генетически модифицированные организмы

ГЕНЕТИЧЕСКИ МОДИФИЦИРОВАННЫЕ ОРГАНИЗМЫ
Сегодня уже трудно найти человека, никогда не слышавшего слов
«генетически модифицированные организмы» и «трансгеника». Из
научных статей и инженерных проектов трансгенные организмы уже
перекочевали в карикатуры и анекдоты. Но и по сей день мало кто знает,
какие фундаментальные и технические проблемы понадобилось решить
для их создания и какие новые проблемы они создают.
У каждого вида живых
существ свой уникальный набор
генов. В них записаны все
врожденные черты несущего их
организма: форма листа или цвет
перьев, число щупалец или размер
ягод.
Записаны
в
виде
последовательности
определенных
молекул —
Генетический код одинаков для всех
нуклеотидов, играющих роль букв.
без исключения живых существ. Если ген
Это кажется странным — но не
каким-то образом попадет внутрь чужой
более, чем, скажем, цифровое
клетки, ее аппарат уверенно считает с него
изображение, точно так же
никогда прежде не виданный белок
(изображение с сайта www.codefun.com)
записанное в виде некоторого
текста на специальном языке.
Однако в разных компьютерах используются разные коды. А вот
генетический код одинаков для всех без исключения живых существ.
Гены разных видов — это разные тексты, написанные на одном и том же
языке, не знающем ни диалектов, ни даже разных шрифтов. Если ген
каким-то образом попадет внутрь чужой клетки, ее аппарат уверенно
считает с него никогда прежде не виданный белок. Например, наши
клетки, зараженные вирусом гриппа, усердно вырабатывают записанные
в его генах белки — скажем, нейраминидазу, вызывающую у нас тошноту
и головную боль.
Сеанс игры вслепую
Сразу,
как
только
это
выяснилось, у ученых возник
соблазн поиграть в генетический
конструктор: взять ген из одного
организма и перенести в другой.
Но легко сказать «взять и
перенести» — каждая «буква»,
которыми записан генетический
текст, состоит всего из нескольких
атомов. Объекты такого размера
нельзя увидеть ни в какой
микроскоп — их размер намного
меньше длины световой волны. А
ведь нужно было не только
опознать в клетке определенный
ген, но и аккуратно вырезать его,
перенести внутрь другой клетки,
Agrobacterium tumefaciens поражает
вставить в одну из ее хромосом. И
стебли и листья некоторых растений,
причем
ее
Ti-плазмиды
умеют
еще сделать так, чтобы он там
встраивать часть своей ДНК в хромосому
попал
в
«считывающее
растительной клетки (на фото вверху).
устройство» — ведь в каждый
Получив
такой
подарок,
клетки
момент в клетке работают лишь
начинают бурно делиться, превращаясь
немногие из имеющихся в ней
в
разрастание
рыхлой
ткани —
генов, и мы до сих пор не вполне
корончатый галл (на фото внизу), и
вырабатывать
ряд
экзотических
понимаем, как она выбирает,
веществ,
которыми
и
питаются
какие
гены
считывать.
На
трансформировавшие их бактерии. Для
обзаведение
инструментами,
человека Ti-плазмиды ценны именно
позволяющими
хотя
бы
тем, что умеют не просто доставлять
приступить к решению этих задач,
нужные гены в растительную клетку, но
у молекулярной биологии ушло
и встраивать их внутрь ее родных
хромосом
(изображение
с
сайтов
почти двадцать лет.
www.genomenewsnetwork.org
и
Первый шаг к созданию
oregonstate.edu)
трансгенного организма — это
определение «донорского» гена.
Само по себе это не так уж просто: если, скажем, нас интересует
производство какого-нибудь вещества — ну, например, аминокислоты
триптофана, — нужно выделить и очистить фермент, который его делает,
определить его аминокислотную последовательность, «вычислить» по
ней последовательность нуклеотидов в соответствующем гене (что не
так-то просто: одну аминокислоту могут кодировать несколько
сочетаний нуклеотидов) и найти этот ген. Впрочем, соответствие между
интересующим разработчика продуктом и ответственным за него геном
можно установить и другими путями, и множество генов было
идентифицировано еще до возникновения трансгеники. Что до их
расшифровки, то с этой задачей, за решение которой в 70-е годы давали
Нобелевские премии, сегодня успешно справляется автоматика.
Но вот нужный ген опознан, прочитан, установлено его место в
геноме донора. Теперь надо его вырезать. С этого и начинается
собственно генная инженерия. Ножницами для вырезания нужного гена
служат специальные ферменты-рестриктазы. Вообще-то ферментов,
умеющих разрезать нить ДНК, очень много, но рестриктазы рассекают ее
по строго определенному сочетанию букв-нуклеотидов — своему для
каждой рестриктазы (а их известно сейчас более сотни). Конечно, никто
не гарантирует, что границы интересующего нас участка будут отмечены
каким-либо из этих ключевых сочетаний, но, зная текст искомого гена,
можно так выбрать рестриктазы, чтобы среди нарезанных ими кусочков
были и те, что содержат его целиком. Кроме него в состав этих
фрагментов будут, вероятно, входить обрезки соседних участков ДНК, но
их можно убрать экзонуклеазами — ферментами, откусывающими по
одному нуклеотиду с конца нити ДНК.
Впрочем, в последнее время появился способ скопировать нужный
участок, не вырезая его, — полимеразная цепная реакция. Для нее
достаточно иметь лишь затравку — маленький кусочек ДНК,
соответствующий началу нужного гена. При определенных условиях эта
затравка может послужить сигналом для фермента полимеразы — снять
копию с гена, начинающегося этим фрагментом. Мало того — когда копия
будет готова, полимеразы примутся снимать копии и с нее, и с участка,
послужившего ей образцом. Копии начнут множиться лавинообразно,
пока в системе не исчерпается запас свободных нуклеотидов. Это
выглядит примерно как если бы в собрание сочинений Пушкина
подкинули россыпь печатных букв и клочок бумаги с единственной
строчкой «У лукоморья дуб зеленый...» — а через короткое время
получили бы несколько сот экземпляров полного текста пролога к
«Руслану и Людмиле»!
Но вот нужный ген так или иначе выделен. Теперь надо его
упаковать в конверт, который доставит его внутрь чужой клетки. Обычно
для этого используются природные переносчики генетической
информации — вирусы и плазмиды. Последние представляют собой
небольшие кольцевые молекулы ДНК, существующие в бактериальных
клетках отдельно от их основного генома. Они способны проникать из
одной клетки в другую и служат бактериям чем-то вроде почтовых
вирусов, позволяя им передавать друг другу полезные признаки —
например, устойчивость к тому или иному антибиотику. Именно эта
способность переносить гены из клетки в клетку и сделала плазмиды
излюбленным инструментом генной инженерии.
Особенно удобны так называемые Ti-плазмиды, получаемые из
микроорганизма Agrobacterium tumefaciens. Эта бактерия поражает стебли
и листья некоторых растений, причем ее Ti-плазмиды умеют встраивать
часть своей ДНК — несколько генов — в хромосому растительной клетки.
Получив такой подарок, клетки начинают бурно делиться, превращаясь в
разрастание рыхлой ткани (корончатый галл), и вырабатывать ряд
экзотических веществ, которыми и питаются трансформировавшие их
бактерии (для прочих почвенных микроорганизмов эти вещества
несъедобны). По сути дела, бактерия выступает здесь как биотехнолог,
вводя в геном растения гены полезных для себя признаков. Для человека
же Ti-плазмиды особенно ценны именно тем, что умеют не просто
доставлять нужные гены в растительную клетку, но и встраивать их
внутрь ее родных хромосом.
Однако вирусы и плазмиды почти никогда не используются в
биотехнологии в своем натуральном виде. Например, Ti-плазмида
содержит гены растительных гормонов, заставляющих клетки растения
разрастаться в рыхлую опухоль и не дающих им специализироваться — в
то время как разработчики должны вырастить из генномодифицированной клетки целое растение. Другие гены Ti-плазмиды
кодируют ферменты, синтезирующие бактериальную еду — если их
оставить, часть ресурсов будущего трансгенного растения будет уходить
на производство этих ненужных человеку веществ. Кроме того, все эти
гены занимают место, а оно в генетических «конвертах» дорого —
увеличение размера участка ДНК, который надо доставить в клеткумишень, резко снижает вероятность успеха. Так что перед
использованием из Ti-плазмиды (как и из любого другого генетического
переносчика) уже знакомыми нам инструментами вырезается всё
лишнее — остаются только гены, обеспечивающие доставку «груза» по
назначеннию.Такие искусственные конструкции для переноса генов на
биотехнологическом жаргоне называются «векторами». Иногда, впрочем,
в процессе превращения плазмиды или вируса в вектор в них кое-что и
добавляют. Так, например, в векторы, созданные на основе Ti-плазмиды,
добавлены регуляторные участки, позволяющие им размножаться в
клетках кишечной палочки, выращивать которую в лаборатории куда
проще,
чем
Agrobacterium
tumefaciens,
питающийся
редкими
аминокислотами.
Векторы, созданные из природных переносчиков генетической
информации, решают за конструкторов еще одну задачу. Как уже
говорилось, мало перенести нужный ген в другую клетку — надо еще,
чтобы он там начал работать. У каждого организма есть тонкая и сложная
система регуляции активности генов, следящая за тем, чтобы работали
лишь те гены, продукт которых необходим в данный момент. Продукт же
чужого гена клетке не нужен по определению, и никаких резонов
считывать этот ген у нее нет.
С той же проблемой столкнулись когда-то и вирусы, для которых это
вопрос жизни и смерти: не убедив клетку немедленно начать их
считывать, они не смогут размножиться. Поэтому структурные гены
вируса снабжены промотором — участком ДНК, который ферментными
системами клетки воспринимается как команда начать считывание.
Промотор — обычный элемент любого генетического аппарата, свои
промоторы есть и у клетки-хозяина, которая регулирует активность
генов, открывая и закрывая их промоторы для считывающих ферментов.
Однако вирусные промоторы не подчиняются клеточным регуляторам и
всегда открыты для ферментов. Так же ведут себя промоторы
вышеупомянутой Ti-плазмиды. При этом один промотор заставляет
клетку считывать целый ряд примыкающих к нему генов. Вектор с таким
промотором не только вставляет нужные генетические тексты в геном
клетки-мишени, но и заставляет ее немедленно приступить к их чтению.
Закладка «письма» в «конверт» происходит так: вектор, физически
представляющий собой кольцевую молекулу ДНК, разрезают в нужном
месте рестриктазами, приводят в контакт с копией выделенного гена и
добавляют сшивающий фермент — лигазу. Она соединяет два отрезка
ДНК — ген и вектор — снова в колечко. Теперь остается только внедрить
полученную рекомбинантную ДНК в клетку-мишень. Как мы уже знаем,
векторы умеют делать это сами, но им можно помочь, повысив
проницаемость клеточной мембраны с помощью некоторых солей или
электрического тока. Если мишенью является бактерия, то не
обязательно даже встраивать нужный ген в основной геном — он может
работать и в плазмиде-векторе...
Тут возникает очередная трудность: молекулярные конструкторы
работают сразу с большим количеством объектов — генов, векторов,
клеток-мишеней. Понятно, что каждая операция имеет не стопроцентный
выход, и в итоге далеко не все клетки-мишени получают донорский ген.
Трансгенные клетки нужно отделить от неизмененных. Для этого еще
при создании рекомбинантной ДНК в вектор вместе с нужным геном
встраивают ген устойчивости к какому-нибудь антибиотику. А после
воздействия таких векторов клетки-мишени высевают на питательную
среду, содержащую этот антибиотик. Тогда все клетки, в которые вектор
не внедрился или не работает, погибнут, и останутся только
трансгенные.
Если объектом работы были микроорганизмы, то задача выполнена:
создана популяция трансгенных клеток, которые теперь нужно только
размножить. С растениями сложнее: из культуры клеток надо вырастить
целостный организм. Но делать это растениеводы научились задолго до
появления генной инженерии. Сложнее всего с животными: у них генной
модификации приходится подвергать оплодотворенные яйцеклетки,
причем при работе с млекопитающими их еще надо потом
имплантировать суррогатной матери. Именно поэтому трансгенных
животных создано во много раз меньше, чем растений и микробов. А до
массового коммерческого разведения пока не дошло ни одно. Впрочем,
последнее обстоятельство, возможно, имеет и другие причины.
Доверяй, но проверяй
Представьте себе, что в зоопарке вы подходите к большому вольеру,
огражденному глубоким рвом, высоченной стеной и решетками,
способными остановить танк. И с трудом различаете где-то в дальнем его
углу симпатичного пушистого зверька размером с белку. Примерно такое
впечатление производят нормы, принятые рядом стран (в частности,
Евросоюзом) для обращения с генетически модифицированными
организмами (ГМО) и продуктами из них. Прописанные в них меры
безопасности мало отличаются от тех, что соблюдаются при работе с
возбудителями чумы или сибирской язвы. Судя по опросам социологов, о
«потенциальной опасности» ГМО слыхали практически все, но мало кто
способен сформулировать, в чем именно она состоит. И неудивительно:
трансгенные организмы существуют уже около 30 лет. В последние
10 лет трансгенные растения выращиваются в разных странах мира на
полях, общая площадь которых в прошлом году достигла 80 млн га.
Миллионы людей и бессчетное число животных ели и едят продукты из
них — и за все эти годы не было получено свидетельств, что процедура
генной модификации делает продукт более вредным или опасным, чем
он был без нее. Напротив, согласно прошлогоднему докладу Союза
германских академий наук и Гуманитарной комиссии по зеленым
биотехнологиям, содержание токсичных и аллергенных веществ в
продуктах из ГМ-растений оказалось ниже, чем в таких же продуктах из
традиционных сортов — за счет более жесткого контроля и меньшей
загрязненности паразитическими грибками.
Доводы против трансгенных организмов и продуктов в огромной
степени состоят из «черного пиара», порожденного конкурентной
борьбой агропромышленных корпораций, а также принципиально не
проверяемых религиозно-идеологических утверждений (вроде тезиса о
«вмешательстве в божественный замысел») и обычных бытовых страхов
перед неизвестным. Но помимо этой информационной грязи в дискуссиях
о безопасности ГМО можно разглядеть и реальные проблемы.
Самая
серьезная
из
них —
это
угроза
естественному
биоразнообразию. Пыльца с ГМ-растений может попадать на цветы их
диких предков, выпуская тем самым чужой ген в свободное плавание по
дикой популяции. Если этот ген обеспечивает своим обладателям какоенибудь жизненное преимущество (а ГМ-сорта часто отличаются от
традиционных именно устойчивостью к засухе, морозу, вредителям и
т. д.), то он очень быстро распространится в дикой популяции, полностью
вытеснив дикую форму, — и мы, по сути дела, потеряем один из видов
живых существ, восстановить который потом будет невозможно
никакими мерами. То, что на месте утраченного вида будут расти его
трансгенные родственники, дела не меняет: домашние лошади и коровы
не могут заменить нам своих истребленных предков — тарпана и тура.
Впрочем, культурные растения часто могут скрещиваться не только
со своими прямыми предками, но и с близкородственными видами,
многие из которых — злостные сорняки. Если к ним попадет, скажем, ген
устойчивости к гербициду (а более половины всех промышленно
выращиваемых в мире ГМ-растений — это сорта, устойчивые к препарату
«раундап»), получится «суперсорняк», бороться с которым будет очень
сложно.
Реальный способ предотвращения этих эффектов был предложен
еще в 1998 году, когда лидер трансгенных технологий в растениеводстве
компания Monsanto разработала сорт ГМ-пшеницы, который помимо
устойчивости к вредителям обладал также специальным геномтерминатором: содержащие его зерна по вкусовым и питательным
свойствам ничем не отличались от обычных, но при высевании не
прорастали. Бесплодными были и гибриды этого сорта с традиционными
пшеницами,
что
исключало
бесконтрольное
распространение
трансгенного наследственного материала. Компанию тут же обвинили в
попытке «подсадить» фермеров на ежегодные закупки семян, и на
следующий год она заявила об отказе от вывода на рынок технологии
гена-терминатора.
Однако
биотехнологи
не
оставили
эту
многообещающую идею: в нескольких лабораториях созданы хитрые
генетические механизмы, позволяющие ГМ-растениям успешно
скрещиваться между собой, но делающие бесплодными семена, у которых
только один из родителей был трансгенным.
Еще острее проблема предотвращения выхода сконструированных
генотипов в окружающую среду стоит, если трансгенные технологии
применяются к животным. Рыбоводы знают: если рыбное хозяйство
использует естественный водоем, то как его ни ограждай, а рано или
поздно тот вид, который в нем выращивают, будет встречаться по всей
реке. Между тем сейчас из уже созданных ГМ-животных ближе всего к
коммерческому использованию быстрорастущий трансгенный лосось
компании Aqua Bounty. С самого начала в его геноме было изменено число
хромосом. Это позволяет исключить его скрещивание с рыбами из
природных популяций — но не размножение его в природных водоемах,
если он в них попадет.
Пока, однако, прецедентов генетического загрязнения окружающей
среды не зафиксировано — известны только случаи появления
трансгенных растений на полях, засеянных обычными сортами (обычно
за счет переноса пыльцы). Хотя масштабы разведения трансгенных
организмов уже сейчас огромны (помимо сельского хозяйства ГМО
широко применяются в фармацевтической промышленности — в
развитых странах многие препараты белковой природы, в том числе
такие важнейшие, как интерферон и инсулин, производятся
микроорганизмами, которым вставлены соответствующие человеческие
гены), и наблюдения за ними были тщательными, а порой и
пристрастными (стоит заметить, что в России пока не принят закон,
разрешающий выращивать ГМ-культуры, однако можно использовать
импортные трансгенные культуры; для этого продукт должен пройти
медико-биологическую, медико-генетическую и технологическую
экспертизы. — Ред.). Не подтвердились и другие теоретические
опасения, высказывавшиеся специалистами на заре «трансгенной эры».
Предполагалось, например, что внедренный ген в чуждом для себя
окружении может оказаться неустойчивым, склонным покидать «новую
родину» и посредством вирусов распространяться по другим организмам.
Вообще-то такое происходит и с «родными» генами, но ожидалось, что
донорские гены будут делать это гораздо чаще. Однако прямые
исследования интенсивности «горизонтального переноса» (так генетики
называют обмен генетическим материалом между организмами разных
видов) не выявили каких-либо отличий трансгенных сортов и штаммов
от обычных.
Немало подозрений вызвало и то, что большинство трансгенных
организмов несет в себе гены устойчивости к антибиотикам. Само собой
напрашивалось предположение, что при поедании продуктов из таких
ГМО эти гены могут быть переданы бактериям, находящимся в теле
человека. Пусть даже не болезнетворным, а симбиотическим, вроде
кишечной палочки, — бывает, что обычная микрофлора человеческого
организма вдруг становится патогенной, и если мятежные бактерии
окажутся устойчивыми к антибиотику, это сильно затруднит лечение. В
начале 90-х даже появились работы, в которых сообщалось о том, что у
людей, употреблявших ГМ-продукты, устойчивость патогенных
микроорганизмов к антибиотикам обнаруживается чаще. Однако более
тщательные исследования не подтвердили этого эффекта. Вообще до сих
пор все сообщения о вреде, нанесенном людям или животным
употреблением ГМ-пищи, оказывались либо выдумкой, либо неверной
интерпретацией фактов. Скажем, в выступлениях против использования
ГМО до сих пор встречаются ссылки на канцерогенность популярного
производителя аспартама, производимого при помощи трансгенных
бактерий. На самом деле аспартам первоначально производился двумя
способами: биотехнологическим и чисто химическим. К настоящему
времени второй способ полностью вытеснил первый, и весь
производимый сегодня в мире аспартам — синтетический. Его
канцерогенность от этого, естественно, никуда не делась, но она, как и
следовало ожидать, связана со свойствами самого вещества. А не со
способом его получения и уж тем более — не с трансгенностью
производящих его бактерий.
Другое дело, когда объектом генно-инженерных манипуляций
становится сам человек. В последние годы большие надежды медиков
были связаны с генной терапией, позволяющей исправлять генетические
дефекты в клетках человеческого тела. Такое лечение уже применялось
при некоторых заболеваниях — в частности, при комбинированном
врожденном иммунодефиците. Эта болезнь исключает развитие у
ребенка иммунной системы, обрекая его на смерть от первой попавшейся
инфекции. До появления генной терапии медицина ничем не могла
помочь таким младенцам.
Однако программа генно-терапевтического лечения этой болезни
была закрыта в 2002 году, когда у двух из проходивших ее 11 детей была
обнаружена лейкемия. Видимо, это не было случайным совпадением.
Вектор с доставляемыми генами может внедриться в любой участок
генома, и у пострадавших малышей он оказался соседом гена LMO2, о
котором давно известно, что его избыточная активность (которую
вполне может обеспечить входящий в состав вектора мощный вирусный
промотор) приводит к лейкемии. Конечно, вероятность того, что вектор
внедрится именно рядом с LMO2 или другим протоонкогеном, весьма
мала. Но каждому пациенту вводили примерно миллион «генетически
отремонтированных» клеток, а для развития лейкемии может хватить и
одного рокового попадания.
Этой истории оказалось достаточно, чтобы скомпрометировать
применение в медицине вирусных векторов — но не саму идею генной
терапии. Сегодня медики рассматривают возможность безвирусной
доставки в клетку нужных генов. В биотехнологии такие методы давно
известны: например, использование липосом (жировых пузырьковкапсул, способных проникать через клеточную мембрану) или «генной
пушки» — прямого обстрела клеток микрочастицами золота с
зафиксированными на их поверхности генами. Правда, эти пути
свободны не только от опасностей, но и от удобств векторного переноса:
вероятность встраивания переносимого таким образом гена в хромосому
клетки-мишени намного меньше и при этом нет никаких гарантий, что
даже в случае успешного попадания он начнет там работать. Тем не
менее, по единодушному мнению медицинского сообщества, через 1015 лет «генетический ремонт» превратится в массовую процедуру.
Конечно, никто не может сказать, что ему известны все последствия
использования трансгенных технологий и что они ни при каких условиях
не могут принести вреда. Но ведь любое из великих изобретений, легших
в основу человеческой цивилизации, — огонь, топор, домашние
животные, колесо, лодка — никогда не было абсолютно безопасным, и
никто не мог предвидеть всех последствий его применения.