Генетически модифицированные продукты – благо или вред?

Селекционная наука обеспечила человечество новы­ми сортами растений, породами животных, но эти про­цессы очень длительны и охватывают годы и десятилетия. Очень много подводных камней на пути селекционера, что связано с нескрещиваемостью организмов, непро­явлением гетерозиса в качестве ожидаемого результата и т.д. Задачи ускорения процессов по созданию желаемого высокопродуктивного сорта или породы разрешимы только за счет возможности генно-инженерных введений нужных комбинаций аллелей в уже существующие произ­водственные сорта. Те сельскохозяйственные растения, в которых ген определенного качества (допустим, карлико­вости) введен в организм, принципиально не будут отли­чаться от карликового растения, выведенного методом длительной селекции, то есть значительно ускоряется процесс получения организмов с требуемыми качества­ми. С помощью современных методов можно достаточно легко обнаружить в геноме чужие гены, внедренные туда извне путем горизонтального переноса. Исследуя нуклеотидный состав ДНК и частоту встречаемости определен­ных кодонов, узнают, какой из фрагментов генома чужой, а какой — «родной». Так находят вкрапления в геном чу­жих сегментов ДНК, попавших в организм относительно недавно (естественно, в эволюционном масштабе). Со временем за счет геномных перестроек и мутаций проис­ходит как бы «приобщение», унификация чужих генов, и они перестают отличаться от генов «родных». Кстати, по степени «чужеродности» фрагмента можно рассчитать эволюционный момент его появления в геноме.

Генетические заболевания сегодня – что изменилось?

Какова же доля генов-иммигрантов в уже расшифро­ванных геномах? Например, у популярной кишечной палочки около 16% генома, по-видимому, получено сравни­тельно недавно — около 100 млн. лет назад. У ряда пато­генных бактерий доля чужих генов колеблется от 1 до 8%, а у некоторых свободноживущих бактерий и археобактерий она может достигать 20%. В геноме эукариот также немало генов бактериального или архейного происхож­дения. В геномах бактерий, в свою очередь, встречаются отдельные гены, типичные для животных или растений. Вообще в большинстве случаев трудно определить, какие конкретно организмы были донорами, поскольку обнару­женные в геномах «чужеродные» вставки могли попасть туда через цепочку промежуточных хозяев. Важен резуль­тат: геномы практически всех организмов мозаичны, что подтверждает факт активного генного переноса, в кото­ром в ходе эволюции участвовали самые разные группы организмов. Согласно наиболее популярной гипотезе происхождения эукариот, сам их геном сформировался при слиянии клетки археи и бактерий, чем и объясняется наличие в нем «древних» генов. Кроме того, считается, что эукариотические внутриклеточные органеллы, имею­щие свой наследственный материал, у эукариотов возни­кли путем эндосимбиоза с бактериями. В ходе этого про­цесса происходил и горизонтальный перенос генов из бактериальных предшественников митохондрий и хлоропластов в ядерный геном эукариот, что также внесло существенный вклад в мозаичное строение эукариотических геномов. Реже всего переносятся гены «домашнего хозяйства», то есть гены многокомпонентных информа­ционных систем, ответственных за копирование и пере­дачу наследственной информации, а также за жизненно важные энергетические процессы. А вот гены, контроли­рующие клеточные структуры, особенности метаболизма, транспортные пути, переносятся относительно легко. В составе приобретенных сегментов ДНК часто встречают­ся плазмиды, провирусы, гены белков, облегчающих ин­теграцию чужеродного генетического материала.

Сегодня исследованы функции лишь 30-40% генов в составе геномов модельных организмов. Ученым может быть известен сам ген и даже понятно, как он построен и где расположен. А вот что он делает в клетке… Именно эти, малоизученные «серые кардиналы», для которых нет ортологов в организме-реципиенте, переносятся чаще всего и могут играть важнейшую роль в его приспособле­нии к изменившимся условиям среды. При этом многие организмы исполняют в горизонтальных переносах роль «проточных емкостей»: какие-то гены приходят, тран­сформируются, какие-то уходят или деградируют, а в ре­зультате баланса этих процессов поддерживается опреде­ленный размер генома.

В.К. Шумный [6,7] в статье «Природа была первым ген­ным инженером» указывает, что благодаря прогрессу в области молекулярной генетики и стремительному нако­плению данных о структуре геномов микроорганизмов, растений и животных стало понятно, что обмен генами между организмами разных систематических категорий — достаточно обычное явление, играющее определенную роль в эволюции. Подробную информацию о роли гори­зонтального переноса генов в эволюции можно почер­пнуть из статьи СВ. Шестакова «Трансгенные родственни­ки». Открыты грандиозные перспективы получения ра­стений, животных и микроорганизмов с улучшенными или новыми признаками, то есть ознаменовало совер­шенно новый этап в селекции.

Горизонтальный перенос генов наиболее актуален для микробного мира. У этих организмов отсутствует свой­ственный высшим формам половой процесс. В связи с эт­им горизонтальный перенос у них был и является одним из главных способов увеличения и модификации генетической информации. В этом смысле для архей и бактерий вообще не слишком подходит классическое определение «вида» — из-за высокой пластичности геномов и наличия большого «обменного генетического фонда». По мере усложнения организмов в процессе вертикальной эволю­ции возникали и совершенствовались барьеры, препят­ствующие горизонтальным генным переносам. Развива­лись механизмы, обеспечивающие автономность и ста­бильность собственных генов. Частота горизонтальных переносов у высших организмов, обладающих сложным генетическим аппаратом и системами репродуктивной изоляции, должна была автоматически падать: вероят­ность интеграции чужих генов в геном высших организ­мов крайне невелика. Этот фактор должен успокоить лю­бителей лакомиться трансгенными грушами и другими плодами генной инженерии. В ходе эволюции возникали самые неожиданные геномные перекресты, связующие ветвящееся дерево.

Какие выгоды может дать биологическому виду есте­ственный трансгенез?

Их немало. Можно получить совер­шенно новый ген, новое качество, или приобрести пара-логичный (функционально похожий на свой собствен­ный) ген и тем самым увеличить разнообразие белков в клетке. Есть шанс обзавестись ортологом из эволюционно далекой группы и таким способом улучшить какую-ни­будь функцию, изменить регуляцию клеточных процес­сов. Если организм благодаря трансгенезу обзаводится способностью усваивать новый пищевой субстрат, то ему «светит» и «новое место» в жизни. Можно приобрести устойчивость к неблагоприятным факторам среды, ток­синам, патогенам — именно таким способом в микроб­ном мире стремительно передается так удручающая нас устойчивость к антибиотикам.

Допустим, что приобретенные гены оказываются функциональными дубликатами уже имеющихся. Тоже не беда! Страховка на случай повреждения «родного» гена никогда не помешает. Причем вовсе не обязательно, что­бы новый ген сохранился в неизменном автономном ви­де. Путем перекомбинаций и слияния функционально различающихся участков гена могут образовываться со­вершенно новые гены и, соответственно, новые белки с разными клеточными функциями.

Таким образом, горизонтальный перенос генов, ради­кально меняя свойства организма, значительно расширя­ет диапазон изменчивости, необходимой для действия факторов естественного отбора. Приобретение «чужих» генов в ряде случаев меняет направление эволюции вида, дает толчок образованию новой популяции, способной вытеснить предшествующий вид. Роль этого фактора как источника быстрых эволюционных изменений особенно велика в периоды глобальных кризисов и катастроф.

Постепенное накопление мутаций, а затем импульс­ное, скачкообразное изменение — вот в чем суть гори­зонтального переноса генов как одной из движущих сил эволюционного процесса.

В последние 30 лет человек успешно использует мето­ды генных переносов. Технология генной инженерии по­зволяет совершать быструю и, более того, направленную генетическую модификацию разных организмов, вклю­чая растения и животных.

Особую роль в этом направлении сыграло развитие современной промышленной микробиологии. Достиже­ния молекулярной генетики в последние десять лет от­крыли большие перспективы в области теоретических познаний, а также практического использования в меди­цине, сельском хозяйстве, промышленности и быту.

Трансгенез у растительных организмов, являясь преж­де всего научной проблемой, в то же время имеет и прак­тическое применение. В частности, клонирование генов, создание генно-инженерных конструкций, анализ эк­спрессии генов, проблема сайленсинга — это только не­большая часть теоретических наработок в этой области. Естественным является интерес ученых, медиков а также большей части населения к практическим аспектам трансгенеза. В связи с тем, что на сегодня получены трансгенные растения люцерны с геном интерферона человека, растения моркови с генами интерлейкинов, картофеля с геном неспецифической бактериальной ну-клеазы, табака с повышенным содержанием пролина, ин­терес к практическому использованию результатов этих исследовании очень высок. Говоря о трансгенных организмах вообще и растениях в частности, следует указать, что эти наработки состоялись благодаря супермощным технологиям в молекулярной генетике, однако в этой области еще много нерешенных проблем. Начиная с 80-х годов прошлого века спектр продуктов микробного син­теза существенно расширился за счет внедрения в область микробной биотехнологии методов генной ин­женерии. Полученные таким способом биологически активные препараты используются в качестве пищевых до­бавок не только для животных, но и для человека. Прин­ципиально изменилась схема селекции промышленных микроорганизмов, основанная не на поиске эффектив­ных штаммов-продуцентов, а на введении «нужных» ге­нов в организм бактерий, что обеспечивает эффектив­ный синтез целевого продукта.

Со страниц периодической печати, с экранов телеви­зоров население страны, да и всего мира, получает поток информации о дискуссиях вокруг генетически модифи­цированных организмов, что связано, в основном, с ис­пользованием трансгенных растений и животных в раз­личных целях. Прежде всего это получение медицинских препаратов, биологически активных веществ и генетиче­ски модифицированных продуктов питания. Во всем ми­ре на сегодня получено более ста видов трансгенных форм растений, для выращивания которых использовано более 60 миллионов гектаров посевных площадей. Про­довольственный рынок ежегодно получает миллионы тонн зерна трансгенных кукурузы, рапса и др. Эти сель­скохозяйственные культуры являются компонентами многих продуктов питания, которые попадают и на ры­нок России. Не всегда, к сожалению, такие продукты име­ют маркировку с указанием наличия в их составе генети­чески модифицированных организмов (ГМО). Каждый из нас уже многократно употребил трансгенную продукцию вместе с пищей и лекарствами. В США, например, уже бо­лее 70% продуктов питания содержат ингредиенты, полу­ченные из трансгенных организмов. В России эта доля пока невелика, но будет неуклонно возрастать.

Острые проблемы демографического развития России

У этого процесса есть свои минусы и плюсы. При той демографической ситуации, которая складывается на планете, в принципе невозможно обойтись без активно­го использования генетически модифицированных ор­ганизмов. Ведь ресурсы естественной селекции ограничены. Следует особо подчеркнуть, что «чужие» гены, по­падающие в нашу пищу из трансгенных растений, не включаются в геном человека через механизмы горизон­тального переноса и поэтому не представляют никакой реальной опасности. Однако надо отдавать себе отчет в том, что появление в природе организмов, представляю­щих собой продукт трансгенеза, может, как и большин­ство других технологических достижений, влиять на функционирование экологических систем, темпы и на­правления биологической эволюции. Поэтому нужен жесткий контроль за работами в области генной инже­нерии. Необходимо тщательное тестирование на биоб­езопасность, которое сейчас и проходят все новые фор­мы трансгенных организмов. Конечно, жаль, что у чело­вечества, в отличие от природы-матушки, нет возможно­сти в течение пары миллионов лет оценить последствия этих генетических экспериментов. Что ж делать? Просто к вере в прогресс нужно прибавить чувство ответственности за будущее биосферы. Между эволюционным фе­номеном — горизонтальным переносом генов и трансгенезом, осуществляемым в лабораториях, существует оче­видное сходство. И в том, и в другом случае происходит перенос и экспрессия (работа) чужеродной генетиче­ской информации в геноме организма-донора. Только в одном планирование эксперимента и оценка его послед­ствий производится человеком, в другом арбитром слу­жит естественный отбор.

Человек перешел на оседлый образ жизни и занялся культивированием растений и разведением животных примерно 10-12 тысяч лет тому назад. На первых порах в его распоряжении были только дикие виды растений и животных, то есть продукты естественной эволюции. На этом материале человек стал проводить селекцию (от­бор), что, по образному выражению Н.И. Вавилова, тоже является эволюцией, но уже направляемой волей челове­ка и для своих целей. То, что мы имеем сегодня в виде сор­тов культурных растений и пород животных, имеет мало общего как с дикими предками, как и с современными дикими «собратьями». Более того, некоторые виды расте­ний и животных встречаются исключительно в виде куль­турных форм, а их родоначальники канули в Лету. За вре­мя 10-тысячелетней селекции произошла колоссальная реорганизация структуры и функции наследственного материала этих организмов, без сомнения, просто не сравнимая с итогами генно-инженерной деятельности, которая осуществлялась лишь в течение последних 30-40 лет. Единственное, что добавил экспериментатор в доста­точно «привычном» для человечества деле преобразова­ния геномов, — раздвинул и ослабил таксономические ограничения на перенос генетического материала. Созда­ние новых форм организмов стало возможным не только путем отбора полезных мутаций и близкородственных скрещиваний, но и «прямым» переносом нужных генов между представителями разных родов, семейств, типов и даже царств! Создание и использование трансгенных, или (как их называют в СМИ) генетически модифицирован­ных, организмов (ГМО) вызвало в обществе бурные и до сих пор не прекращающиеся дискуссии. Особенно это относится к трансгенным растениям, которые все чаще используются в продуктах питания. Противники, зача­стую мало сведущие в этой области, утверждают об опас­ности потребления генетически модифицированных ра­стений человеком.

Так все же «есть» или «не есть» чужеродную ДНК?

В связи с этим вопросом вспомним некоторые простые, но редко «востребуемые» биологические аксиомы. Пер­вое: по своей природе человек, как и все животные и многие микроорганизмы, является гетеротрофом. Это значит, что мы, в отличие от растений-автотрофов, не можем обходиться водой, солнечной энергией и углеки­слым газом, нам подавай готовые органические веще­ства! А органика эта, по большей части, заключена в клетках и тканях конкретных организмов, то есть попа­дает на наш стол в виде мяса, овощей, яиц и тому подоб­ной гастрономии.

Любая живая клетка содержит в себе наследственный материал в виде ДНК, поэтому около 0,1% от веса потре­бляемой нами пищи приходится на чужеродную ДНК. Ты­сячелетиями в пищевой рацион человека входили пред­ставители всех живых царств, начиная от бактерий и гри­бов. Помимо ДНК зверей, птиц и рыб, мы не отказываем­ся от растительной (часто предпочитая ее в сыром виде) и ДНК микроорганизмов (начиная от йогурта и заканчи­вая пивом!). Однако наши встречи с нуклеиновыми ки­слотами не ограничиваются «кулинарными» рамками: мы постоянно сталкиваемся с огромным количеством на­следственного материала разнообразных вирусов, бакте­рий, простейших и грибов — наших друзей-симбионтов, и паразитов — возбудителей болезней. Бактериальная ДНК попадает к нам вместе с вдыхаемым воздухом и пы­лью. Наша кожа, слизистая пищеварительного тракта и половых путей, наш кишечник заселены мириадами ми­кроорганизмов — до 6 килограммов на человека! — с ко­торыми мы, по большей части, мирно и с пользой сосу­ществуем. Более того, наши «квартиранты», как уже упо­миналось, могут при этом спокойно обмениваться наследственным материалом — например, передавать ген устойчивости к антибиотику, занимаясь «законным» есте­ственным трансгенезом. А что уж говорить о вирусах, для которых встроить свой наследственный материал в наш геном — обычное дело!

Нужно ли бояться чужой ДНК вообще и трансгенной — в частности?

Высшие организмы, осо­бенно животные и человек, в процессе эволюции сформировали мощные барьеры нейтрализации чужеродных ДНК. С помощью специальных ферментов — неспеци­фических нуклеаз — они расщепляют их на небольшие, нефункциональные фрагменты, которые являются ис­ходным материалом синтеза функциональных молекул уже для собственных нужд. В мощном пуле потребляе­мой человеком чужеродной ДНК доля поступившего с пищей трансгена ничтожно мала: все равно что в ведро воды добавить еще одну каплю. Перед тем, как выпу­стить ГМО на рынок, их обязательно тщательно тестиру­ют по многим параметрам — на аллергенность, мутаген­ность, канцерогенность и т. п. Во всех разрешенных слу­чаях их применения встроенные гены кодируют только безопасные для здоровья человека белки. При малейших отклонениях от нормы генетически модифицирован­ные организмы к использованию не допускаются. Поэ­тому крайне трудно представить, какие «катастрофиче­ские последствия» для нашего организма может вызвать потребление ГМО — пока в научной литературе такие факты отсутствуют.

Несомненно, мы не до конца знаем механизмы «ути­лизации» и последствия попадания чужеродной ДНК в клетки желудочно-кишечного тракта человека и живот­ных. Но это скорее общая проблема нашего сосущество­вания с огромным пулом чужеродных ДНК сотен видов растений, животных и микроорганизмов. Проблема, ко­торая возникла не вчера, и отнюдь не в связи с появлени­ем генно-инженерных технологий. Создание и использование трансгенных организмов просто стимулируют ра­звитие исследований в этом направлении, но вовсе не меняют ситуацию качественно. Даже запрет на ГМО ни в ко­ей мере не решит проблему «генетической» безопасно­сти, и вопрос относительно генетически модифициро­ванных организмов составляет в ней мизерную долю. Тем не менее, подчеркнем еще раз, изучать последствия введе­ния чужеродной ДНК в организм человека с пищей край­не необходимо еще и потому, что это позволит совер­шенствовать систему тестирования на безопасность ингредиентов, полученных из трансгенных организмов.

Трансгенные растения

В наши дни объемы использования трансгенных расте­ний человеком растут. Это связано с их улучшенными ха­рактеристиками, в том числе с высокой устойчивостью к заболеваниям и вредителям. Благодаря приданию транс­генным растениям устойчивости к насекомым-вредителям (например, картофеля — к колорадскому жуку) снимается необходимость использовать в целях защиты от вредите­лей химические средства, которые сами по себе являются опасными для организма человека и животных.

Что же касается последствий использования транс­генных растений и химических средств защиты… Без колебаний можно выбрать первое, поскольку отрицатель­ные последствия в данном случае только предполагаются, а во втором — они реальны и доказаны. Но в любом слу­чае безапелляционное «за» и «против» того или другого безусловно вредно для развития науки. Вместо этого необходимо тщательно изучать все последствия приме­нения новых пищевых продуктов, лекарств, материалов, химических средств, что и делается во многих лаборато­риях мира. Это длительный, тяжелый и дорогостоящий процесс, которому не следует мешать. Более того, он уже необратим, так как получаемая на многих миллионах гек­таров сельскохозяйственная трансгенная продукция уже входит в виде отдельных ингредиентов во множество потребляемых людьми продуктов.

ГМО и утечка трансгенов

Бессмысленно, да и невозможно в биологии и сель­ском хозяйстве затормозить «технологический про­гресс», под которым подразумевается селекция на осно­ве генно-инженерных технологий. Поскольку, как уже говорилось, все трансгенные продукты проходят тща­тельное тестирование, основная проблема ГМО заклю­чается вовсе не в опасности их использования в пита­нии человека и животных. Более серьезные вещи, касаю­щиеся биобезопасности, заключаются в другом. В.К. Шумный выделяет две основные проблемы, обычно вы­падающие из внимания широкой общественности и СМИ. Первая — возможная утечка трансгенов к диким сородичам и последующее нарушение равновесия в природных сообществах; вторая касается взаимоотно­шений между вредителем и хозяином.

Что касается утечки трансгенов к диким видам, то ее вероятность пока скорее гипотетическая, чем реальная. Например, в эксперименте степень естественной гибри­дизации культурных и диких видов сои, которая является самоопыляющимся растением, даже при искусственном нанесении пыльцы получены лишь единичные семена, причем в выращенных из них растениях «работающих» трансгенов не было обнаружено. Тем не менее этот во­прос заслуживает серьезного изучения. Более того, в ряде случаев, очевидно, необходимо вводить технологии изо­лированного выращивания трансгенных форм, что будет определяться функциональной природой трансгенеза и видом растения.

Коэволюция

Следующий, более сложный вопрос, — коэволюция (то есть современная эволюция) паразита и хозяина. В этом случае, когда создаются устойчивые к вредителям формы трансгенных растений, в популяциях вредителей, естественно, также будет идти отбор на более устойчивые формы (например, к растительным токсинам). В резуль­тате порог устойчивости у вредителей повышается, что может свести на нет усилия селекционеров. В таких усло­виях нужно просто менять стратегию борьбы с вредите­лями путем введения новых агентов воздействия.

Очевидно, существуют и другие проблемы использо­вания трансгенных растений, но в любом случае все они, без сомнения, нуждаются в тщательной научной прора­ботке.

Процесс создания и использования ГМО уже не может быть остановлен, хотим мы этого или нет. У человечества на планете Земля уже нет шансов справиться с продовольственной проблемой при современной демографи­ческой ситуации. Еще в XVIII веке Т.Р. Мальтус (1798 г.) утверждал, что рост народонаселения происходит в гео­метрической прогрессии, а прирост средств к существо­ванию — в арифметической. Сегодня мы стоим перед ди­леммой: выживет или не выживет человечество из-за не­достатка продуктов питания. От голода в мире ежегодно умирают десятки миллионов людей.

«Питательная» геномика

Особое развитие в последнее время получила так на­зываемая «питательная» геномика, занимающаяся вопро­сами составления сбалансированных рационов питания. Учеными- диетологами разработаны точные рекоменда­ции, в которых указывается, во сколько раз нужно увели­чить потребление того или иного микроэлемента или ви­тамина, чтобы понизить риск онкологических, сердечно-­сосудистых, респираторных и многих других заболева­ний. Среди населения резко повысились требования к по­треблению здоровой пищи, содержащей все необходи­мые ингредиенты в достаточном, но не в избыточном ко­личестве и одновременно не содержащей токсических компонентов. Многие сельскохозяйственные культуры, а также получаемые из них продукты, не содержат необхо­димые для человека аминокислоты, витамины, гормоны, микроэлементы. С другой стороны, в этих продуктах мо­гут содержаться вещества, вредные и опасные для здоро­вья человека. В этой связи особое значение приобретает изучение геномов сельскохозяйственных растений, их биохимический состав, прямо зависящий от набора и структуры генов.

Биотехнология переноса генов

На одно из первых мест в этом направлении выдвигаются работы по биотехнологии переноса генов и кон­струирование на этой базе растений и животных с заранее определенной питательной ценностью. При этом уже сегодня в производственные сорта сельскохозяйственных продуцентов вводятся гены от видов, пригодных к исполь­зованию в качестве пищи. И, наоборот, из растений, не ис­пользуемых в пищевом рационе сельскохозяйственных животных, удаляются гены, контролирующие образование тех токсических соединений, которые определяют их пи­щевую непригодность. Только на первый взгляд кажется, что в таком подходе нет ничего опасного, поскольку в ор­ганизм при поедании поступают не искусственно синтези­руемые, а природные вещества, к которым человек давно адаптировался в ходе эволюционного процесса. Однако эффективность производства генно-инженерных продук­тов зависит, в первую очередь, от пищевых потребностей организма, а также от метаболизма веществ в организме. Кроме того, нельзя не учитывать характер метаболизма тех видов растительных и животных организмов, которые ис­пользуются для производства продуктов питания.

В связи со всем сказанным становится понятно, что на многие вопросы в данной области пока не удалось полу­чить достаточно четких ответов, а к генноинженерному конструированию сортов растений и животных, обла­дающих заданной питательной ценностью, следует пока относиться с большой осторожностью.

Литература

1. Глазер В.М. Генетическая рекомбинация без гомологии: про­цессы, ведущие к перестройкам в геноме//Soros Educational journal. — 1998, NJ. —P. 22.

2. Гвоздев В. А. Подвижная ДНК // Soros Educational Journal. — 1998, N8.-P. 15.

3. Корочкин Л.И. Клонирование животных // Soros Educ.

Journal. -1999, N4--P. 10.

4. Баранов М.В.С. Генная терапия — медицина XXI века //Soros Educational Journal. — 1999, N 3. —P. 63.

5. ГорбуноваВ.Н. Что вызнаете о своем геноме. — СПб., 2001.

6. Шумный В.К. Проблемы генетики растений // Информа­ционный вестник ВОГиС, Новосибирск. — 2004. —Т. 8, №2. — С. 32-39.

7. Шестиков СВ. Трансгенные родственники // Наука из пер­вых рук. — 2004, № 2. — С. 27-32.

8. Шумный В.К. Природа была первым, генным инженером // Наука из первых рук. — 2004, № 2. — С. 33-39