Что такое ГМО? Генетически модифицированный организм (ГМО ) - живой организм, генетическая составляющая которого при помощи методов генной инженерии была искусственно изменена. Как правило, подобные изменения используются в научных или сельскохозяйственных целях. Генетическая модификация (ГМ ) отличается от природного, характерного для искусственного и естественного мутагенеза целенаправленным вмешательством в живого организма.
Основным видом получения в настоящее время является внедрение трансгенов.
Из истории.
Появление ГМО было обусловлено открытием и созданием первых рекомбинантных бактерий в 1973. Это привело к противоречиям в научном сообществе, к появлению потенциальных рисков исходящих от генной инженерии, которые в 1975 году на Конференции Asilomar были подробно обсуждены. Одна из главных рекомендаций от этой встречи была то, что должен быть установлен правительственный надзор над рекомбинантным исследованием ДНК , чтобы можно было считать эту технологию безопасной. Герберт Бойер тогда основал первую компанию по использованию рекомбинантной технологии ДНК (Genentech) и в 1978 году компания объявила о создании продукта, который вырабатывает человеческий инсулин.
В 1986 году полевые тесты над генетически спроектированными бактериями, которые бы смогли защитить растения от заморозков разработанные маленькой компании биотехнологий под названием “Продвинутые генетические науки Окленда” (штат Калифорния) неоднократно отсрочивались противниками биотехнологии.
В конце 1980-х и в начале 1990-х, руководство по оценке безопасности генетически спроектированных растений и продуктов появилось из организаций FAO и WHO.
В конце 1980-х в Канаде и США началось небольшое экспериментальное производство генетически модифицированных (ГМ ) растений. Первые одобрения для крупномасштабного, коммерческого культивирования были даны в середине 1990-х. С этого времени ежегодно увеличивается количество фермеров во всем мире использующих .
Проблемы, решаемые появлением ГМО.
Появление ГМО рассматривается учеными как один из видов по селекции растений и животных. Другие же ученые считают, что генная инженерия - тупиковая ветвь классической селекции, потому, что ГМО не является продуктом искусственного отбора, а именно планомерного и долговременного выращивания нового сорта (вида) живого организма путем природного размножения, и фактически представляет собой искусственно созданный в лабораторных условиях новый организм .
В большинстве случаев использование ГМО значительно повышает урожайность. Существует мнение, что при нынешних темпах роста населения земли только ГМО может справиться с угрозой голода, потому что таким способом можно существенно увеличить урожайность и качество продуктов. Другие ученые – противники ГМО, считают, что существующие развитые технологии по выведению новых сортов растений и животных, обработке земли способны прокормить стремительно увеличивающееся население планеты.
Способы получения ГМО.
Последовательность создания ГМ-образцов:
1. Выращивание необходимого гена.
2. Введение этого гена в ДНК организма-донора.
3. Перенос ДНК
с геном в проектируемый организм
.
4. Приживание клеток в организме.
5. Отсев модифицированных организмов, которые не прошли успешную модификацию.
Сейчас процесс производства генов хорошо налажен и в большинстве случаев автоматизирован. Разработаны специальные лаборатории, в которых при помощи аппаратов управляемых компьютерами контролируется процессы синтеза необходимых нуклеотидных последовательностей. Такие аппараты воспроизводят отрезки ДНК по длине до 100-120 азотистых оснований (олигонуклеотиды).
Чтобы вставить полученный ген в вектор (организм-донор), используется ферменты - лигазы и рестриктазы. При помощи рестриктаз вектор и ген можно разрезать на отдельные кусочки. При помощи лигаз подобные кусочки можно “сращивать”, объединять в совершенно другой комбинации, создавая тем самым совершенно новый ген или внедряя его в донорский организм .
Техника внедрения генов в бактерии была принята на вооружение генной инженерии после того, как некий Фредерик Гриффит открыл бактериальную трансформацию. В основе этого явления положен обычный половой процесс, который сопровождается у бактерий обменом небольшого количества фрагментов между плазмидами и нехромосомной ДНК . Плазмидная технология легла в основу внедрения искусственных генов в клетки бактерий.
Для внедрения полученного гена в геном клеток животных и растений пользуются процессом трансфекции. После модификации одноклеточных или клеток многоклеточных организмов, начинается этап клонирования, то есть процесс отбора организмов и их потомков, которые успешно прошли генетическую модификацию. Если требуется получить многоклеточные организмы, то измененные клетки в результате генетической модификации используют у растений в качестве вегетативного размножения, у животных их вводят в бластоцисты суррогатной матери. В итоге рождается потомство с измененным генофоном или же нет, снова отбирают те, которым присущи ожидаемые характеристики и снова скрещивают между собой до появления стойкого потомства.
Применение ГМО.
Применение ГМО в науке.
Сейчас генетически модифицированные организмы достаточно широко используются в прикладных и фундаментальных научных исследованиях. С их помощью исследуются закономерности возникновения и развития заболеваний, таких как рак, болезнь Альцгеймера, процессы регенерации и старения, исследуются процессы, проходящие в нервной системе, решаются другие проблемы актуальные в медицине и биологии.
Применение ГМО в медицине.
С 1982 года в прикладной медицине используются генетически модифицированные организмы. В этом году был зарегистрирован в качестве лекарства инсулин человека, полученный при помощи -бактерий.
В настоящее время ведутся исследования по получению с помощью ГМ- растенийлекарств и вакцин против таких болезней как чума и ВИЧ. Проходит испытания проинсулин, полученный из ГМ-сафлора. Прошло успешно испытания и получило одобрение к использованию лекарство от тромбозов, полученное из молока генетически модифицированных коз. Получило очень бурное развитие такое направление медицины как генотерапия. В основе этого направления медицины лежит модификация генома соматических клеток человека. Сейчас генотерапия выступает основным методом борьбы ряда заболеваний. Так, например, еще в 1999 году каждый 4-й ребенок, заболевший (severe combined immune deficiency) успешно лечился при помощи генной терапии. Так же генотерапию планируется использовать в качестве одного из способов борьбы с процессами старения.
Применение ГМО в сельском хозяйстве.
В сельском хозяйстве генная инженерия используется в качестве создания новых сортов растений, переносящих засуху, низкие температуры, устойчивых к вредителям, обладающих лучшими вкусовыми и ростовыми качествами. Полученные новые породы среди животных отличаются повышенной продуктивностью и ускоренным ростом. На данный момент уже созданы новые сорта растений отличающихся наибольшею калорийностью и содержанием необходимого количества микроэлементов для организма человека. Проходят испытания новых пород генетически модифицированных деревьев, у которых повышенное содержание целлюлозы и быстрый рост.
Другие направления применения ГМО.
Уже разрабатываются растения, которые можно было бы использовать в качестве биологически чистого топлива.
В начале 2003 года на рынке появился первый генетически модифицированный организм – GloFish, созданный в эстетических целях. Благодаря только генной инженерии аквариумная рыбка Данио рерио пользующаяся огромной популярностью приобрела несколько полос флуоресцентных ярких цветов на своем брюшке.
В 2009 году появляется в продаже новый сорт роз “Applause” с синими лепестками. С появлением этих роз сбылась мечта многих селекционеров безуспешно пытающихся вывести розы с синими лепестками.
Генетически
модифицированные организмы (ГМО)
-
вредные для нормального человека злаки,
овощи и другие продукты питания,
неизвестно как обработанные генетиками.
По мнению широких слоев населения,
вызывают необратимые изменения в
поглотившем их человеческом организме,
плохо влияют на потенцию, являются
причиной раннего облысения и образования
злокачественных опухолей. Обычно
вкуснее, питательнее и, согласно
исследованиям, полезнее немодифицированных.
Официальная наука не имеет достоверных
данных о вреде ГМО.
Генетически
модифицированный организм (ГМО
) -
живой организм, генотип которого был
искусственно изменён при помощи методов
генной инженерии. Такие изменения, как
правило, производятся в научных или
хозяйственных целях. Генетическая
модификация отличается целенаправленным
изменением генотипа организма в отличие
от случайного, характерного для
естественного и искусственного
мутагенеза.
ГМО -
это живые
организмы, содержащие новую комбинацию
продукты не представляют какой-либо
опасности для человек
Цели
создания ГМО
Разработка ГМО некоторыми учеными рассматриваются, как естественное развитие работ по селекции животных и растений. Другие же, напротив, считаютгенную инженерию полным отходом от классической селекции, так как ГМО это не продукт искусственного отбора, то есть постепенного выведения нового сорта (породы) организмов путем естественного размножения, а фактически искусственно синтезированный в лаборатории новый вид.
Во многих случаях использование трансгенных растений сильно повышает урожайность. Есть мнение, что при нынешнем размере населения планеты только ГМО могут избавить мир от угрозы голода, так как при помощи генной модификации можно увеличивать урожайность и качество пищи. Противники этого мнения считают, что при современном уровне агротехники и механизации сельскохозяйственного производства уже существующие сейчас, полученные классическим путем, сорта растений и породы животных способны сполна обеспечить население планеты высококачественным продовольствием (проблема же возможного мирового голода вызвана исключительно социально-политическими причинами, а потому и решена может быть не генетиками, а политическими элитами государств.)
Методы создания ГМО
Основные этапы создания ГМО:
1. Получение изолированного гена.
2. Введение гена в вектор для переноса в организм.
3. Перенос вектора с геном в модифицируемый организм.
4. Преобразование клеток организма.
5. Отбор генетически модифицированных организмов и устранение тех, которые не были успешно модифицированы.
Процесс синтеза генов в настоящее время разработан очень хорошо и даже в значительной степени автоматизирован. Существуют специальные аппараты, снабжённые ЭВМ, в памяти которых закладывают программы синтеза различных нуклеотидных последовательностей. Такой аппарат синтезирует отрезки ДНК длиной до 100-120 азотистых оснований (олигонуклеотиды).
Чтобы встроить ген в вектор, используют ферменты - рестриктазы и лигазы. С помощью рестриктаз ген и вектор можно разрезать на кусочки. С помощью лигаз такие кусочки можно «склеивать», соединять в иной комбинации, конструируя новый ген или заключая его в вектор.
Техника введения генов в бактерии была разработана после того, как Фредерик Гриффит открыл явление бактериальной трансформации. В основе этого явления лежит примитивный половой процесс, который у бактерий сопровождается обменом небольшими фрагментами нехромосомной ДНК, плазмидами. Плазмидные технологии легли в основу введения искусственных генов в бактериальные клетки. Для введения готового гена в наследственный аппарат клеток растений и животных используется процесс трансфекации.
Если модификации подвергаются одноклеточные организмы или культуры клеток многоклеточных, то на этом этапе начинается клонирование, то есть отбор тех организмов и их потомков (клонов), которые подверглись модификации. Когда же поставлена задача получить многоклеточные организмы, то клетки с изменённым генотипом используют для вегетативного размножения растений или вводят в бластоцисты суррогатной матери, когда речь идёт о животных. В результате рождаются детеныши с изменённым или неизменным генотипом, среди которых отбирают и скрещивают между собой только те, которые проявляют ожидаемые изменения.
Применение ГМО
Использование ГМО в научных целях
В настоящее время генетически модифицированные организмы широко используются в фундаментальных и прикладных научных исследованиях. С помощью ГМО исследуются закономерности развития некоторых заболеваний (болезнь Альцгеймера, рак), процессы старения и регенерации, изучается функционирование нервной системы, решается ряд других актуальных проблем биологии и медицины.
Использование ГМО в медицинских целях
Генетически модифицированные организмы используются в прикладной медицине с 1982 года. В этом году зарегистрирован в качестве лекарства человеческий инсулин, получаемый с помощью генетически модифицированных бактерий
Ведутся работы по созданию генетически модифицированных растений, продуцирующих компоненты вакцин и лекарств против опасных инфекций (чумы, ВИЧ). На стадии клинических испытаний находится проинсулин, полученный из генетически модифированного сафлора. Успешно прошло испытания и одобрено к использованию лекарство против тромбозов на основе белка из молока трансгенных коз.
Бурно развивается новая отрасль медицины - генотерапия. В её основе лежат принципы создания ГМО, но в качестве объекта модификации выступает геном соматических клеток человека. В настоящее время генотерапия - один из главных методов лечения некоторых заболеваний. Так, уже в 1999 году каждый четвёртый ребенок, страдающий SCID (severe combined immune deficiency), лечился с помощью генной терапии. Генотерапию, кроме использования в лечении, предлагают также использовать для замедления процессов старения.
Использование ГМО в сельском хозяйстве
Генная инженерия используется для создания новых сортов растений, устойчивых к неблагоприятным условиям среды и вредителям, обладающих лучшими ростовыми и вкусовыми качествами. Создаваемые новые породы животных отличаются, в частности, ускоренным ростом и продуктивностью. Созданы сорта и породы, продукты из которых обладают высокой питательной ценностью и содержат повышенные количества незаменимых аминокислот и витаминов.
Проходят испытания генетически модифицированные сорта лесных пород со значительным содержанием целлюлозы в древесине и быстрым ростом.
Другие направления использования
GloFish, первое генетически модифицированное домашнее животное
Разрабатываются генетически модифицированные бактерии, способные производить экологически чистое топливо.
В 2003 году на рынке появилась GloFish - первый генетически модифицированный организм, созданный с эстетическими целями, и первое домашнее животное такого рода. Благодаря генной инженерии популярная аквариумная рыбка Данио рерио получила несколько ярких флуоресцентных цветов.
В 2009 году выходит в продажу ГМ-сорт розы «Applause» с цветами синего цвета. Таким образом, сбылась многовековая мечта селекционеров, безуспешно пытавшихся вывести «синие розы» (подробней см. en:Blue rose).
Влияние продуктов содержащих ГМО на здоровье
1)Угнетение иммунитета, аллергические реакции и метаболические расстройства, в результате непосредственного действия трансгенных белков.
2)Различные нарушения здоровья в результате появления в ГМО новых, незапланированных белков или токсичных для человека продуктов метаболизма
3)Появление устойчивости патогенной микрофлоры человека к антибиотикам
4)Нарушения здоровья, связанные с накоплением в организме человека гербицидов.
5)Сокращение поступления в организм необходимых веществ.
6)Отдаленные канцерогенный и мутагенный эффекты.
Тема этой статьи: "ГМО: польза или вред?". Попробуем разобраться в этом вопросе непредвзято. Ведь именно недостатком объективности грешат сегодня многие материалы, посвященные этой неоднозначной теме. Сегодня во многих странах мира (включая Россию) понятие ГМО стало употребляться, когда говорят о "продуктах, которые вызывают опухоли и мутации". Со всех сторон ГМО поливаются грязью по разным поводам: невкусные, небезопасные, угрожают продовольственной независимости нашей страны. Но так ли страшны и что это на самом деле такое? Давайте ответим на эти вопросы.
ГМО - это генномодифицированные организмы, то есть измененные с помощью методов генной инженерии. Понятие это в узком смысле распространяется и на растения. В прошлом различные селекционеры, вроде Мичурина, добивались полезных свойств у растений, используя различные ухищрения. К ним относились, в частности, прививки черенков некоторых деревьев на другие или выбор для посева семян лишь с определенными качествами. После этого нужно было долго ждать результатов, которые лишь через пару поколений стойко проявлялись. Сегодня нужный ген можно перенести в нужное место и таким образом быстро получить желаемое. То есть ГМО - это направление эволюции в нужное русло, ускорение ее.
Несколько методик можно использовать для того, чтобы создать ГМО-растение. Наиболее популярным сегодня является метод трансгенов. Необходимый ген (например, ген устойчивости к засухе) для этого выделяют в чистом виде из цепочки ДНК. После этого его вносят в ДНК растения, которое нужно модифицировать.
Гены могут браться из родственных видов. В этом случае процесс называется цисгенезом. Трансгенез имеет место тогда, когда ген берется от далеких видов.
Именно о последнем ходят жуткие истории. Многие, узнав о том, что пшеница сегодня существует с геном скорпиона, начинают фантазировать о том, не отрастут ли у тех, кто ее употребляет в пищу, клешни и хвост. Многочисленные неграмотные публикации на форумах и сайтах Сегодня тема ГМО, польза или вред которых муссируются очень активно, не утратила актуальность. Однако это не единственное, чем "специалисты", плохо знакомые с биохимией и биологией, пугают потенциальных потребителей продуктов, содержащих ГМО.
Сегодня такими продуктами договорились называть все, что является генномодифицированными организмами или любые продукты, в которых есть компоненты этих организмов. То есть ГМО-едой будут не только генномодифицированная картошка или кукуруза, но и сосиски, в которые добавлена кроме ливера и ГМО-соя. А вот продукция из мяса коровы, которую кормили пшеницей, содержащей ГМО, не будет считаться таким продуктом.
Журналисты, не разбирающиеся в таких темах, как генная инженерия и биотехнология, но понимающие востребованность и актуальность проблемы ГМО, запустили утку о том, что, попадая в наш кишечник и желудок, клетки содержащих их продуктов всасываются в кровоток и затем разносятся по тканям и органам, в которых вызывают раковые опухоли и мутации.
Приходится отметить, что этот фантастический сюжет далек от реальности. Любая пища, без ГМО или с ними, в кишечнике и желудке распадается под действием кишечных ферментов, секрета поджелудочной и желудочного сока на составные части, а они являются вовсе не генами и даже не белками. Это аминокислоты, триглицериды, простые сахара и жирные кислоты. Все это на разных участках ЖКТ затем всасывается в кровоток, после чего расходуется на различные цели: для получения энергии (сахара), как строительный материал (аминокислоты), для запасов энергии (жиры).
Например, если взять генномодицифированный организм (допустим, ставшее похожим на огурец уродливое яблоко), то оно будет спокойно пережевано и разложено на составные части таким же образом, как и любое другое без ГМО.
Другая байка, не менее леденящая душу, касается того, что в встраиваются трансгены, что приводит к страшным последствиям вроде бесплодия и рака. Впервые в 2012 году французы написали про рак у мышей, которым давали генномодифицированное зерно. На самом деле Жилем-Эриком Сералини, руководителем эксперимента, была сделана выборка, состоящая из 200 крыс Спрег-Доули. Из них треть кормили ГМО-зерном кукурузы, другую треть - обработанной гербицидом генномодифицированной кукурузой, а последнюю - обычными зернами. В итоге крысы женского пола, употреблявшие в пищу генетически модифицированные организмы (ГМО) дали в течение двух лет рост опухолей в 80 %. Самцы же заработали на таком питании почечные и печеночные патологии. Характерно, что на обычном питании треть животных также погибла от различных опухолей. Данная линия крыс вообще склонна к внезапному появлению опухолей, не связанному с характером питания. Поэтому чистоту эксперимента можно считать сомнительной, и его признали несостоятельным и ненаучным.
Аналогичные изыскания проводились и ранее, в 2005 году, в нашей стране. ГМО в России изучала биолог Ермакова. Она представила на конференции в Германии доклад о высокой смертности получавших ГМО-сою мышат. Подтвержденное в научном эксперименте заявление после этого начало распространяться по всему миру, доводя молодых мам до истерики. Ведь им приходилось кормить искусственными смесями своих малышей. А в них использовалась соя ГМО. Пять экспертов Nature Biotechnology в дальнейшем сошлись во мнении о том, что результаты российского эксперимента являются неоднозначными, и его достоверность не признали.
Хочется добавить, что даже если кусок чужеродной ДНК окажется в кровотоке человека, то эта генетическая информация никаким образом не встроится в организм и не приведет ни к чему. Конечно, в природе существуют случаи встраивания в чужеродный организм кусков генома. В частности, некоторые бактерии таким образом портят генетику мух. Однако подобные феномены не были описаны у высших животных. К тому же генетической информации и в продуктах без ГМО хоть отбавляй. И если они не встраивались в генетический материал человека до сих пор, то можно и дальше спокойно есть все, что усваивает организм, в том числе содержащее ГМО.
"Монсанто", американская компания, уже в 1982 году на рынок вывела генетически модифицированные продукты: сою и хлопок. Ей также принадлежит авторство убивающего всю растительность, за исключением генномодифицированной, гербицида "Раундап".
В 1996 году, когда продукты фирмы "Монсанто" были выброшены на рынки, корпорации, конкурирующие с ней, для спасения доходов начали широкомасштабную кампанию, цель которой заключалась в ограничении оборота содержащих ГМО продуктов. Первым в гонениях отметился Арпад Пуштаи, британский ученый. Он кормил ГМО-картошкой крыс. Правда, впоследствии эксперты все выкладки этого ученого разнесли в пух и прах.
Никто не скрывает, что на засеянных ГМО-зерновыми землях никогда больше не растет ничего, кроме их самих. Связано это с тем, что сорта хлопчатника или сои, устойчивые к гербицидам, не морятся ими. Таким образом, их можно распылять, добиваясь вымирания всей остальной растительности.
Глифосфат - это самый распространенный гербицид. Он распыляется вообще-то еще до созревания растений и быстро в них разлагается, не сохраняясь в почве. Однако устойчивые ГМО-растения позволяют его использовать в огромных количествах, что повышает риски накопления глифосфата в ГМО-растительности. Также известно, что этот гербицид вызывает разрастание костной ткани и ожирение. А в Латинской Америке и США что-то многовато людей, страдающих лишним весом.
Лишь на один посев рассчитаны многие ГМО-семена. То есть потомства не даст то, что из них вырастет. Скорее всего, это коммерческая уловка, поскольку таким образом сбыт ГМО-семян повышается. Модифицированные растения, дающие следующие поколения, прекрасно существуют.
Поскольку искусственные мутации генов (например, у сои или картофеля) могут повышать аллергенные свойства продукции, часто говорят о том, что ГМО являются мощными аллергенами. А вот лишенные привычных белков некоторые сорта арахиса не вызывают аллергию даже у тех, кто мучился ею раньше именно на этот продукт.
Из-за особенностей могут сокращать количество прочих сортов своего вида. Если на двух участках, расположенных рядом, посадить обычную пшеницу и пшеницу-ГМО, существует риск, что обычную вытеснит модицифированная, опыляя ее. Однако вряд ли кто-то дал бы им расти рядом.
Отказавшись от своих собственных посевных фондов и используя лишь ГМО-семена, в особенности одноразовые, государство в конце концов окажется в продовольственной зависимости от фирм, являющихся держателями семенного фонда.
После того как во всех СМИ были многократно растиражированы страшилки и байки о ГМО-продуктах, Роспотребнадзор поучаствовал во многих конференциях по этому вопросу. На конференции в Италии, состоявшейся в марте 2014 года, его делегация участвовала в технических консультациях по низкому содержанию в товарообороте России генетически модифицированных организмов. Сегодня, таким образом, принят был курс на практически полное недопущение на продовольственный рынок нашей страны такой продукции. Также было отсрочено применение в сельском хозяйстве ГМО-растений, хотя использование ГМО-семян планировалось начать еще в 2013 году (постановление правительства от 23 сентября 2013 года).
Еще дальше пошло Министерство образования и науки. Оно предложило использовать штрих-код, заменяющий пометку "Не содержит ГМО", в России. В нем должна содержаться вся информация о содержащейся в продукте генной модификации либо о ее отсутствии. Хорошее начинание, однако без специального устройства считать этот штрих-код будет невозможно.
ГМО регламентируются законом в некоторых государствах. В Европе, например, содержание их в продуктах не допускается более 0,9 %, в Японии - 9 %, в США - 10 %. В нашей стране продукция, в которой содержание ГМО превышает 0,9 %, подлежит обязательному маркированию. За нарушение этих законов предприятиям грозят санкции, вплоть до прекращения деятельности.
Вывод из всего этого можно сделать следующий: проблема ГМО (польза или вред от использования содержащих их продуктов) сегодня явно раздута. Неизвестны реальные последствия долговременного использования таких продуктов. На сегодняшний день авторитетных научных экспериментов по этому вопросу не проведено.
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Пожалуй, трудно придумать еще одну биологическую проблему, которую бы так активно обсуждали в СМИ, вагоне метро и очереди за батоном. ГМО . Эти три буквы, увы, пугают и вызывают недоверие. Хочется еще раз расставить все точки над «ё» и разобраться в том, зачем нужны ГМО, каковы плюсы современных генно-инженерных технологий и с какими трудностями и мерами предосторожности они связаны.
Генеральным спонсором конкурса, согласно нашему краудфандингу , стал предприниматель Константин Синюшин , за что ему огромный человеческий респект!
Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма «Атлас ».
Спонсор публикации этой статьи - Юрий Викторович Лошкарев.
Итак, сайт «Википедия» дает следующее определение ГМО : «ГМО (генетически модифицированный организм) - организм, генотип которого был искусственно изменен при помощи методов генной инженерии. Это определение может применяться для растений, животных и микроорганизмов. Генетические изменения, как правило, производятся в научных или хозяйственных целях. Генетическая модификация отличается целенаправленным изменением генотипа организма в отличие от случайного, характерного для естественного и искусственного мутационного процесса» .
Стόит сказать пару слов о том, с чего началась история ГМО. 1973 год можно считать годом рождения генной инженерии. Тогда в лаборатории Стэнли Нормана Коэна научились «комбинировать и трансплантировать» гены: в клетки E. coli начали вводить рекомбинантные кольцевые ДНК (плазмиды ) . Эти эксперименты показали, что определенные гены, включенные в плазмиду, можно запросто доставить в другой организм, где они будут работать. Но использовать эту технологию в медицине и сельском хозяйстве стали далеко не сразу: первый рекомбинантный препарат появился в 1982 году, а первая сельскохозяйственная культура - в 1992. Почему же к этой технологии отнеслись с такой осторожностью?
Как известно, лень - двигатель прогресса. Зачем выдумывать велосипед, когда есть готовая природная генная конструкция. Биотехнологи берут плазмиду A. tumefaciens , вырезают из нее онкогены и вставляют нужные им (целевые) последовательности. Обманутая бактерия добросовестно встраивает модифицированную T-ДНК в растительную клетку и ждет, что та начнет делиться и производить опины. Но вместо этого растение производит то, что нужно человеку. Например, с помощью такого «коварного» подхода удалось получить устойчивую к засухе кукурузу MON87460 . В эту кукурузу был введен ген cspB , отвечающий за производство белка, который стимулирует транскрипцию генов, необходимых для преодоления стрессов (засухи в частности), а главное - играет роль РНК-шаперона, облегчающего синтез белков путем «распутывания» мешающих вторичных структур РНК. Потребителю же должно быть приятно то, что по вкусу трансгенные кукурузные початки никак не отличаются от обычных . История жестокого обмана бактерии отражена на рисунке 1.
Главный недостаток так называемой агробактериальной трансформации - невозможность контролировать, в какое именно место растительной ДНК встроится новая конструкция. Но сейчас появилась новая технология, позволяющая контролировать этот процесс, - CRISPR/Cas9 , - и на ней обязательно нужно остановиться.
Это одна из самых модных технологий, позволяющих редактировать геном «в режиме онлайн». Интересно то, что эту систему мы тоже позаимствовали у бактерий. Скажем несколько слов об истории ее открытия.
В 1987 году японские ученые обнаружили в геномах бактерий участки с регулярной структурой - короткие одинаковые последовательности чередовались с уникальными фрагментами, которые у разных бактерий даже одного вида не имели ничего общего. Такие участки назвали CRISPR (c lustered r egularly i nterspaced s hort p alindromic r epeats ) . Оказалось, что система CRISPR, как это ни удивительно, играет у бактерий роль приобретенного иммунитета. Если в бактерию проникает вирус (фаг), она вырезает фрагмент вирусной ДНК и встраивает его в собственный геном, а именно - в CRISPR-локус. Так формируются спейсер , а заодно - и очередной повтор, отделяющий новый спейсер от предыдущего. По спейсеру бактерия затем строит РНК-зонд (по-научному - РНК-гид), соединяющийся с Cas-белком и плавающий в клетке в поисках комплементарных нуклеиновых кислот (протоспейсеров ). В том случае, если таковые найдены, то есть снова вторгся тот же фаг, начинает работать белок-ножницы Cas - эндонуклеаза, которая разрезает распознанные последовательности, а следовательно, блокирует размножение вируса . Иными словами - если бактерия повторно встретится с вирусом, фрагмент которого встроен в ее геном, она будет устойчива к этой инфекции.
Наиболее просто из систем CRISPR/Cas устроены системы II типа , где эффекторным (уничтожающим мишень) белком служит Cas9 (рис. 2). Такой механизм характерен, например, для бактерии Streptococcus pyogenes . В бактериальном иммунном контроле обычно помимо Cas-эффекторов задействованы «патрульные» белки Cas1 и Cas2, которые в комплексе распознают нарушителя клеточных границ и интегрируют его фрагмент в самое начало (ближе к промотору) CRISPR-локуса - «на память». В системах II типа Cas9, видимо, участвует и в процессе приобретения спейсеров, помогая Cas1/Cas2 выбрать наиболее подходящие фрагменты .
Из вышесказанного становится ясно, почему иммунитет CRISPR адаптивный : он совершенствуется и учится противостоять новым типам инфекции. Это подчеркивается еще и снижением эффективности спейсеров по мере их удаления от промотора CRISPR-локуса: если многие поколения бактерий давно не сталкивались с тем или иным агентом, снижается «напряженность иммунитета» к нему. CRISPR - это интересный пример эволюции по Ламарку: события жизни организма непосредственно влияют на его ДНК, изменяя ее так, что организм становится более приспособленным .
Рассмотрим на конкретном примере, как бактерии борются с вирусами. Вот, например, бактерия Streptococcus thermophilus используется для получения молочнокислых продуктов, но, к сожалению, она страдает от различных вирусных инфекций. Не случайно именно на этом модельном организме провели ключевые эксперименты по уточнению функции CRISPR-систем. Если живую культуру S. thermophilus заражали бактериофагами, то большинство бактерий погибало, но очень небольшая часть выживала. Чем же выжившие отличались от изначальной культуры? Оказалось, что их геном стал длиннее на 0,01% за счет того, что в CRISPR-последовательность добавились 1–4 новых фрагмента (спейсера). При повторном заражении этой культуры теми же вирусами все клоны выживали. Как будто, переболев вирусной инфекцией, бактерия стала немного опытнее и записала себе в «медицинскую карту» что-то важное об этом вирусе, и такая инфекция ей теперь не страшна. Если же ученые специально вырезали из вирусного генома небольшие фрагменты и вставляли их в виде новых спейсеров, то клетка оказывалась невосприимчивой к исходному вирусу, даже если никогда раньше с ним не встречалась.
Какую же практическую пользу из этой системы смог извлечь человек? Как вообще она работает в клетках эукариот? Если просто запустить CRISPR/Cas9 в клетку, эта система разрежет обе цепи ДНК в месте, которое укажет специально сконструированный РНК-гид, но разрез залатают обычные клеточные репарационные машины - путем негомологичного соединения концов (non-homologous end joining, NHEJ ) либо гомологичной рекомбинации - если есть матрица с флангами, комплементарными участкам ДНК с двух сторон от разрыва, произойдет «заштопывание по шаблону». Это означает, что в зависимости от целей человека можно устроить в нужном месте делецию - «выключить» проблемную область генома - или «подставить» матрицу с нужными свойствами, чтобы просто заместить, например, мутантный, патологический вариант гена нормальным.
Рисунок 3. История мораториев в биологии. В 1975 году был введен мораторий на исследования рекомбинантных ДНК, в 1997 - на клонирование человека, в 2012 - на эксперименты по изменению свойств (вирулентности) вируса «птичьего» гриппа.
И это еще не всё. Можно сделать так, чтобы клетка «починенную» хромосому воспринимала как образец для ремонта второй хромосомы. В 2015 году ученые из Калифорнийского университета для апробации метода в качестве «заплатки» использовали саму кассету CRISPR/Cas9, которая затем экспрессировалась X-хромосомой мух и модифицировала гомологичную хромосому. В итоге потомству передавались уже измененные хромосомы, и инсерция CRISPR/Cas9 из поколения в поколение «саморазмножалась», замещая нормальные аллели. Этот метод получил название «мутагенная цепная реакция» (mutagene chain reaction , MCR ) .
В том же году Лианг и соавторы провели работу на триплоидных (заведомо нежизнеспособных) эмбрионах с бета-талассемией . Из 86 CRISPR-отредактированных эмбрионов только 71 продолжил развиваться, и только у четырех из них ген был отредактирован правильно . Эта статья вызвала настоящий взрыв споров на тему того, насколько вообще этично проводить такие исследования.
В Nature Эдвард Ланфир, один из исследователей ZF-нуклеаз (белков-ножниц, содержащих ДНК-связывающий домен «цинковые пальцы»), и его коллеги призвали к мораторию на любые эксперименты, касающиеся редактирования генов эмбрионов человека или половых клеток: «Стоит ли испытывать судьбу, даже если будет заметен терапевтический эффект от модификации зародышевых клеток? Мы готовы вступить в открытую дискуссию на тему дальнейших исследований в этой области» . К слову, в биологии уже написана целая история мораториев на различные исследования (рис. 3). Но вернемся к CRISPR. Некоторое время спустя группа ученых выступила с предложением избегать попыток модификации клеток зародышевой линии человека, но поддержала идею работы с клетками человека в том случае, если они не участвуют в развитии и поддержании беременности (например, соматических клеток) .
Теперь стόит затронуть перспективы использования этой технологии. MCR может позволить, например, создать комаров, неспособных переносить малярию и лихорадку Денге. Появится возможность быстро выводить линии мышей со множественными мутациями для лабораторных исследований и не тратить время на тщательный скрининг . Помимо этого, есть работы по тестированию CRISPR/Cas9 на мышах с целью лечения миодистрофии Дюшенна . Тем не менее существуют опасения, что мы просто не знаем о возможных побочных эффектах таких изменений половых и эмбриональных клеток, в связи с чем и был предложен мораторий.
Ограничимся некоторыми яркими прикладными примерами, имеющими отношение к экологии, питанию и материалам.
На первый взгляд может показаться, что между свиньями, фосфором и экологическими катастрофами нет ничего общего. Но это не так. Существует серьезная сельскохозяйственная проблема: свиньи не могут усваивать большую часть фосфора в комбикормах, так как он представлен в форме фитатов, солей фитиновой кислоты. Неусвоенный фосфор в составе свиного навоза в конце концов попадает в водоемы, в которых начинается бурное размножение водорослей - они-то с радостью едят фитаты. Из-за токсичных продуктов обмена водорослей погибают рыбы и другие водные организмы. В общем, катастрофа. Но генные инженеры предложили проект «Эко-свинка». К сожалению, он пока так и остался проектом, не вышедшим на рынок. Но идея очень красивая. Речь идет о генетически модифицированных свиньях, способных усваивать фитаты. Идея заключалась в том, чтобы встроить в геном свиней ген, который кодирует фермент, необходимый для расщепления фитатов (а взять его можно у той же E. coli ) . Будем надеяться, что когда-нибудь ученые облегчат свиньям жизнь:-)
А теперь рассмотрим примеры полезных ГМО, никак не связанные между собой: просто они красивые, и захотелось о них рассказать. В 2002 году в Science появилась статья о том, что генетически модифицированные клетки млекопитающих могут производить паутину. Канадская фирма Neхia вывела коз, в геном которых был встроен ген белка паутины. Оказалось, что молоко таких коз можно использовать для получения биостали, которая даже прочнее кевлара - материала, из которого делают современные бронежилеты .
Но генная инженерия помогает создавать не только новые материалы, но и успешно выращивать старые. Еще 1997 году в Китае приступили к выращиванию генно-модифицированного хлопчатника, снабженного гéном бактерии Bacillus thuringiensis . Белок Cry1Ac , кодируемый этим геном, токсичен только для гусениц некоторых бабочек и, по-видимому, безвреден для всех остальных животных, включая человека. Это привело к снижению численности популяции хлопковой совки - опасного вредителя многих сельскохозяйственных культур. В результате в выигрыше оказались не только производители хлопка, но и крестьяне, выращивающие сою, кукурузу, арахис и различные овощи .
Что касается сладкого, то существует такое растение, как Thaumatococcus daniellii , и у него есть ген, кодирующий белок тауматин , который в тысячи раз слаще сахара! Сейчас ведутся работы по созданию микроорганизмов и растений, производящих этот белок. Помимо сладости, тауматин увеличивает устойчивость растений к ряду инфекций .
Ну и напоследок - про кошерный сыр. Известно, что для приготовления обычного сыра ранее использовался фермент, выделяемый из сычуга - одного из отделов пищеварительного тракта жвачных животных. Но теперь биотехнологи встроили гены сычужных ферментов в геном бактерий, предоставив возможность получать кошерный сыр. Кажется, это редкий пример сотрудничества науки и религии .
С одной стороны, приведенные выше примеры полезности ГМО - «песчинка как в морских волнах, как мала искра в вечном льде». Но с другой стороны, у любой технологии есть свои проблемы, связанные с вопросами этики и безопасности. Выше уже шла речь о моратории на использование CRISPR/Cas9 в отношении человеческих эмбрионов. В экспериментах на обезьянах показано, что из десяти отредактированных с помощью этой системы эмбрионов рождается, увы, не больше половины . Что касается использования ГМО, то здесь больше всего опасаются реакций на продукт, которые не всегда возможно предусмотреть. Например, в 1992 году селекционная компания Pioneer разработала ГМ-сою, добавив в нее ген бразильского ореха и тем самым устранив в сое природный дефицит аминокислоты метионина. Такие бобы были предназначены в первую очередь для тех людей, для кого соя - основной продукт питания. Но вскоре оказалось, что у небольшого процента людей бразильский орех вызывает аллергию. Соответственно, и такая ГМ-соя тоже может вызывать аллергию .
Вышеперечисленные факты не умаляют достоинства генных технологий, а говорят о том, что любой метод требует грамотного и аккуратного использования. Поэтому хотелось бы закончить статью словами молекулярного генетика Джорджа Чёрча из Гарвардской медицинской школы в Бостоне, считающего, что de facto мораторий стόит налагать на все технологии, пока не доказана их безопасность: «Задача заключается в доказательстве того, что пользы в технологии больше, чем риска» .
Наилучшей находкой в решении данной задачи явилось широкое применение генной инженерии, обеспечившей создание генетически модифицированных источников пищи (ГМИ). На сегодняшний день известно множество сортов растений, подвергшихся генетической модификации для увеличения стойкости к гербицидам и насекомым, повышение маслянистости, сахаристости, содержания железа и кальция, увеличения летучести и снижения темпов созревания.
ГМО это трансгенные организмы, наследственный материал которых изменен методом генной инженерии с целью придания им желаемых свойств.
Несмотря на огромный потенциал генной инженерии и ее уже реальные достижения, использование генно-модифицированных продуктов питания воспринимается в мире не однозначно. В СМИ регулярно появляются статьи и репортажи о продуктах мутантах при этом у потребителя не складывается полного представления о проблеме, скорее начинает преобладать чувство страха незнания и непонимания.
Но сторонники биоинженерии предпочитают ссылаться на благородные стимулы их деятельности. На сегодняшний день ГМО – наиболее дешевый и экономически безопасный (как они считают) способ для производства пищевых продуктов. Новые технологии позволят решить проблему нехватки продовольствия, иначе населению Земли не выжить. Сегодня нас уже 6 млрд., а в 2020г. по оценкам ВОЗ – будет 7 млрд. В мире 800 млн. голодающих и каждый день от голода умирает 20000 человек. За последние 20 лет мы потеряли более 15% почвенного слоя, и большая часть пригодных к возделыванию почв уже вовлечены в сельскохозяйственное производство. При этом человечеству не хватает белка, его мировой дефицит составляет 35−40 млн. тонн/год и увеличивается ежегодно на 2−3%.
Одно из решений создавшейся глобальной проблемы – генная инженерия, чьи успехи открывают принципиально новые возможности для повышения продуктивности производства и снижения экономических потерь.
С другой стороны против ГМО выступают многочисленные экологические организации, объединение «Врачи и ученые против ГМП», ряд религиозных организаций, производители сельскохозяйственных удобрений и средств борьбы с вредителями.
Биотехнология – относительно молодая область прикладной биологии, изучающая возможности применения и разрабатывающая конкретные рекомендации использования биологических объектов, средств и процессов в практической деятельности, т.е. разрабатывающая способы и схемы получения практически ценных веществ на основе культивирования целых одноклеточных организмов и свободноживущих клеток, многоклеточных организмов (растений и животных).
Исторически биотехнология возникла на основе традиционных медико–биологических производств (
В действительности использованием мутаций, т.е. селекцией, люди начали заниматься задолго до Дарвина и Менделя. Во второй половине XX века материал для селекции стали готовить искусственно, генерируя мутации специально, воздействуя радиацией или колхицином и отбирая случайно появившиеся положительные признаки.
В 60−70гг.. XX века были разработаны основные методы генной инженерии – отрасли молекулярной биологии, основной задачей которой является конструирование in vitro (вне живого организма) новых функционально активных генетических структур (рекомбинантных ДНК) и создание организмов с новыми свойствами.
Генная инженерия помимо теоретических задач – изучение структурно-функциональной организации генома различных организмов – решает множество практичных задач. Так получены штаммы бактериальных дрожжей, культуры клеток животных, продуцирующих биологически активные белки человека. И трансгенные животные и растения, содержащие и производящие чужеродную генетическую информацию.
В 1983г. ученые, изучая почвенную бактерию, которая образует на стволах деревьев и кустарников наросты, обнаружили, что она переносит фрагмент собственной ДНК в ядро растительной клетки, где он встраивается в хромосому и распознаваемая как свой. С момента этого открытия и началась история генной инженерии растений. Первыми в результате искусственных манипуляций с генами получился табак, неуязвимый для вредителей, потом генно-модифицированный помидор (в 1994г. фирмы Monsanto), затем кукуруза, соя, рапс, огурец, картофель, свекла, яблоки и многое другое.
Сейчас выделять и собирать гены в одну конструкцию, переносить их в нужный организм – рут
В целом, проблема трансгенных продуктов во всем мире остается очень острой и дискуссии вокруг ГМО не утихнут еще долго, т.к. преимущество их использования очевидны, а отдаленные последствия их действия, как на экологию, так и на здоровье человека менее ясны.
.jpg)