Трансгенные растения: польза или вред для человека

Трансгенные растения.
Даянова Л.К., Ковалицкая Ю.А., Шестибратов К.А.
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Филиал института биоорганической
химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, Пущино
Вторая половина двадцатого века была временем бурного развития биохимии,
молекулярной гене-тики и молекулярной биологии. Достижения этих трёх областей
биологии стали предпосылкой создания трансгенных растений, о которых в 80 – 90-е годы
прошлого столетия было известно только учёным в научно–исследовательских институтах США, Англии, и т.д. Сегодня исследования трансгенных растений проводятся не
только в Европе и США, но также и в России. Так что же такое трансгенные растения? И
для чего их получают?
Рис.1. Стерильная культура трансгенных растений картофеля и табака in vitro.
Молекулярные механизмы.
Созданием трансгенных растений и их культивированием в лабораториях научноисследовательских институтов занимаются целые группы учёных. Для этой непростой и
долгой работы необходимы знания о строении клеток растений, их химическом составе,
потоках, циклах и превращениях веществ в растительной клетке… Но самое главное, чем
должен располагать любой учёный, получающий трансгенные растения – знаниями о
строении и работе ДНК и её структурно - функциональных единиц (генов) растительной
клетки.
Каждый живой организм обладает определённым набором генов, полученным от
своего (при бесполом размножении) предшественника или родителей (при половом
размножении). Этот набор генов, который в каждой клетке организма абсолютно
одинаков (за исключением гамет), не располагается в клетке хаотично, а упакован в
специальные структуры – хромосомы. Гены располагаются в определённых местах
хромосомы (локусах), их порядок, количество, а также соседство генов друг с другом
строго определено. В этой строгости заключается правильная регуляция работы генов, а,
следовательно, нормальное развитие всего организма в целом.
Трансгенными растениями называют те растения, в геном которых был перенесён
ген постороннего организма (бактерии, гриба, растения или животного).
Впервые человек создал трансгенные растения (а это были растения табака) в 1983
году. Но самые важные заслуги в этом деле следует приписать бактериям, а не человеку.
Бактерию Agrobacterium tumefaciens иногда называют природным генным инженером за
ее способность переносить свою ДНК в клетки зараженных растений, которые мы
называем трансформантами. Кроме того, эта бактерия способна интегрировать ее в геном
1
организма-хозяина и вызывать стабильную трансформацию (т.е. нахождение внесённого
гена именно в хромосомах клетки организма хозяина).
Но какие структуры в бактериальнной клетке осуществляют функцию переноса
чужеродного гена в растительный организм? Для этого существуют плазмиды –
небольшие по размеру и с малым числом генов участки ДНК, которые находятся вне
основного генетического материала, т.е. большой нуклеосомы. Генные инженеры
используют плазмиды в качестве векторов, т.е. агентов, отвественных за перенос и
внедрение гена в ДНК организма – реципиента. Внедрение чужеродного гена в организм
растения происходит за счёт специальной последовательности, которая есть в плазмидном
векторе – Т-ДНК (от англ. transferre - переносить).
Рис. 2. Схема агробактериальной трансформации растений.
С помощью агробактериального метода удаётся трансформировать двудольные
растения с частотой 60 – 70%, а в случае, когда вектор и вносимый ген хорошо
разработаны и подогнаны друг к другу, частота трансформации растений бывает свыше
80%.
Труднее трансформировать однодольные растения, среди которых очень важное
сельскохозяйственное значение имеют злаки. В таком случае генные инженеры
используют специальный прибор, который называется «генная пушка». Для перемещения
генов в клетки растений необходимо подготовить частицы из золота или вольфрама
величиной меньше одного микрона. Затем генетическая конструкция наносится на эти
частички. Для переноса генов выбранные части растений помещают в «генную пушку»,
которая уже заряжена подготовленными частицами. При включении прибора эти частицы
с помощью импульсов при определённой частоте бомбардируют клетки растений. При
попадании в ядро клетки растения частица движется, оставляя при этом чужеродный ген в
хромосоме клетки – хозяина. К сожалению, частота трансформации при таком методе не
очень высока.
Важно понимать, что и при агробактериальном методе трансформации, и при
бомбардировке микрочастицами, ген встраивается в ДНК растения случайно. Поэтому
растения – трансформанты, содержащие один и тот же чужеродный ген могут отличаться
по некоторым фенотипическим (т.е. внешним) и/или биохимическим признакам.
Зачем их получают и как их используют?
Областей использования трансгенных растений очень много, уступают они в этом
лишь использованию генно-инженерных бактериальных штаммов.
Пищевые ресурсы. Как и несколько веков назад, ныне перед человечеством стоит
проблема обеспечения себя и сельскохозяйственно важных животных полноценной
2
пищей. Это подразумевает, что в пище должны содержаться необходимые и полезные
вещества (белки, жиры, углеводы, витамины, и.т.д) в определённом количестве,
достаточном для обеспечения роста и жизнедеятельности организма.
В связи с этим учёные в России, США и др. стран пытаются получать сорта растений
с повышенной урожайностью и/или повышенным содержанием полезных веществ. Сорта
с высокой урожайностью ценны тем, что при их возделывании требуется меньше
посевных площадей, а значит – и почв (как известно, с каждым годом почв пригодных для
выращивания растений становится всё меньше по всему миру). Чаще всего для таких
целей использутся такие культурные растения как кукуруза, картофель, томаты, соя.
При внедрении в геном растений генов, кодирующих ценные белки (например, с
повышенным содержанием аминокислоты лизин) есть возможность получения более
питательного и высокого по пищевой ценности растительного сырья. Особенно часто
проводятся опыты над различными сортами сои с целью получения растений богатых
полноценным белком (т.е. таким где есть редкие аминокислоты).
В других случаях, удаётся усилить синтез определённых веществ. Примером
являются сорта трансгенной моркови с повышенным содержанием бета-каротина –
предшественника витамина А в организме млекопитающих, участвующего в процессах
зрительной рецепции. Кроме сортов моркови с высоким содержанием витамина А
получены сорта риса, обладающие подобным свойством (их часто называют золотым
рисом). Другим примером является рапс с изменённым составом ненасыщенных жирных
кислот, которые необходимы животным, но не могут синтезироваться в их организмах.
Рис. 3. Витаминизированные трансгенное
растение кукурузы.
Рис. 4. Трансгенная морковь (в ней вдвое больше
бета - каротина.
Очищение окружающей среды. Другой сферой применения трансгенных растений
может быть восстановление равновесия на антропогенных ландшафтах. Известно, что
отходы нефтедобывающей промышленности, добычи и переработки полезных
ископаемых загрязняют почвы и воды, что делает их непригодными и опасными для
использования в сельском хозяйстве. Выходом в такой ситуации является получение
растений – биодеградаторов, способных с помощью специальных ферментов разлагать
опасные производные нефти (среди них есть мутагены и канцерогенные вещества) до
менее опасных веществ, которые растения могли бы даже исользовать в своих
внутриорганизменных биохимических процессах. Примером являются трансгенные
растения табака, разлагающие нафталинподобные соединения из ряда полициклических
ароматических углеводородов до салициловой кислоты и сукцината, которые
используются ими для получения энергии.
Также для очистки почв и вод можно использовать жизнестойкие растения,
способные поглощать из окружающей среды и накапливать в организме большое
количество вредных веществ, чаще всего тяжелых металлов. Накопление металлов
3
объясняется повышенным содержанием белков – металлопротеинов, т.е. специальных
белков, способных связывать атомы металлов и не позволяющих повреждать клеточные
органеллы. В таких опытах чаще всего выступает объектом табак. На настоящий момент
успешно доказано, что с помощью таких растений можно извлекать из субстрата свинец,
кадмий, цезий, цинк, а также полуметалл – мышьяк.
Для извлечения вредных веществ достаточно высадить растения в загрязнённые
почвы, а по прошествии определённого времени убрать и засадить новыми растениями
(если количество загрязнений велико). Для очистки воды следует использовать
сооружения наподобие гидропоники, т.е. когда растения выращивают не в почвенном
грунте, а при погружении корневой системы в водный раствор.
Рис. 5. Трансгенные растения, способные расти на почвах, содержащих высокие,
концентрации металлов цезия.
Устойчивость к ядам. В сельском хозяйстве, кроме того, очень ценятся растения
устойчивые к определённым гербецидам. Устойчивость достигается за счёт синтеза в
организме растений несвойственных ему ферментов, разлагающих опасные вещества. Это
необходимо, чтобы растения могли расти на почвах, в которые вносятся значительные
количества гербецидов, уничтожающих сорняки, но при этом сельскохозяйственная
культура, возделываемая человеком не страдает, а хорошо растёт и плодоносит. Это могло
бы позволить снизить нагрузку гербицидами на почвы полей. Больше всего таких опытов
проводится с картофелем и кукурузой.
Медицина. В мире создаётся всё больше трансгенных растений (томатов, моркови,
каланхое и др.), синтезирующих лекарственные вещества. Самым распротранённым
примером являются антимикробные пептиды, используемые как средство обезвреживания
некоторых групп микроорганизмов. В Пущино (Московская область) были получены
растения каланхоэ, синтезирующие большое количество пептида цекропина.
Многие люди в наше врмя наслышаны о «зелёных вакцинах». По сути своей это
вещество (антиген) – аналог тому, которое находясь в составе вируса или бактерии
попадает к нам в организм. Если антиген вируса или бактерии успешно был выщеплен из
своего хозяина, узнан и переработан клетками нашего организма в крови, то в нашем
организме синтезируются антитела, благодаря которым чужеродный агент удаляется из
организма. Для профилактики некоторых болезней существуют вакцины, в составе
которых присутствуют эти вещества, которые необходимы, чтобы у человека был
сформирован иммунный ответ организма против определенных болезней. Теперь стало
возможным создавать растения, которые синтезируют антигены возбудителей болезней.
Эти антигены можно выделить, очистить, а затем ввести в организм человека. Этот метод
4
имеет преимущества перед традиционными иммунологическими методами, т.к. есть
возможность получения очень чистых фракций антигенов, что снижает вероятность
аллергий. Кроме того, болезни растений не передаются человеку и животным, т.е. этот
метод представляется очень чистым и безопасным, и экономически выгодным.
Промышленность. Темпы потребления и переработки природных ресурсов
чрезвычайно высоки в наше время. Вместе с тем увеличивается загрязнение окружающей
среды. Для решения двух проблем сразу – большого количества требуемого сырья и
уменьшения загрязнения окружающей среды – создаются растения с специальными
свойствами. Примером являются растения осины или тополей с пониженным
содержанием лигнинов. Лигнины – группа полимеров растительного происхождения. Они
участвуют в формировании стенок клеток ксилемы, осуществляют механическую
функцию в побегах растений. К сожалению для целлюлозо-бумажной промышленности
(ЦБП) они представляют побочные вещества, которые требуется долго отмывать от
целевого продука – целлюлозы (при этом используются большие количества натриевой
щелочи, кислот, горячей воды). При этом весь лигнин после процедуры отмывки
отрпавляется в отходы, которые трудно поддаются разложению (это могут осуществлять
только грибы белой гнили в течение долгого времени). Выходом из такой ситуации могут
быть растения с пониженным содержанием лигнинов. При этом можно уменьшить
количества химических реактивов и отходов от ЦБП.
Снижение количества лигнинов достигается при подавлении генов, отвественных за
ферменты, которые участвуют в синтезе лигнинов. Таким образом уменьшается
количество предшественников для звеньев полимеров. Другой способ – внедрение гена,
кодирующего грибной фермент, способный к разрушению готовых лигниновых цепей.
Рис.6 Древесина трансгенных тополей с пониженным содержанием лигнинов.
А не опасно ли?
До внедрения в практику любого вида трансгенных растений необходим целый ряд
тестов на безопасность. Такие тесты проводтся для всех продуктов и лекарственных
препаратов. Первые успешные полевые испытания трансгенных растений (устойчивые к
вирусной инфекции растения табака) были проведены в США уже в 1986 г.
Чего же опасаются люди?
Генетическая безопасность. Существует мнение, что употребление генномодифицированных растений (ГМР) в пищу может пагубно сказаться на здоровьи и
5
человека, и животных. Некоторые люди опасаются внедрения чужеродных генов из пищи,
содержащей ГМР, в организм человека. Учёные считают, что этот процесс маловероятен:
иначе сколько родных генов той же моркови и того же самого картофеля было бы в нас
сейчас?! Для разрушения ДНК чужих организмов, которую мы потребляем с пищей,
существуют специальные ферменты – нуклеазы, которые разрушают ДНК до отдельных
нуклеотидов.
Отсутствие аллергий и других болезней. К ГМР предявляются очень строгие
критериии оценки того, насколько продукты из них аллергенны. Другой важной оценкой
является прохождение тестов, показывающих безопасность для репродуктивной системы
человека. Должно быть доказано, что употребление ГМР и полученных из них веществ не
приведёт к бесплодию, онкологии, и.т.д. В ГМР происходит несколько изменений под
действием внедрённого гена, поэтому важно знать, какие биохимические процессы
синтеза веществ, накопления метаболитов преобладали в конкретном сорте. Эти знания и
тесты на безопасность дадут полное представление о полученном продукте.
Микрофлора. Для создания трансгенных растений, используются, помимо целевых,
гены устойчивости к антибиотикам. Они встраиваются вместе с целевым геном в геноом
растения. Делают это для облегчения первичного отбора трансформантов из большого
количества растений. Те растения, что регенерируют на среде, содержащей антибиотик,
вероятнее всего несут в себе и целевой ген, поскольку бывает, что при трансформации
растений происходит обрыв цепочки ДНК и плазмидный вектор не может перенести всю
информацию, которую требуется. Однако в качесве селективных антибиотиков никогда не
используют препараты, используемые в медицине и сельском хозяйстве.
Известно, что любые бактерии очень восприимчивы к генам, которые они могут
получить из окружающей среды (например, при горизонтальном переносе, т.е. когда из
одной клетки бактрии ген передаётся по специальным каналам в другую клетку). Поэтому
необходимо тщательные переработка ГМР и оценка вероятности горизонтального
переноса геннов устойчивости к антибиотикам в бактериальные клетки, населяющие
слизистые облочки человека, поскольку приобретение устойчивости к антибиотикам
может вызывать бесконтрольное развитие и чрезмерное увеличение популяции отдельных
видов бактерий, а нарушения бактериального равновесия может нести вред здоровью.
Опыление и опылители. Чужеродный ген способен передаваться по наследству
другим растениям того же вида (кроме случаев, когда трансгенное растение оказывается
бесплодным) при половом размножении, если он попадает в генетический материал гамет.
Опасность в таком случае представляет пыльца, которая может переноситься ветром или с
помощью насекомых-опылителей на дальние расстояния. Возникает риск
неконтролируемого перемещения чужеродного гена к диким особям того же вида или
родственным. Это может сказаться негативно на диких растениях, насекомых, и.т.д.
Получая и экспрессируя те или иные гены дикие растения изменятся и будут вносить
определённые изменения в окружающую среду. Они могут получить преимущество в
развитии на какой-либо территории, быть токсичными для каких-либо животных, и.т.д.
Поэтому перенос пыльцы от трансгенных видов к нетрансгенным должен быть
контролируемым. Для этого выращивать ГМР нужно на ограниченных тем или иным
образом площадках, на дальних расстояниях от видов, с которыми может произойи
удачное опыление с развиттие нового растительного организма.
Выходов из данной ситуации может быть несколько, например, трансформация ДНК
хлоропластов (чужеродный ген будет встраиваться лишь в ДНК хлоропластов). Поскольку
хлоропласты вместе с пыльцой не передаются, то эти растения не будут представлять
угрозу для диких типов растений. Так же можно трансформировать фертильные растения
– не способные к образованию пыльцы и размножать их вегетативным способом. Такие
растения могут быть как природного происхождения (триплоидные формы), так и
полученные с помощью методов генетической инженерии.
6
Сохранение разнообразия биосферы. Неконтролируемый перенос генов от
бактерий к растениям и обратно, и.т.д. может привести к генетическому изменнеию
многих видов растений и бактерий в биосфере. При получении новых свойств от этих
генов, могут присходить бурное развитие одних видов, угнетение ими других, пресечение
пищевых цепочек, которое неизбежно приведёт к вымиранию отдельных видов
организмов, происходит ускорение темпов эволюции и.т.д.
Все вышеуказанные риски требуют аккуратного отношения с ГМР и тщательному их
тестированию на безопасность.
Номера фотографий
http://postnauka.ru/faq/9221 от 27.08.2013
http://rudocs.exdat.com/docs/index-220072 от 29.08.2013
http://www.nanonewsnet.ru/articles/2010/gmo-bez-variantov от 25.08.2013
http://www.nanonewsnet.ru/articles/2010/gmo-bez-variantov от 25.08.2013
1.
2.
3.
4.
5. http://rudocs.exdat.com/docs/index-267131.html?page=6 от 27.08.2013
6. Литвинов М. В. Укрощение лигнина // Химия и жизнь. – 2006. №2.
Список литературы
1. Патрушев Л.И. Искусственные генетические системы. - М.: Наука, 2004. - 526 с.
2. Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж. и др. Молекулярная биология клетки. Т. 1 - 3. М.:
Мир, 1994.
3. Романов Г. А. Генетическая инженерия растении и пути решения проблемы
биобезопасности // Физиология растений, 2000. Том 47, № 3. С. 343-353.
4. Глеба Ю. Ю. Биотехнология растений // Соросовский образовательный журнал. № 6.
1998. С. 3 – 8.
5. Лебедев В. Г. Миф о трансгенной угрозе // Наука и жизнь. – 2003. № 12.
6. Клещенко Е. В. Полет трансгенной пыльцы // Химия и жизнь. – 2012. №9.
7. Барановов В. С. Генная терапия – медицина XXI века // Соросовский
образовательный журнал. № 3. 1999. С. 3 – 68.
8. Литвинов М. В. Укрощение лигнина // Химия и жизнь. – 2006. №2.
9. Д. Н. Мирошниченко, М. В. Филиппов, С. В. Долгов. Анализ вертикального переноса
генов от трансгенных к нетрансгенным растениям пшеницы (Triticum aestivum L.) //
Сельскохозяйственная биология – 2012. №3.
10. Патент РФ № 2445768 – «Способ получения генетически модифицированных
растений каланхоэ, экспрессирующих ген цекропина P1» (Захарченко Н. С.,
Лебедева А. А., Бурьянов Я. И.) - 27.03.2012.
7