгенная биология

В последние годы все большее влияние на здоровье населения планеты оказывает  качество и структура питания. В 1999 г. опубликованы данные, что ежегодно в мире от недоедания и белково-калорийной недостаточности погибает 15 млн. человек.

 Результаты широких  эпидемиологических исследований  и организованного в последние  годы Минздравом России мониторинга  состояния питания показывают, что  структура питания населения  России характеризуется продолжающимся  снижением потребления наиболее  ценных в биологическом отношении  пищевых продуктов. Как следствие  сложившейся структуры питания  на первый план выходят следующие  нарушения пищевого статуса:

- дефицит животных  белков, достигающий 15-20% от рекомендуемых  величин; 

- выраженный дефицит  большинства витаминов, выявляющийся  повсеместно у более половины  населения; 

- проблема недостаточности  макро- и микроэлементов, таких  как кальций, железо, фтор, селен,  цинк.

 В международном научном сообществе существует четкое понимание того, что в связи с ростом народонаселения Земли, которое по прогнозам ученых должно достичь к 2050 году 9-11 млрд. человек, необходимо удвоение или даже утроение мирового производства сельскохозяйственной продукции, что невозможно без применения трансгенных растений, создание которых многократно ускоряет процесс селекции культурных растений, увеличивает урожайность, удешевляет продукты питания, а также позволяет получить растения с такими свойствами, которые не могут быть получены традиционными методами.

 Принцип создания  трансгенных растений и животных схожи. И в том, и в другом случае в ДНК искусственно вносятся чужеродные последовательности, которые встраивают, интегрируют генетическую информацию вида.

 Основные объекты  генной инженерии в растительном  мире: соя, кукуруза, картофель, хлопчатник, сахарная свекла. При этом вырабатывается  повышенная резистентность к колорадскому жуку, к вирусам, защита от насекомых, от всяких бурильщиков, сосальщиков, обеспечивает отсутствие повышенных остаточных количеств пестицидов. Возможно улучшение коммерческих показателей: у томатов - увеличение сроков хранения, у картофеля - повышение крахмалистости, обогащение аминокислотами, витаминами.

 Путем генной  инженерии возможно повышение  урожайности на 40-50%. За последние  5 лет в мире земельные площади используемые под трансгенные растения увеличились с 8 млн. га до 46 млн. га.

 Нужно отметить, что ни одна новая технология  не была объектом такого пристального  внимания ученых всего мира. Все  это обусловлено тем, что мнения  ученых о безопасности генетически  модифицированных источников питания  расходятся. Нет ни одного научного  факта против использования трансгенных продуктов. В тоже время некоторые специалисты считают, что существует риск выпуска нестабильного вида растений, передача заданных свойств сорнякам, влияние на биоразнообразие планеты, и главное потенциальная опасность для биологических объектов, для здоровья человека путем переноса встроенного гена в микрофлору кишечника или образование из модифицированных белков под воздействием нормальных ферментов, так называемых минорных компонентов, способных оказывать негативное влияние. 

 Что такое трансгенные продукты

 Трансгенными могут называться те виды растений, в которых успешно функционирует ген (или гены) пересаженные из других видов растений или животных. Делается это для того, чтобы растение реципиент получило новые удобные для человека свойства, повышенную устойчивость к вирусам, к гербицидам, к вредителям и болезням растений. Пищевые продукты, полученные из таких генноизмененных культур, могут иметь улучшенные вкусовые качества, лучше выглядеть и дольше храниться. Также часто такие растения дают более богатый и стабильный урожай, чем их природные аналоги.

 Что такое генетически  измененный продукт? Это когда  выделенный в лаборатории ген  одного организма пересаживается  в клетку другого. Вот примеры  из американской практики: чтобы  помидоры и клубника были морозоустойчивее, им "вживляют" гены северных  рыб; чтобы кукурузу не пожирали  вредители, ей могут "привить"  очень активный ген, полученный  из яда змеи; чтобы скот быстрее  набирал вес, ему вкалывают  измененный гормон роста (но  при этом молоко наполняется  гормонами, вызывающими рак); чтобы  соя не боялась гербицидов, в  нее внедряют гены петунии,  а также некоторых бактерий  и вирусов. Соя - один из основных  компонентов многих кормов для  скота и почти 60% продуктов  питания. К счастью, в России, как и во многих странах  Европы, генетически измененные  сельхозкультуры (в мире их создано больше 30-ти видов) пока не распространяются такими бешеными темпами, как в США, где официально закреплена идентичность "натуральных" и "трансгенных" продуктов питания. Поэтому у нас только самые "продвинутые" покупатели с подозрением относятся к импортным чипсам, томатным соусам, консервированной кукурузе и "ножкам Буша".

 На данный момент в России зарегистрировано множество видов продуктов из модифицированной сои, среди которых: фитосыр, смеси функциональные, сухие заменители молока, мороженое "Сойка-1", 32 наименования концентратов соевого белка, 7 видов соевой муки, модифицированные бобы сои, 8 видов соевых белковых продуктов, 4 наименования соевых питательных напитков, крупка соевая обезжиренная, комплексные пищевые добавки в ассортименте и специальные продукты для спортсменов, тоже в немалом количестве. Также Департамент государственного санитарно-эпидемиологического надзора выдал "сертификаты качества" одному сорту картофеля и двум сортам - кукурузы.

 Осуществлять  надзор за генетически модифицированными  продуктами Главный санитарный  врач России доверил Научно-исследовательскому  институту питания РАМН, а также  учреждениям-соисполнителям: Институту  вакцин и сывороток им. И. И.  Мечникова РАМН, Московскому научно-исследовательскому  институту гигиены им. Ф.Ф. Эрисмана  Минздрава России.

 Последнее десятилетие  ученые строят неутешительные  прогнозы относительно быстрорастущего  потребления сельскохозяйственных  продуктов на фоне снижения  площади посевных земель. Решение  данной проблемы возможно с  помощью технологий получения  трансгенных растений, направленных на эффективную защиту сельскохозяйственных культур и увеличение урожайности.

 Получение трансгенных растений является на данный момент одной из перспективных и наиболее развивающихся направлений агропроизводства. Существуют проблемы, которые не могут быть решены такими традиционными направлениями как селекция, кроме того, что на подобные разработки требуются годы, а иногда и десятилетия. Создание трансгенных растений, обладающих нужными свойствами, требует гораздо меньшего времени и позволяет получать растения с заданными хозяйственно ценными признаками, а также обладающих свойствами, не имеющими аналогов в природе. Примером последнего могут служить полученные методами генной инженерии сорта растений, обладающих повышенной устойчивостью к засухе.

 Создание трансгенных растений в настоящее время развиваются по следующим направлениям:

1. Получение сортов  с/х культур с более высокой урожайностью

2. Получение с/х культур, дающих несколько урожаев в год (например, в России существуют ремантантные сорта клубники, дающие два урожая за лето)

3. Создание сортов  с/х культур, токсичных для некоторых видов вредителей (например, в России ведутся разработки, направленные на получение сортов картофеля, листья которого являются остро токсичными для колорадского жука и его личинок)

4. Создание сортов  с/х культур, устойчивых к неблагоприятным климатическим условиям (например, были получены устойчивые к засухе трансгенные растения, имеющие в своем геноме ген скорпиона)

5. Создание сортов  растений, способных синтезировать  некоторые белки животного происхождения  (например, в Китае получен сорт  табака синтезирующий лактоферрин человека)

 Таким образом,  создание трансгенных растений позволяет решить целый комплекс проблем, как агротехнических и продовольственных, так и технологических, фармакологических и т.д. Кроме того, уходят в небытие пестициды и другие виды ядохимикатов, которые нарушали естественный баланс в локальных экосистемах и наносили невосполнимый ущерб окружающей среде.

 Методы создания  трасгенных продуктов

 Создать геноизмененное растение на данном этапе развития науки для генных инженеров не составляет большого труда.

 Существует несколько  достаточно широко распространенных  методов для внедрения чужеродной  ДНК в геном растения. Ниже, постараемся  их изложить.

 Метод 1:

 Существует бактерия  Agrobacterium tumefaciens (Лат.- полевая бактерия, вызывающая опухоли), которая обладает способностью встраивать участки своей ДНК в растения, после чего пораженные клетки растения начинают очень быстро делиться и образуется опухоль. Сначала ученые получили штамм этой бактерии, не вызывающий опухолей, но не лишенный возможности вносить свою ДНК в клетку. В дальнейшем нужный ген сначала клонировали в Agrobacterium tumefaciens и затем заражали уже этой бактерией растение. После чего инфецированые клетки растения приобретали нужные свойства, а вырастить целое растение из одной его клетки сейчас не проблема. 
 

 Итак, задача, которую  надо решить при создании трансгенного растения - организма с такими генами, которые ему от природы "не положены", - это выделить нужный ген из чужой ДНК и встроить его в молекулу ДНК данного растения. Процесс этот весьма сложен. Об операциях по пересадке гена написаны тома, но мы рассмотрим здесь эту процедуру в очень кратком и упрощенном виде.

 Более четверти века назад были открыты ферменты рестриктазы, разделяющие длинную молекулу ДНК на отдельные участки - гены, причем эти кусочки приобретают "липкие" концы, позволяющие им встраиваться в разрезанную такими же рестриктазами чужую ДНК.

 Самый распространенный  способ внедрения чужих генов  в наследственный аппарат растений - с помощью болезнетворной для  растений бактерии Agrobacterium tumefaciens (в буквальном переводе с латыни - полевая бактерия, вызывающая опухоли). Эта бактерия умеет встраивать в хромосомы заражаемого растения часть своей ДНК, которая заставляет растение усилить производство гормонов, и в результате некоторые клетки бурно делятся, возникает опухоль. В опухоли бактерия находит для себя отличную питательную среду и размножается. Для генной инженерии специально выведен штамм агробактерии, лишенный способности вызывать опухоли, но сохранивший возможность вносить свою ДНК в растительную клетку.

 Нужный ген  "вклеивают" с помощью рестриктаз в кольцевую молекулу ДНК бактерии, так называемую плазмиду. Эта же плазмида несет ген устойчивости к антибиотику. Лишь очень небольшая доля таких операций оказывается успешной. Те бактериальные клетки, которые примут в свой генетический аппарат "прооперированные" плазмиды, получат кроме нового полезного гена устойчивость к антибиотику. Их легко будет выявить, полив культуру бактерий антибиотиком, - все прочие клетки погибнут, а удачно получившие нужную плазмиду размножатся. Теперь этими бактериями заражают клетки, взятые, например, из листа растения. Опять приходится провести отбор на устойчивость к антибиотику: выживут лишь те клетки, которые приобрели эту устойчивость от плазмид агробактерии, а значит, получили и нужный нам ген. Дальнейшее - дело техники. Ботаники уже давно умеют вырастить целое растение из практически любой его клетки (см. "Наука и жизнь" № 3, 1986 г.).

 Однако этот  метод "работает" не на всех  растениях: агробактерия, например, не заражает такие важные пищевые растения, как рис, пшеница, кукуруза. Поэтому разработаны и другие способы. Например, можно ферментами растворить толстую клеточную оболочку растительной клетки, мешающую прямому проникновению чужой ДНК, и поместить такие очищенные клетки в раствор, содержащий ДНК и какое-либо химическое вещество, способствующее ее проникновению в клетку (чаще всего применяется полиэтиленгликоль). Иногда в мембране клеток проделывают микроотверстия короткими импульсами высокого напряжения, а через отверстия в клетку могут пройти отрезки ДНК. Иногда применяют даже впрыскивание ДНК в клетку микрошприцем под контролем микроскопа. Несколько лет назад предложено покрывать ДНК сверхмалые металлические "пули", например шарики из вольфрама диаметром 1-2 микрона, и "стрелять" ими в растительные клетки. Проделываемые в стенке клетки отверстия быстро заживляются, а застрявшие в протоплазме "пули" так малы, что не мешают клетке функционировать. Часть "залпа" приносит успех: некоторые "пули" внедряют свою ДНК в нужное место. Дальше из клеток, воспринявших нужный ген, выращивают целые растения, которые затем размножаются обычным способом.

 Как трансгенные продукты отличить от натуральных

Выяснить, содержит ли продукт измененный ген, можно  только с помощью сложных лабораторных исследований. В 2002 году минздрав России ввел обязательную маркировку продуктов, содержащих более пяти процентов генетически модифицированного источника. Реально ее нет практически никогда. По словам главного государственного санитарного врача России Геннадия Онищенко, результаты проверок показали, что только в Москве в 37,8 процента случаев пищевые продукты, содержащие генетически модифицированное сырье, не имеют соответствующей маркировки, и это очень высокий показатель. Чтобы получить право на ввоз, производство и реализацию продукции, содержащей генетически модифицированные источники, нужно пройти государственную гигиеническую экспертизу и регистрацию. Процедура платная для предприятия. Не многие готовы тратить на это дополнительные средства. Или считают, что подобное указание на этикетке отпугнет покупателей. На самом деле обязательная маркировка не означает, что данный продукт вреден для здоровья, считает генеральный директор Национального фонда защиты потребителей А. Калинин: "Ее нужно рассматривать только как дополнительную информацию для покупателя, а не как предупреждение об опасности. К настоящему времени у нас в стране прошли все проверки и зарегистрированы десять видов генетически модифицированной растениеводческой продукции. Это два вида сои, пять видов кукурузы, два сорта картофеля, сорт сахарной свеклы и сахар, полученный из нее". В Хакасию ввозятся соя, соевая мука (используется при приготовлении колбас) и картофель. Для идентификации продуктов, полученных из ГМИ лабораторным путем, необходимо приобретение оборудования для ПЦР-диагностики на сумму около 1 млн. рублей. Санэпидслужба Республики Хакасия на сегодня не имеет возможности приобрести такое оборудование. Контроль за ГМИ осуществляется на организационном уровне: проводятся рейдовые проверки, проверяются сертификаты безопасности, регистрационные удостоверения о безопасности продукции и так далее.