Конкурс «био/мол/текст»-2014

Эта статья представлена на конкурс научно-популярных работ «био/мол/текст»-2014 в номинации «Лучший обзор».

---

Главный спонсор конкурса — дальновидная компания «Генотек».
Конкурс поддержан ОАО «РВК».

---

Спонсором номинации «Биоинформатика» является Институт биоинформатики.
Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon.
Свой приз также вручает Фонд поддержки передовых биотехнологий.

Немного истории

На самом деле, фермеры изменяли генетический аппарат растений уже тысячи лет. Интуитивно скрещивая друг с другом определенные растения с наилучшими свойствами, фермеры заметили, что эти свойства сохраняются в потомстве. Так зарождалась селекция. После того, как в начале XX века наука взяла на вооружение генетические законы Менделя, работа селекционеров значительно упростилась. А уже в конце 20-х годов ΧΧ века исследователи обнаружили, что можно улучшить нужные свойства растений с помощью мутаций. Количество мутаций можно было увеличить с помощью рентгеновских лучей и различных химикатов. В результате таких экспериментов было получено около двух десятков различных сортов растений для пищевых целей, и такие эксперименты продолжаются и сегодня [1]. Но данный метод дает довольно непредсказуемые результаты, ведь мутации спонтанны, и сложно предугадать, какая получится — полезная или нет.

Но уже в 1981 году Шелл и его команда создала первое трансгенное растение — новый сорт табака — с помощью методик генной инженерии. С тех пор многие лаборатории по всему миру пользуются этим методом, создавая новые трансгенные растения, благодаря которым может быть побежден голод и загрязнение планеты неумеренным использованием удобрений [2].

Генетически модифицированные растения — это растения, генотип (то есть, совокупность всех генов) которых был искусственно изменен с помощью генной инженерии. Генетическая модификация отличается целенаправленным изменением генотипа организма в отличие от случайного изменения, характерного для естественного и искусственного мутационного процесса [3].

Предположим, что создание трансгенного организма завершено (см. врезку), осталось посадить его и вырастить. Но нужно ли это делать?

Почему мы боимся трансгенных растений и оправдано ли это?

Применение трансгенных растений в сельском хозяйстве возбудило опасения и недовольство общества относительно их возможного влияния на дикую природу, здоровье человека и экологию. Например, дебаты разгорелись после публикации результатов лабораторных исследований, в которых пыльца трансгенной кукурузы убивает гусениц бабочки-монарха. Хотя вскоре после этого Агентство по охране окружающей среды США показало, что вероятность влияния кукурузы на личиночную стадию бабочки совершенно незначительна в естественных условиях или вовсе отсутствует из-за различных мест их обитания [5].

Или нашумевший эксперимент с крысами. Животных кормили трансгенной кукурузой, и у них стали появляться опухоли. Но исследователи использовали крыс линии Спраг Доули, которые в норме дают опухоли у 80% популяции. Эксперимент был опровергнут многими учеными, так как не была установлена зависимость от количества потребления кукурузы, не было контрольной линии крыс и возникало множество вопросов о правильности постановки эксперимента [6]. Но все же именно этот опыт с крысами дал достаточно сильный резонанс в обществе и подтолкнул общественность к резко негативному настрою против генно-модифицированных растений.

Как трансгенные растения могут спасти экологию и людей от постоянного отравления?

ΧΧ век был веком торжества химии. Именно тогда активно применялись многие пестициды — вещества различной химической природы, используемые для защиты культурных растений от сорняков, вредителей и болезней, т.е. химические средства защиты растений. Однако для человека эти вещества могут быть вредны.

Несмотря на то, что используется много способов для очищения продуктов питания от пестицидов, они все равно так или иначе попадают на стол потребителя — через растения, которые впитали их с водой из почвы; через молоко или мясо коров и других животных, которые съели опрысканные химикатами растения; через воду, которая принесла в городскую систему водоснабжения пестициды с опрысканных полей. Пестициды будут присутствовать в продукте даже при интенсивной физической обработке, так как не разрушаются ни при высокой температуре, ни при консервации. Ни один производитель не напишет на упаковке, что в его продукте присутствуют пестициды, а они там всегда есть, хотя бы в очень малых количествах; за последние 10 лет уровень пестицидов в продуктах увеличился в 5 раз [5]. Впору задуматься. А ведь именно ненавистные многим генно-модифицированные растения могут спасти человека от ежедневного поедания химикатов.

Основной способ исключить использование пестицидов — это создать растения, устойчивые к насекомым-вредителям. Создание этой устойчивости включает в себя внедрение в генотип растения гена, отвечающего за синтез вещества, которое пагубно действует на насекомых. Были проведены исследования, которые доказали, что это вещество никак не действует на птиц, млекопитающих и человека, зато насекомые, пытающиеся съесть такое растение, погибают [4]. Именно этот способ борьбы с насекомыми спасает ежегодно многие гектары посевных площадей без вреда для окружающей среды, человека и животных.

Также есть еще один достаточно интересный метод для контроля насекомых-вредителей — внедрение в популяцию насекомых «биодиверсантов»  — носителей летальных генов, и при их размножении вся популяция погибает [5]. Это довольно интересная перспектива уничтожения вредителей, но она имеет и обратную сторону — внедрение таких особей может привести не только к уничтожению одной малой популяции, но и вида в целом, что нарушит экосистему в данной местности, поэтому этот метод широко не распространен и применяется под строгим контролем. Кроме того, в настоящее время эта методика не отработана до совершенства.

Строго говоря, попытка справиться с насекомыми с помощью биодиверсантов на сегодняшний день выглядит утопичной. Бедные насекомые-носители летальных мутаций — такие доходяги, что с трудом могут выжить, а не то что оставить конкурентоспособное потомство, которое вытеснит нативных насекомых. — Ред.

Растения, которые спасают десятки тысяч жизней

Очень часто можно слышать или читать о вреде трансгенных растений, о подозрительных экспериментах, проводимых над животными, но почему-то обычно на второй план уходит одна из главных задач этих организмов, с которой они замечательно справляются — спасение от голода и нехватки жизненно важных питательных веществ жителей нашей планеты. Количество населения растет с каждым годом: нас уже больше 7 миллиардов [7], и традиционное сельское хозяйство не может прокормить такое количество народа. Вспомним трансгенные растения, благодаря которым удалось спасти миллионы жизней.

Например, золотой рис. Наверняка многим знакомо это название, но вряд ли кто-либо интересовался, что оно значит и откуда взялось это растение. А на самом деле это трансгенный организм, который впервые появился всего лишь в 2000 году, но уже спас миллионы жизней в Юго-Восточной Азии и Африке только потому, что в его геном был вставлен ген, взятый из очаровательного цветка — нарцисса. Этот ген кодирует производство β-каротина — про-витамина А [8]. Пятнадцать лет назад по статистике только в Индии четверть миллиона детей слепла от болезни, проявляющейся при дефиците витамина А — куриной слепоты, и более 13 млн. человек ежегодно заболевали этой болезнью. Недостаток β-каротина также усугубляет множество детских и респираторных заболеваний. Ежедневное потребление порции «золотого» риса способно обеспечить человека витамином А на 20–40%. Кроме того, проведенные в 2012 году исследования показали, что β-каротин золотого риса усваивается у детей лучше, чем β-каротин шпината или масла, и к тому же он намного доступнее и дешевле. Улучшение детского питания позволило сократить заболеваемость на один миллион в год [9].

Опасны ли трансгенные растения для человека и экосистемы?

Каждый интересующийся темой трансгенных растений слышал ужасающую историю о том, что части их ДНК могут встраиваться в человеческие хромосомы и вызывать невероятные, опасные для жизни мутации. Вряд ли сейчас кто-либо может дать ответ, где и когда появилась эта идея, но разъяснить ее необходимо.

На уроках биологии в школе всем, даже тем, кому совершенно чужда эта наука, рассказывали о том, как функционирует пищеварительная система, как белки, жиры и углеводы распадаются каждый до маленьких «кирпичиков», из которых они состоят. Так же и ДНК всех без исключения организмов на нашей планете состоит из маленьких составляющих — нуклеотидов. Их всего четыре — аденин, гуанин, цитозин и тимин, — и у каждого организма они одинаковы, начиная от маленьких водорослей в океане и заканчивая львом или человеком. Поэтому, когда ученые встраивают ген в организм, они используют эти же четыре кирпичика. И также как белки, жиры и углеводы, гены, будь они природные или внесенные в растения человеком, распадутся в пищеварительной системе на составляющие — нуклеотиды [2]. Ведь если предположить, что чужеродные ДНК, попадающие в нас каждый день даже с традиционной пищей, встраивались в нас с каждым ее приемом, то каждый из нас давно бы стал похожим на морковку или коровку, в зависимости от личных предпочтений. Но ведь мы до сих пор люди, не так ли?

А теперь обсудим возможные опасности, которые может представлять трансгенные растения для экосистемы. В большинстве статей поднимаются два возможных варианта влияния генно-модифицированных растений на экосистемы планеты — это вытеснение устойчивыми к внешним воздействия модифицированными растениями их диких собратьев из экологических ниш, что может привести к изменению флоры, а также «утечка» трансгенов в окружающую среду [10]. Рассмотрим подробнее оба этих варианта.

Первой проблемой обеспокоено много ученых, ведь, на первый взгляд, все трансгенные растения приспособленнее своих диких собратьев. Но на деле это те же культурные сорта растений, которым необходим уход и забота со стороны человека, иначе их вытеснят сорняки [10]. Да, проблема является до сих пор открытой и вызывает множество споров; однако заметим, что за тридцатилетнюю историю культивирования трансгенных растений ни одно из них еще не встречалось в дикой природе.

А вторая проблема, над которой бьются экологи, — это «миграция» трансгенов между популяциями: то есть перенос генов между трансгенными сортами и дикими подвидами растений [5]. Ученые давно обсуждению эту проблему и методы ее избежания, но однозначной политики на данный счет нет.

Делая обзор о проблемах генно-модифицированных растений, всегда необходимо упоминать об экологических проблемах, о рисках влияния на окружающую среду. Но вряд ли риски генно-модифицированных растений сравнятся с рисками выбросов химических соединений, используемых при традиционном культивировании растений, в атмосферу и воду.

Какое будущее нас ждет?

Население нашей планеты неуклонно растет, а каждый новый человек требует ресурсов для жизни. Традиционное сельское хозяйство, в частности растениеводство, не может удовлетворить потребности всех людей, и поэтому его приходится совершенствовать. Новое всегда пугает и вызывает опасения. В начале развития компьютеров человечество боялось их; так и теперь боится новых, непонятных достижений генной инженерии. Общество подозрительно, люди хотят знать, что они едят. И это правильно, но отказываться от новых способов прокормить миллиарды человек было бы совершенно неразумно, особенно если учесть тот факт, что на данный момент это единственное разрешение проблемы голода и недостатка важнейших питательных веществ для людей во всем мире. Главное — не бояться видеть в новом положительное, узнавать о нем все, что можно узнать, и делать выводы на достоверных фактах. Тогда мы сможем спастись от множества заблуждений.

Литература

1. Byrne P., Ward S., Harrington J., Fuller L. (2002). Transgenic Cops: an introduction and resource guide. Colorado State University;
2. Комов В.П. и Шведова В.Н. Биохимия: учебник для вузов. М.: «Дрофа», 2008. — 638 с.;
3. Heller K.J. Genetically Engineered Food: Methods and Detection (2nd Edition). Wiley-Blackwell, 2006. — 322 p.;
4. Schmid R.D. Taschenatlas der Biotechnologie und Gentechnik. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2006. — 360 p.;
5. Walker S. Biotechnology Demystified. McGraw-Hill Education, 2006. — 289 p.;
6. Gilles-Eric Séralini, Emilie Clair, Robin Mesnage, Steeve Gress, Nicolas Defarge, et. al.. (2014). Republished study: long-term toxicity of a Roundup herbicide and a Roundup-tolerantgenetically modified maize. Environ Sci Eur. 26;
7. 7 000 000 000;
8. X. Ye. (2000). Engineering the Provitamin A (-Carotene) Biosynthetic Pathway into (Carotenoid-Free) Rice Endosperm. Science. 287, 303-305;
9. Guangwen Tang, Yuming Hu, Shi-an Yin, Yin Wang, Gerard E Dallal, et. al.. (2012). Retracted: β-Carotene in Golden Rice is as good as β-carotene in oil at providing vitamin A to children. The American Journal of Clinical Nutrition. 96, 658-664;
10. Экологические риски, связанные с культивированием генетически-модифицированных растений. (2008). «ГМО».