Генные модификации. Вехи и цели
Юрий М 22.03.2017 в 10:01
Понятия «достижение биотехнологии», «генная инженерия», «генетически модифицированный организм» или «трансгенные организмы» плотно вошли в нашу жизнь
И сегодня практически каждый ответит, что это все касается новейших результатов генетических исследований. Причем не традиционных, которые ставили целью познать, исследовать, определить закономерности наследственности и изменчивости базовых свойств живых организмов, а призванных подчинять себе их механизмы, преобразовывая под личные нужды. В итоге стало возможным создание новых типов сортов растений, отличающихся рядом характеристик, которые обычными селекционными приемами воссоздать нельзя. Кроме того, человечество получило шанс синтезировать более действенные лекарственные препараты для борьбы с серьезными, не поддающимися лечению другими способами болезней.
И возможным это стало в результате создания научных технологий, которые дают возможность обособленно и независимо исследовать наследственные молекулы ДНК, разрабатывать новые генетические вариации внеклеточных структур с последующим их внедрением в биологические объекты. Такими действиями человек смог преодолеть межвидовые барьеры, возникающие при скрещивании биологически неродственных видов и делающие возможными создание самых удивительных гибридов среди растений и животных. Сейчас это уже не научная фантастика, а реальность, ведь селекция шагнула далеко вперед, объединив генетическими модификациями виды, стоящие в эволюционном, систематическом, морфо-анатомическом плане на огромной дистанции друг от друга.
Таким образом, генно-модифицированные организмы (ГМО) – это живые объекты (чаще всего, растения, реже животные и микроорганизмы), наследственный материал которых был преобразован таким образом, каким в природных условиях при репродукции или природной рекомбинативной изменчивости не представлялось бы возможным. Что мы имеем в результате этого? Новые прогрессивные сорта или породы, например, картофеля, резистентного к своим прямым вредителям; пшеницы и других злаковых с характерными чертами ксерофитов; овощей, стойких к низким температурам или другим экстремальным условиям среды. Немало и невероятных примеров таких генетических чудес. Это и коты со способностью к флюорисцентности, и растения, модифицированные, чтобы связывать загрязнения из воздуха или почвы, и коровы, менее подверженные неприятному явлению метеоризма.
Несмотря на это, во всем мире ведется широкая полемика относительно этого вопроса. Единого правильного мнения касаемо необходимости и безопасности ГМО-продуктов еще не получено. Общество разделилось на два противоборствующих лагеря, где с одной стороны стоят ученые и крупные корпорации, продвигающие данный продукт на мировой рынок, а с другой – общественные и экологические организации, отстаивающие права природы самой распоряжаться своим генетическим наследием. Большая часть жителей планеты, сама того и не подозревая, стала участницей вселенского эксперимента, результаты которого и будут решающими для дальнейшей судьбы ГМО.
Мы же попытаемся вернуться к истокам этой проблемы, чтобы понять, что может ожидать человека и природу в будущем, если настоящее неразрывно связано с генетическими модификациями.
История создания генетических модификаций.
Появление на свет ГМО и продукции, полученной из них, стало возможным с интенсивным развитием генной инженерии, которая сама родилась благодаря достижениям биохимии и молекулярной генетики. В течение многих десятилетий считалось, что основной группой макромолекул являются белковые вещества. На уровне догадок полагали, что сами гены имеют белковое происхождение.
Начиная с 1944 г., исследованиями ученых Эйвери, Маклеод и Маккарти было установлено, что наследственная информация содержится в молекулах ДНК, после чего началась эра активного познания нуклеиновых кислот живых существ. Не прошло и десяти лет, как два ученых Дж. Уотсон и Ф. Крик, усомнившись, что тайна генетического кода скрывается не в структуре белков, а в структуре ДНК, их содержащих, совершили одно из наиболее масштабных открытий прошлого века. Им на основе химических исследований, рентгенографических снимков впервые удалось заглянуть в пространственную организацию ДНК-молекул, на основании чего была построена первичная модель этой кислоты, подтвержденная последующими исследованиями в этой отрасли. Важнейшими положениями их достижений стало то, что каждую молекулу ДНК образуют две полимерные цепочки, состоящие из 4 различных участков, соединенных в пределах одной молекулы связями комплементарного характера. С этим научным прорывом стал возможен и следующий, нацеленный на получение дочерних молекул ДНК через матрицу исходной молекулы, выступающей в роли материнской. Этот процесс сегодня называется ДНК-репликация. С этого момента начинается постепенной развитие молекулярной генетики.
В 50-60-х годах были достоверно установлены главные свойства генетического кода как запрограммированного чередования аминокислот белков, белков – в составе нуклеотидов и самих нуклеотидов – в нуклеиновой кислоте. В основе этого процесса лежит строгая упорядоченная последовательность 4 оснований азотистого происхождения – аденина, тимина, цитозина и гуанина, которые словно алфавитные символы пишут генетический код каждого живого существа на планете. Немного позже других было полностью изучено свойство универсальности генетического кода, которое означало его равный принцип работы для неродственных и разноорганизованных организмов. Именно это обстоятельство дало широкое поле для деятельности, стало основным подходом генной инженерии, удивившей мир немного позже.
Молекулярная генетика не останавливалась на достигнутом. Постепенно в научные исследования вовлекались вирусы и бактерии. Экспериментальным путем стало возможным получение препаратов ДНК из вирусов и внехромосомных генетических структур бактериальных клеток – плазмид. После чего предпринимались первые попытки их активного внедрения и в живые клетки с целью репликации некоторых генов. Немаловажным на пути становления генной инженерии было обнаружение некоторых веществ ферментативной природы, которые можно было использовать в качестве катализаторов подобного рода преобразований.Особое место среди них принадлежит ферментам рекстриктазам, которые ускоряют процесс гидролиза нуклеиновых кислот.
Во всем многолетнем периоде становления генной инженерии можно выделить три промежутка. В ходе первого удалось доказать реальность рекомбинантного преобразования с молекулами ДНК в пробирочной среде. Так, из нескольких различных по структуре плазмид получилось создать новые гибридные образования. Позже рекомбинантные манипуляции коснулись и непосредственного наследственного аппарата прокариотических организмов – бактерий, которые не имеют оформленного клеточного ядра, как у других форм жизни. Причем удалось не только воссоздать подобные рекомбинантные ДНК молекулы, но и добиться их стабильной работы.
Следующий этап касался исследовательских изысканий по получению новых молекул нуклеиновой кислоты из участков хромосом бактерий и плазмид, что также увенчалось успехом. После чего молекулярными биологами начали предприниматься попытки такого «генного творчества» с наследственными структурами ядерных – эукариотических – организмов, куда относятся все, кроме бактерий и вирусов. Основывалось оно на открытии так называемых векторных молекул ДНК, назначением которых была транспортировка генов и последующее их ввод в геном требуемой клетки.
Условно считают, что именно 1972 г., когда научными деятелями Стенфордского университета была лабораторным путем сотворена молекула ДНК, состоящая из участков ДНК бактерии E. coli, бактериофага и вируса SV40.
Уже в 1987 г. произошли первые тестирования генетически модифицированных растений сельскохозяйственного назначения. После этого началась работа над выведением помидора, резистентного к инфекциям вирусной природы. Уже в 1992 г. В Китае начали культивировать табак, который был невосприимчивым к насекомым-вредителям. Массовое продуцирование ГМ-растений берет свое начало с 1994 г, когда мир впервые увидел сорт помидора FlavrSavr, высокотранспортабельный со сроком хранения до 6 месяцев. Наиболее активно изучение и дальнейшая разработка трансгенных растений происходило, начиная с 1995 г, когда все большее и большее количество стран приобщались к экспериментальным высадкам ГМО на своих землях.
Предпосылки мирового распространения ГМО или случайностей не бывает
Генетические модификации хоть и решают немало насущных проблем медицины, например, ситуация с инсулином, который на данный момент научились получать вживляя соответствующий ген в бактериальную клетку, но они создавались не по этой причине. Скорее, это было сопутствующим достижением, которое принесло немало преимуществ и фармотрасли, и непосредственному потребителю.
Подобно иным научным инновациям, необходимость в генной инженерии тоже не возникла на пустом месте. Она явилась результатом многократных поисков путей и стратегий, которые должны были разрешить следующие проблемы:
- растущей численности населения мира;
- повышения продуктивности в сельском хозяйстве;
- создания живых организмов с новыми, полезными свойствами.
Ключевым мотивом всего этого начинания было простое желание накормить безостановочно увеличивающееся население Земли, причем сделать это самым дешевым и быстрым способом. Традиционная агрокультура требует немало времени, сил, денежных вложений. В противовес этому нашли новый менее затратный и работающий метод для создания пищевых продуктов – генная инженерия. Учитывая то, что сегодня примерно пятая часть населения Земли голодает, и каждый день от нехватки продовольствия умирает до 20 тыс. человек, это кажется неплохой перспективой. Но даже в неголодающих странах есть другая проблема – ежегодный рост дефицита белковой пищи. Сегодня он составляет до 40 млн. т/год. И эта цифра не окончательна.
В результате этого свыше 60 млн. га пахотных земель уже занято под модифицированными сортами растительных культур. Наибольшие площади из них находятся в США, Аргентине, Бразилии. Большая часть продаваемой сои, хлопка и кукурузы поступают к потребителю именно в генно-модифицированном виде. И постсоветские просторы могут быть вовсе не исключением из этого правила, даже если этот факт и не предается широкой огласке. К тому же, деградационные почвенные процессы, разворачивающиеся почти на всей земной территории, с еще большей силой заставляют искать новые выходы из ситуации.
Конечно, глобальную проблему перенаселения Земли и сопутствующую ей продовольственную можно попробовать решить традиционным способом, как это делали наши предки.
Но, к сожалению, это довольно долгий и трудоемкий процесс, даже с использованием высокосовременных пестицидов и минеральных удобрений. Но проблема не только в этом. Может произойти такое, что просто не останется ресурса, который можно будет вовлечь в сельхозоборот. Уже сейчас стремительные деградационные процессы в почве, урбанизация и производственная активность человека привели к немалым потерям пригодных для аграрного производства земель. Говорить о том, что через несколько десятков лет что-то изменится в лучшую сторону пока нет оснований.
Генная инженерия предоставила мощные рычаги, позволяющие повысить аграрную продуктивность при значительно меньших экономических затратах. Растения, в которые были введены гены инородного происхождения, демонстрировали хорошую стойкость возбудителям заболеваний разной этиологии, сельхозвредителям, а также к факторам окружающей среды. Таким образом стало несложным влиять на содержание в них масел, сахаров, витаминов и микроэлементов, сахаристость. Кроме того, продукция, получаемая из подобного растительного сырья, может иметь усовершенствованные вкусовые характеристики, более презентабельный внешний вид при длительном сроке хранения. Трансгенные растения имеют более высокую урожайность, которая практически не меняется из года в год. Обычные агрокультуры такими преимуществами не обладают.
ГМО – современные факты
Результатом генетических модификаций стали улучшенные организмы с новыми качественными признаками. Получены: морозостойкий картофель, в который привнесли гены, отвечающие за толерантность к низким температурам; несъедобная для вредителей кукуруза, модифицированная геном, содержащимся в змеином яде; засухостойкие злаки и овощи с генами от членистоногих из пустынных уголков Земли; помидоры с генетическим материалом рыб, а также соя с геном бактерии и т.д. И это лишь сотая доля того, что на сегодня стало возможным благодаря генной инженерии, которая превратилась в искусный инструмент, справляющийся со многими проблемами.
Лидером по производству генно-модифицированных организмов в мире является США. Работой ее компании Монсанто еще в 80-х годах начали создаваться модифицированные сорта растений. Это были соя, кукуруза, хлопок, представляющие собой высокие достижения биотехнологических, или лучше сказать, генно-технологических разработок. Двадцать лет назад первые трансгенные культуры производства данной компании попали в рыночный оборот. Так, мир увидел модифицированные сою и хлопок, резистентные к действию вредоносных насекомых. Из компании, производящей уже почти столетие до этого средства химизации сельского хозяйства, корпорация «Монсанто» превратилась в мирового флагмана новейших разработок генной инженерии.
Сейчас генетические модификации касаются микроорганизмов, растений и животных и по своему целевому характеру делятся на следующие типы:
- красные ГМ-технологии – создаются для получения лекарственного сырья и препаратов;
- зеленые – относятся к использованию ГМ-растений в аграрном секторе и лесоразведении;
- белые – использование модифицированных организмов в промышленности;
- голубые – понятие появилось сравнительно недавно и относится к акваэкосистемам.
Наиболее широкое развитие получило направление зеленых генетических технологий, в помощью которых создан не один десяток ГМ-растений. Кроме привычных зерновых и овощных культур, удалось получить модифицированные аналоги цикория, дынь, папайи, кабачков. Если только к середине 90-х годов свыше 60 видов культурных растений уже было модифицировано, к началу нового тысячелетия данная цифра превысила 100. Характерно то, что не все эти открытия получили патент и разрешение на дальнейшее использование.
Сейчас около 20 млн. фермеров во всем мире ежегодно отдают предпочтение именно ГМ-культурам, уходя от культивирования привычных, полученных стандартными селекционными приемами, сортов. В 2015 г. свыше 180 млн. га было занято под модифицированными растениями, список которых ежегодно пополняется новыми. Американский континент вскоре встретят новые модифицированные продукты - картофель, устойчивый к микогенному заболеванию – фитофторозу, и не приминающийся при транспортировке, а также яблоки, мякоть которых более стойка к окислению. Ведутся современные исследования для создания сортов кукурузы для ее культивирования в пустынных и полупустынных районах Африки.
Есть ли ГМО в странах Восточной Европы, где столетиями создавалась высокая агротехнологическая культура? Официальная статистика чаще всего отвергает данный факт, да и сами производители не стремятся показывать истинное лицо компонентного состава своей продукции. В результате чего мы живем в иллюзии, что ГМ-культуры есть где угодно, только не у нас. Но кто знает, может быть это тот самый случай, когда ложь будет лучше правды.