Генно-модифіковані організми: за і проти

Американські вчені Б. Глік і Дж. Пастернак виділяють три основні аргументи на користь поширення ГМ рослин:

· введення гена (генів) сприяє підвищенню сільськогосподарської цінності та декоративних якостей культурних рослин;

· ГМ рослини можуть служити живими біореакторами при маловитратному виробництві важливих білків;

· генетична трансформація рослин дозволяє вивчати дію генів у ході розвитку рослини та інших біологічних процесів.

На сучасному етапі розвитку генної інженерії ставиться завдання «навчити» рослину виробляти абсолютно нові речовини, необхідні як для медицини, так і для інших сфер, -- особливі кислоти, білки з високим вмістом амінокислот, модифіковані полісахариди, вакцини, антитіла, інтерферони, нові полімери, що не засмічують навколишнє середовище і таке інше. За допомогою генної інженерії можна змінювати структуру жирних кислот рослинних олій. Так, наприклад, у США було створено та перевірено в польових умовах безліч трансгенних сортів каноли, які синтезували масла зі зміненими жирними кислотами. Кожен трансгенний сорт містив один додатковий ген. Успіхи, досягнуті в отриманні трансгенних сортів каноли, дозволяють сподіватися, що в майбутньому цей підхід знайде широке застосування і дозволить створити нові сорти. На думку вчених, переважно представників компаній, що займаються дослідженнями в галузі біотехнологій, біотехнології відкрили перспективи подальшого прогресу сільського господарства та забезпечення населення Землі необхідною кількістю продовольства.

Серед переваг ГМ культур для сільськогосподарських виробників виділяють:

· значне зменшення використання пестицидів для обробки рослин, що зменшує їх шкідливий вплив на навколишнє середовище та здоров'я фермерів. З 1996 року у світі використання пестицидів на площах, де вирощуються ГМ культури, зменшилося на 0,286 млн. т., що за підрахунками вчених знизило їх негативний вплив на навколишнє середовище на 15 %;

· зменшення кількості необхідної для обробки землі техніки.

У 2002-2005 роках Всесвітня організація охорони здоров'я разом з експертами Продовольчої і сільськогосподарської організації Об'єднаних Націй, Програми ООН з питань навколишнього середовища (UNEP), Організації економічного співробітництва і розвитку (OECD) та інших авторитетних міжнародних організацій провела дослідження безпечності ГМ харчових продуктів, за результатами якого був опублікований звіт «Сучасна харчова біотехнологія, людське здоров'я і розвиток: доказове дослідження».

У звіті ВООЗ зробила висновок, що генетично модифіковані харчові продукти можуть сприяти поліпшенню здоров'я людей та розвитку людства, а вигоди ГМО очевидні -- зростання врожайності, покращення якості та різноманітності харчових продуктів, що сприяє підвищенню життєвого рівня.

Але при цьому наголошується на необхідність довгострокових досліджень, так як деякі гени, що використовувались при створенні ГМО, раніше були відсутні в сільськогосподарських рослинах, і слід оцінювати їх потенційний вплив на здоров'я людини, що дозволяє своєчасно виявити будь-які можливі негативні прояви в майбутньому.

Ці зауваження є дуже слушними. Ген -- це не автономна одиниця. Властивості та інформаційну складову гена визначає його оточення в геномі та середовище, в якому він перебуває. При якихось змінах змінюється і активність гена. Не можна поняття «організм» зводити до поняття «набір генів», оскільки гени не є стійкими одиницями інформації, які можуть бути перенесені для генної експресії без прив'язки до контексту. Доведено, що молекула ДНК може бути стабільною в пробірці в лабораторних умовах, але виявитися дуже нестабільною в живих організмах, взаємодіючи із своїм оточенням нелінійно. У цьому причина повної непередбачуваності наслідків перенесення гена від одного виду до іншого і саме в цьому найбільша небезпека.

Прихильники трансгенних досліджень стверджують, що трансгенна ДНК -- всього лише ДНК, і генетики давно багато що про неї знають, тому, здавалося б, і немає приводу для неспокою. Проте, як поводиться ДНК, відомо на підставі спостережень і експериментів, що проводяться усередині одного і того ж виду. В ході трансгенних досліджень ДНК одного виду переносять в клітки іншого виду, і було б небезпечно міркувати, що вона поводитиметься точно так, як і усередині одного виду. Ген ніколи не проявляє своєї дії окремо, незалежно від інших генів. Він, швидше, функціонує як елемент всього генома. Досліди по традиційній селекції рослин і тварин показали, що зміни всього лише декількох генів здатні надати незвичайно сильну дію на розвиток цілого організму. Більшість мутацій, з якими мають справу в традиційній селекції, плейотропні, тобто зачіпають декілька ознак і мають множинний ефект. Вони можуть привести до разючих змін в зовнішніх ознаках, хоча і не створюють «монстрів». Наприклад, білоголова, цвітна, брюссельська капуста, брокколі і кольрабі дуже сильно розрізняються на вигляд, але всі вони є мутаціями одного і того ж виду дикої рослини, Brassica oleracea. Так само і всі породи собак з'явились за допомогою мутації одного і того ж виду дикої собаки; при цих мутаціях було зачеплено всього декілька генів з багатьох тисяч. І хоча в результаті окремих мутацій часто з'являються організми, що відрізняються один від одного, в цілому такі мутації рідко приводять до появи потворності або «монстрів».

Проте відрізок чужої ДНК, поміщений в нову клітину, перебуває в абсолютно новому для себе оточенні. Не можна до кінця представити, які функції він виконуватиме, хоча, звичайно ж, про це можна судити на підставі знань в області біології клітини. Проблема трансгенних досліджень полягає в тому, що потенційну вигоду від маніпуляцій з ДНК можна передбачити на основі сучасних знань про гени, але всі потенційні негативні наслідки передбачити набагато важче, якщо взагалі можливо.

За роки розвитку генної інженерії в різні геноми було перенесено досить багато чужих генів, і при цьому не було створено особливих «монстрів». Першою трансгенною твариною стала миша з щурячим геном гормону росту. Як і очікувалося, вона виросла значно більше своїх братів і сестер (і виглядала при цьому швидше як щур), але проблем із здоров'ям у неї не спостерігалося. Сьогодні генетики вже звикли використовувати в своїх експериментах трансгенних тварин. Гени світляка були перенесені рослинам, які світилися в темряві; так само гени медузи можна перенести мишам, щоб вони також світилися в темряві. Гени бактерій пересаджували плодовим мушкам і рослинам, після чого в місцях експресії трансгена тканина набувала блакитного кольору. Такі генотипи були отримані в результаті навмисних і контрольованих експериментів. Часто необхідні гени довго обробляють, щоб пристосувати їх до генома нового господаря. Селекціонери рослин також виростили багато гібридів, які ніколи б не зустрілися в природі. Наприклад, тритикале є створеним людиною гібридом пшениці і жита, які належать до різних біологічних родів. Здавалося б, при схрещуванні таких далеких біологічних систем були всі можливості для прояву самих негативних наслідків, але тритикале показало себе досить цінною харчовою культурою. При цьому мутант не зруйнував природну екосистему. Накопичений досвід дозволяє приступити до подальших експериментів, і при подальших дослідженнях завжди корисно враховуватиме контекст попередніх випробувань.

7.2 Медицина і генно-модифіковані організми

Починаючи з двадцятих років минулого століття для інсулінової терапії використовували інсулін, виділений з підшлункових залоз свиней і телят. Тваринний інсулін в основному аналогічний людському, проте між ними є й певні відмінності. Так, в молекулі інсуліну свині на відміну від людського в одній з ланцюгів амінокислота треонін заміщена аланіном. Вважається, що ці незначні на перший погляд відмінності можуть викликати у окремих пацієнтів серйозні ускладнення (порушення роботи нирок, розлад зору, алергію). Крім того, незважаючи на високий ступінь очищення, не виключена ймовірність перенесення вірусів від тварин людям. І нарешті, число хворих діабетом зростає так швидко, що забезпечити всіх потребуючих тваринним інсуліном вже не виявляється можливим.

Розробка технології виробництва штучного інсуліну являється досягненням генетики. Спочатку за допомогою спеціальних методів визначили будову молекули цього гормону, зіставивши і послідовність амінокислот у ній. У 1963 році молекулу інсуліну синтезували за допомогою біохімічних методів. Однак, здійснити в промисловому масштабі настільки дорогий і складний синтез, що включає 170 хімічних реакцій, виявилося складно.

Тому в подальших дослідженнях упор був зроблений на розроблення технології біологічного синтезу гормону в клітинах мікроорганізмів, для чого використовували весь арсенал методів генетичної інженерії. Знаючи послідовність амінокислот в молекулі інсуліну, вчені розрахували, якою має бути послідовність нуклеотидів в гені, що кодує цей білок, щоб отримати потрібну послідовність амінокислот. «Зібрали» молекулу ДНК з окремих нуклеотидів відповідно до визначених послідовностей «додали» до неї регуляторні елементи, необхідні для експресії гена в прокаріотичному організмі E.coli, і вбудували цю конструкцію в генетичний матеріал мікроба. В результаті бактерія змогла виробляти два ланцюги молекули інсуліну, які в подальшому можна було з'єднати за допомогою хімічної реакції і отримати повну молекулу інсуліну.

Нарешті, вченим вдалося здійснити в клітинах E.coli біосинтез молекули проінсуліна, а не тільки її окремих ланцюгів. Молекула проінсуліна після біосинтезу здатна відповідним чином перетворюватися на молекулу інсуліну. Ця технологія має серйозні переваги, оскільки різні етапи екстракції та виділення гормону зведені до мінімуму. При розробці такої технології була виділена інформаційна РНК проінсуліна. Використовуючи її в якості матриці, за допомогою ферменту зворотної транскріптази синтезували комплементарну їй молекулу ДНК, яка представляла собою практично точну копію натурального гена інсуліну. Після пришивання до гену необхідних регуляторних елементів і перенесення конструкції в генетичний матеріал E.coli стало можливим виробляти інсулін на мікробіологічній фабриці в необмежених кількостях. Він набагато дешевше препаратів тваринного інсуліну, не викликає ускладнень.

Інша, не менш трагічна проблема здоров'я людини зв'язана з порушенням роботи залоз внутрішньої секрецією, що призводить до вираженого уповільнення росту дітей і появи так званих карликів. Це захворювання викликане недостатньою секреціей гормону росту -- соматотропіну, який виробляється гіпофізом (залозою, розташованою в нижній частині мозку). До середини 1980-х років цю хворобу намагалися лікувати шляхом введення в кров пацієнтів препаратів гормону росту, виділених з гіпофіза померлих людей. Немає сенсу пояснювати, наскільки складно отримати необхідну для терапії кількість такого гормону. Крім чисто технічних (в гіпофізі міститься дуже невелика кількість гормону), фінансових (препарат немислимо дорогий), етичних та інших проблем є ризик перенесення пацієнтам небезпечних захворювань. Для досягнення позитивного результату лікування соматотропін вводять внутрішньом'язово тричі на тиждень в дозах порядку 6-10 мг на кілограм ваги пацієнта з віку 4-5 років до статевої зрілості і навіть довше. З гіпофіза одного померлого можна отримати лише 4-6 мг препарату. Тому навіть розроблені на державному рівні спеціальні програми з виробництва соматотропіну в таких країнах, як США, Великобританія, Франція, не могли повністю задовольнити попит на цей препарат. Так, у США в 70-80-ті роки минулого століття щороку виділяли гіпофіз у 60000 трупів. Отриманого соматотропіна вистачало для адекватного лікування лише 1500 дітей на рік.

Ген, що кодує утворення гормону росту людини, був синтезований штучно і вбудований в генетичний матеріал E.coli аналогічно тому, як це зробили з геном інсуліну. В даний час проблема виробництва високоякісного, безпечного для здоров'я пацієнтів соматотропіну в необхідних кількостях і при мінімальних витратах повністю вирішена. Більш того, за допомогою технології рекомбінантних ДНК отримані штами мікроорганізмів, здатні синтезувати і інші фактори росту людського організму. Для цілей сільського господарства велике значення мала організація виробництва гормону росту великої рогатої худоби (вперше - американською фірмою Монсанто). Його застосування дозволяє значно (до 15% і більше) підвищити удій корів. Сам ген, що кодує утворення соматотропіну, намагаються використовувати в генетичній інженерії тварин для виведення порід з високою енергією росту. Отримані обнадійливі результати на рибах. Лососі з вбудованим геном гормону росту здатні досягати споживчих розмірів за один рік замість двох на відміну від звичайних риб.

Для виробництва «трансгенних» медичних препаратів нині використовують не тільки спеціальним чином модифіковані мікроорганізми, а й культури тварин клітин. Наприклад, біосинтез рекомбінантного фактора VIII людської крові дозволяє ефективно вирішувати проблему лікування хворих гемофіліей (зі зниженим згортанням крові). До цього фактор VIII виділяли з крові донорів, що пов'язано з ризиком зараження пацієнтів вірусними інфекціями типу гепатиту. Виробництво трансгенного еритропоетину (гормону, що стимулює утворення червоних кров'яних клітин людини) допомагає боротися з різними анеміями. До недавнього часу найбільш ефективним методом лікування анемії вважалося неодноразове переливання донорської крові, обходиться дуже дорого і також пов'язане з ризиками.

В теперішній час технологія рекомбінантних ДНК дозволяє отримувати більш дешеві і безпечні вакцини для лікування найнебезпечніших інфекційних захворювань (гепатиту, поліомієліту та ін.) У багатьох випадках отримання подібних вакцин традиційними методами за просту неможливо. На основі генно-модифікованих біотехнологій створені більш досконалі методи діагностики і лікування хвороб людини. Саме з генетичною інженерією людство пов'язує свої надії на вирішення проблеми лікування практично невиліковних поки хвороб: раку, СНІДу, шизофренії, хвороби Альцгеймера, спадкових хвороб.

7.3 Використання генетично модифікованих організмів в сільському господарстві

Незважаючи на вражаючі досягнення генетичної інженерії в галузі медицини, найбільший резонанс у суспільстві викликає застосування генетично модифікованих організмів для виробництва сільськогосподарської продукції. Проблеми медицини стосуються в основному невеликої частини населення, яка страждає серйозними захворюваннями. Сформована в світі система апробації нових лікарських препаратів, що припускає, серед іншого, численні випробування на безпеку, в цілому себе виправдала і користується довірою споживачів, навіть незважаючи на окремі, дуже рідкісні трагічні інциденти, пов'язані з використовуванням нових ліків.

Інша ситуація з сільськогосподарською продукцією. Її проблеми зачіпають кожного з нас. Будь-який новий, незнайомий продукт харчування сприймається з підозрою, зростаючи у випадках, коли поширюються плітки про небезпеку його для здоров'я. Спрацювує принцип прийняття запобіжних заходів: якщо продукту не знаєш, краще утриматися від його споживання.

Проте люди мають право знати, які переваги порівняно з традиційною селекцією рослин має генетична інженерії, якими новими властивостями володіють продукти харчування, отримані з трансгенних сортів, які ризики для здоров'я людини і навколишнього середовища з ними пов'язані. Це необхідно для того, щоб зробити усвідомлений вибір: їсти чи не їсти. А в основі вибору завжди лежить оцінка співвідношення між користю та шкодою, перевагами і недоліками технології, продукту. Адже абсолютно не шкідливих продуктів харчування в природі не існує.

Однією з основних проблем сільськогосподарського виробництва є боротьба з бур'янами. В індустріально розвинених країнах поряд з агротехнічними заходами (обробка ґрунту) для цих цілей широко застосовуються гербіциди, тобто хімічні препарати, здатні тотально або вибірково пригнічувати ріст рослин. Розроблено два способи використання гербіцидів. Їх застосовують перед посадкою або сівбою рослин, вносячи в грунт або обприскуючи бур'яни, які тронулися в ріст. Однак цей спосіб не може повною мірою вирішити проблему, оскільки бур'яни з'являються і після сходів основної культури, і в ході всього періоду вегетації. Крім того, внесені в грунт гербіциди, як правило, тривалий час розкладаються, забруднюючи навколишнє середовище. Інший спосіб -- обробітка гербіцидами вегетуючих рослин. Він більш ефективний, оскільки дозволяє захищати посіви протягом усього сезону. Але при використанні гербіцидів тотальної дії виникають серйозні проблеми захисту культурних рослин, не стійких до цих гербіцидам. Для цього створені спеціальні пристосування, які дозволяють змочувати гербіцидом вищі сміттєві рослини, не зачіпаючи культурні. Ця процедура значно спрощується, якщо в розпорядженні є сорти рослин, стійкі до використовуваного гербіциду. За допомогою традиційної селекції вивести такі сорти досить складно. Зокрема, не існує сортів сільськогосподарських рослин, толерантних до тотальної дії гербіцидів, які використовуються.

Генетична інженерія цю проблему вирішує досить просто. Досить перенести в генетичний матеріал рослини потрібний ген від стійких до гербіцидів мікроорганізмів. Вчені, вивчаючи механізм дії гербіцидів, з'ясували, що найчастіше вони впливають на один який-небудь важливий для метаболізму рослин фермент, зв'язуючись з ним і таким чином ослаблюючи його активність. Це призводить до серйозних порушень росту і розвитку оброблених гербіцидом рослин, і вони гинуть. Серед бактерій легко можна виявити стійкі генотипи, висіваючи їх на поживне середовище, в яке додають гербіцид.

Значна частина населення світу «взяла» генетично модифіковані організми в якості важливого джерела поліпшення свого добробуту.

Було показано, що толерантність до гербіцидів обумовлена, як правило, мутацією одного певного гена. Відомо два основних механізма стійкості. Перший з них, що отримав назву «мутація мішені» (мішень-фермент, на який діє гербіцид), пов'язаний зі зміною послідовності амінокислот в тій області молекули ферменту, в якій відбувається його зв'язування з гербіцидом. В результаті гербіцид «не впізнає» свою мішень, фермент зберігає активність, а організм стає толерантним до дії гербіциду. Описаний механізм характерний для стійкості до таких гербіцидів, як гліфосат, сульфонілсечовина, імідозолінон та інші. Другий механізм зв'язаний з виробленням у стійких організмів ферментів, здатних дезактивувати гербіцид, наприклад, шляхом приєднання до нього будь-якого хімічної радикала. Цей механізм діє в організмів, стійких до гербіциду глюфозінат амонію.

Серед всіх трансгенних культур гербіцідостійкі форми займають переважну більшість. Так, в 2003 році в світі під ними було зайнято 73% площі, засіяної генно-інженерними отриманням, або 49,7 млн гектарів. Ще 8% загальної площі займали трансгенні сорти, що володіють стійкістю до гербіцидів у поєднанні зі стійкістю до комах-шкідників. Ця ситуація пояснюється наступними факторами.

По-перше, стійкість до гербіцидів -- дуже важлива для сільськогосподарської культури ознака, дозволяє істотно знизити витрати виробництва за рахунок більш ефективного контролю над бур'янами.

По-друге, завдяки простого характеру генетичного контролю цієї ознаки, хорошої вивченості відповідних генів отримувати гербіцидостійкі ГМО набагато простіше, ніж стійкі до посухи або засолення.

Безумовним лідером серед всіх трансгенних культур є соя, стійка до гербіциду гліфосату. Поява генетично модифікованих сортів зробило справжню революцію в технології обробітку сої. Справа в тому, що культурна соя розвивається на ранніх етапах вегетації дуже повільно. Та й конкурентоспроможність дорослих рослин теж невисока. Це означає, що без застосування гербіцидів отримати необхідний урожай такої найважливішої сільськогосподарської культури, як соя, практично неможливо.

Гербіцид гліфосат відноситься до гербіцидів тотальної дії. Його «мішенню» в рослині є фермент EPSPS, який грає важливу роль у синтезі ароматичних амінокислот (тирозину, фенілаланіну і триптофану). Під дією гербіциду у нестійких до нього рослин спостерігаються симптоми азотного голодування (через нестачу названих амінокислот -- «будівельного матеріалу» для синтезу білків), і вони гинуть протягом двох тижнів. Гліфосат відноситься до гербіцидів нового покоління, для яких характерна відносна безпека для здоров'я людини і навколишнього середовища. Адже його «мішень» є тільки у рослин, грибів і бактерій і відсутня у тварин. Тому його токсичність для людини навіть нижче, ніж у кухонної солі. Крім того, гліфосат відповідно швидко (приблизно протягом тижня) руйнується після попадання на рослини або грунт.

У деяких бактерій виявлені гени, що кодують EPSPS, які несуть точкових мутацій. Результатом мутації є заміна однієї амінокислоти в області ферменту, в якій відбувається його зв'язування з гербіцидом гліфосатом. Тому гербіцид втрачає здатність дезактивувати такий мутантний фермент, і бактерія набуває стійкість до його дії.

В вирощуваних у всьому світі трансгенних комерційних сортах сої вбудований саме останній з названих мутантних генів (тобто ген ср4 від грунтової бактерії Agrobacterium tumefaciens СР4). Генетична конструкція, створена за допомогою технології рекомбінантних ДНК для перенесення цього гена в рослини, містить також промотор CaMV35S від вірусу мозаїки цвітної капусти. Для перенесення цієї конструкції в генетичний матеріал сої використаний метод «бомбардування» клітин за допомогою «генної гармати». В отриманій трансгенній сої відсутні селективні гени стійкості до антибіотиків, оскільки сам ген стійкості до гліфосату можна використовувати як селективний. Близько тисячі різних сортів стійкої до гліфосату сої, вирощеної на різних континентах, отримані за допомогою традиційної селекції, в якій використано як джерело мутантного гена EPSPS одна-єдина генно-інженерне рослина з генно-інженерною модифікацією.

Таким чином, генетично модифіковані сорти сої відрізняються від звичайних лише тим, що у них утворюється два типи одного і того ж ферменту EPSPS. Перший -- свій власний, який може зв'язуватися гербіцидом, і другий -- привнесений від бактерії, який не пов'язується з гербіцидом. Саме наявність другого типу зазначеного ферменту робить ці сорти стійкими до дії гліфосата і зберігає їм життя після обробки посівів гербіцидом. Уже той факт, що бактеріальний EPSPS здатний виконувати функції рослинного аналога, говорить про їх значному схожість, в тому числі і в сенсі безпеки для здоров'я людини. Другим новим елементом є хлоропластний транзитний пептид, який доставляє трансгенний EPSPS до хлоропластів і який представляє собою короткий ланцюжок амінокислот, який швидко руйнується в процесі перетравлювання їжі.

Другою ключовою проблемою рослинництва є підвищення ефективності контролю чисельності комах-шкідників сільськогосподарських культур. Для цих цілей найчастіше використовують пестициди -- або хімічні, або біологічні (препарати, отримані на основі мікроорганізмів, що виробляють токсичні для комах речовини). Використання останніх переважно з точки зору безпеки для здоров'я людини і навколишнього середовища. Проте ефективність хімічних засобів захисту рослин залишається набагато вищою, ніж біологічних.

Серед біопестицидів широко використовується так званий Bt-токсин, який отримують на мікробіологічних підприємствах шляхом культивування грунтових бактерій -- Bacillus thurin-giensis. Дані бацили були описані на початку минулого століття, у тридцяті роки було встановлено, що вони здатні виробляти токсичні для комах продукти, що мають, що дуже важливо, високу вибіркову дію. Це означає, що Bt-протеїн, виділений від одного певного штаму бацили, здатний вбивати певний вид комах, наприклад жуків, і не діє на інших комах, наприклад метеликів, бджіл і т.д. Вибірковість обумовлена ??специфічним механізмом токсичності Bt-протеїну.

Потрапляючи в травний тракт чутливої до нього комахи, Bt-протеїн зазнає змін: під дією певного протеолітичного ферменту в лужному середовищі (pH 7,5-8,0) від вихідної молекули протеїну відокремлюється невелика частина (приблизно рівна одній третині молекули), що представляє собою активну форму цього білка. Тільки вона здатна прикріплятися до специфічних рецепторів в середній частині травного тракту комахи і викликати лізис (розчинення) клітин, що призводить до утворення пор. Комаха перестає харчуватися, відбувається зневоднення організму, і в кінці кінців настає смерть. У нечутливих до конкретних препаратів Bt-протеїну комах описані процеси не відбуваються, і Bt-протеїн у них просто перетравлюється.

Bt-протеїн не представляє загрози для теплокровних тварин і людини, оскільки травний тракт у них влаштований інакше, ніж у комах, і у них інші протеолітичні ферменти. Більш того, Bt-протеїн - вельми нестійкий білок, який легко денатурує при нагріванні, у кислому середовищі шлунка, швидко перетравлюється шлунковим соком.

Починаючи з 1960-х років біопрепарати на основі Bt-протеїну досить широко використовуються в сільському і лісовому господарстві для боротьби з комахами-шкідниками. До безперечних переваг цих препаратів слід віднести перш за все повну безпеку для здоров'я людини (не токсичні, не викликають алергії), а також для навколишнього середовища (висока вибірковість дії, вони легко змиваються з листя, швидко руйнуються під дією ультрафіолетових променів, не здатні накопичуватися в рослині та грунті). У той же час позитивна якість препарату, що забезпечують безпеку навколишнього середовища, є його істотним недоліком з точки зору ефективності: препарат здатний захистити рослину тільки на дуже короткий час.

Вирішення цієї проблеми стало можливим завдяки використанню генетичної інженерії. Бактеріальний ген, відповідальний за вироблення Вt-протеїну, був виділений з ДНК бактерій, клонований, в деяких випадках істотно модифікований аж до штучного синтезу окремих його активних фрагментів, з'єднаний з необхідними регуляторними елементами і вбудований в різні види сільськогосподарських рослин.

Особливо висока ефективність трансгенного Bt-протеїну відзначена на кукурудзі та бавовні. Справа в тому, що шкідники цих культур знаходяться на поверхні рослини протягом дуже короткого часу. Потім вони впроваджуються в тканини рослини і прогризають там ходи, завдаючи, таким чином, істотної шкоди здоров'ю рослин і врожаю. Оскільки у трансгенних сортів Bt-протеїн утворюється у всіх зелених тканинах рослини і присутній там постійно, то це дозволяє рослині захищати себе від шкідників протягом усього періоду вегетації. При цьому трансгенний Bt-протеїн високоефективний у винятково низьких концентраціях.

Говорячи про генетично модифіковані сорти, стійких до комах-шкідників, слід зазначити одну важливу деталь. Всі вони є більш досконалими продуктами генетичної інженерії в порівнянні з першими гербіцидостійкими формами. При їх створенні, зокрема, використані більш точні механізми регулювання активності трансгенів за рахунок застосування не вірусних промоторів, а рослинних. Так, в Bt-кукурудзі використаний промотор гена фосфоенолпируваткарбоксилази самої кукурудзи, який забезпечує активність Bt-генів виключно в зелених тканинах рослини (листя, стебла). Саме завдяки цьому немає Bt-протеїну в зрілому зерні та силосі. Для створення Bt-картоплі використаний інший промотор. Bt-ген, регульований фоточутливим промотором, експресується на світлі в 100 разів сильніше, ніж у темряві. Відповідно в бульбах Bt-протеїну утворюється в 100 разів менше, ніж в листі.

Це свідчить, що ні трансгенна картопля, ні трансгенна кукурудза не містять в своєму врожаї продукту привнесеного їм бактеріального гена. Тобто вони повністю ідентичні за своїми споживчими властивостями сортам, отриманими методами традиційної селекції.

Вірусні хвороби є причиною досить значних втрат врожаю для цілого ряду культур, в першу чергу тих, які розмножуються вегетативно (бульбами, живцями, цибулинами, щепленням), а також гарбузових, томатів та деяких інших. У зв'язку з цим розробка принципово нових підходів у боротьбі з вірусними хворобами представляє великий практичний інтерес. Сучасні генно-інженерні технології створення стійких до вірусів сортів рослин базуються на використанні відомого методу, який отримав назву перехресного захисту. Він заснований на явищі підвищеної стійкості рослин до агресивних форм-якого вірусу за умови, що вони були раніше заражені менш шкідливою формою того ж самого виду вірусів. Механізм цього явища точно не з'ясований, однак його досить широко використовують в Японії для захисту томатів від ураження вірусами томатної і огіркової мозаїки, в Бразилії для захисту цитрусових, папайї, кабачків цукіні.

У 1986 році вперше отримано стійкі до мозаїчного тобамовірусу рослини тютюну шляхом перенесення в їх генетичний матеріал гена цього вірусу, що кодує утворення білка оболонки (coat protein - CP). З тих пір цей підхід був успішно апробований на багатьох рослинах. Пізніше виявилося, що аналогічний, а іноді навіть кращий результат досягається при використанні не СР-трансгенів, а генів, що кодують інші протеїни вірусів -- ферментів реплікази, РНКази.

Для генетичної інженерії вірусостійких форм з метою безпеки використовують СР-гени, які попередньо модифікують таким чином, щоб вони не могли переноситися від рослини до рослини, або виділяють СР-гени з природних штамів. Також оперують генами від штамів, не здатних інфікувати рослини в природних умовах, або маніпулюють укороченими СР-генами, які кодують утворення дефектних, нефункціонуючих СР-протеїнів. Виявилося, що можна забезпечити захист від вірусів навіть в тих випадках, коли вбудований настільки дефектний СР-ген, що інформаційна РНК, яка утворилася при його зчитуванні не здатна до трансляції, тобто до синтезу відповідного СР-протеїну.

З усього розмаїття отриманих вірусостійких форм для комерційного використання допущено порівняно небагато: папайя, стійка до вірусу плямистості, дві форми цукіні, стійкі до декількох вірусів, і сорти картоплі з комплексною стійкістю до колорадського жука (Bt-ген) і до вірусу скручування листя.

Така генно-інженерна технологія захисту рослин від вірусів дозволяє отримувати сорти, значною мірою ідентичні за своїми споживчими якостями сортам традиційної селекції. Ми маємо вже тривалу історію безпечного споживання продуктів трансгенів СР-протеїнів, оскільки названі вірусні протеїни постійно присутні в їжі з картоплі, кабачків та інших рослин. Більш того, в звичайних сортах концентрація цих білків може бути в десятки, а то й сотні разів вища, ніж у трансгенних форм: адже вони не стійкі до вірусів і тому накопичують їх у своїх тканинах.

Трансгенні сорти сільськогосподарських рослин з поліпшеними якісними характеристиками -- це група винятково цінних для споживача форм, при отриманні яких не використовуються чужорідні гени. Додаючи в генетичний матеріал рослини додаткові копії певних генів, виділених з власної ДНК рослини, можна добитися істотного послаблення активності цих генів. У свою чергу це може призвести до зміни якісних характеристик того продукту, в генетичному контролі біосинтезу якого задіяні дані гени.

Так, для якості рослинної олії виключно важливе значення має співвідношення в ній різних жирних кислот. В асортименті допущених до використання трансгенних сортів є ряд форм олійних культур з поліпшеним складом олії. Серед них слід назвати, наприклад, таку культуру, як соя, якої додали додаткову копію гена ферменту десатурази, в результаті чого її власний ген десатурази. Це призвело до зниження в соєвій олії рівня поліненасичених жирних кислот лінолевої і ліноленової і компенсаційному збільшення рівня мононенасиченої жирної кислоти олеїнової до 80%, що навіть більше, ніж в оливковій олії; в немодифікованій сої її рівень був всього 23%. Отримане масло помітно перевершує за споживчими властивостями масло сої традиційних сортів, зокрема, воно більш стабільно при нагріванні, завжди зберігає привабливий для споживача рідкий вид.

Другий цікавий приклад використання явища «замовкання генів» -- створення сортів трансгенної картоплі з поліпшеною якістю крохмалю. Крохмаль, виділений зі звичайних сортів картоплі, містить дві основні форми цього полісахариду: гіллястий -- амілопектин і негіллястий -- амілозу. Чим більше амілопектину і менше амілози, тим вища якість крохмалю. Генно-модифікований сорт картоплі з підвищеною якістю крохмалю створений шляхом добавки додаткової копії гена амілози. В результаті рівень менш цінної амілози в крохмалі трансгенного сорту був знижений практично до нуля.

Аналогічна генетична конструкція використана й при створенні трансгенного сорту томатів FLAVRSAVR з подовженим періодом зберігання плодів. Зазвичай в процесі дозрівання плоди томатів незабаром після почервоніння поступово втрачають пружність, стають м'якими і загнивають. Причиною цього є утворення ферменту полігалактуронази, який деградує пектин, що знаходиться в міжклітинному просторі плоду. В результаті у отриманого сорта полігалактуроназа утворюється в зниженій кількості, завдяки чому стиглі помідори протягом тривалого часу зберігають товарний вигляд.

При створенні трансгенного рапсу з поліпшеним складом олії використаний більш традиційний для генетичної інженерії підхід горизонтального переносу генів від неспоріднених видів. У генетичний матеріал ріпаку був «підсаджений» ген тіоестерази від каліфорнійського лаврового дерева. Внаслідок цього трансгенний сорт отримав здатність утворювати олію, в якій з'явилися не властиві для ріпаку лаврова і міристинова жирні кислоти. Така олія за якістю наблизилися до найбільш цінних рослинних олій: пальмової і кокосової.

Гетерозисні гібриди, отримані в результаті схрещування спеціально підібраних батьківських форм, міцно увійшли в наше життя. Такі гібриди перевершують батьків по врожайності, стійкості до хвороб і несприятливих факторів середовища, вирівнювання сходів.

Для отримання гібридного насіння необхідно повністю виключити потрапляння пилку материнських форм на маточку власної квітки. Інакше вийде не гібридне, а самозапилення насіння, яке може дати в два і більше разів менше продуктивне потомство. Щоб спростити процедуру отримання гібридного насіння, застосовують спеціальні генетичні підходи для селекції чоловічих стерильних ліній, які можна спокійно використовувати в схрещуваннях в якості материнських форм, не турбуючись, що відбудеться самозапилення. З середини 30-х років минулого століття для цих цілей стали використовувати цитоплазматичну чоловічу стерильність (ЦМС), виникнення якої обумовлено специфічною взаємодією генів ядра і чужородної цитоплазми клітини. Однак не для всіх культур вдалося створити адекватні системи ЦМС, та й сама система розмноження таких ліній залишалася досить складною і не завжди ефективною.

Генетична інженерія внесла вагомий вклад у вирішення цієї проблеми. Для створення чоловічих стерильних трансгенних ліній рослин було запропоновано використовувати ген barnase від бактерії Bacillus amyloliquefaciens, який кодує утворення ферменту РНКази, що бере участь у розщепленні молекул РНК. Завдяки тканеспецифічному промотору РТА29 від тютюну цей фермент утворюється у трансгенній рослині тільки в одному місці (в пильовику) і тільки в один час (у період цвітіння). Результат передбачити нескладно: деградація РНК в тканинах пильовика означає відсутність синтезу білка і в кінцевому підсумку -- отримання нежиттєздатною пилку.

Для полегшення процедури розмноження таких ліній ген barnase був скооперований в одній генетичній конструкції з геном стійкості до гербіциду глюфозінату, який до того ж виступав в якості селективного гена при здійсненні генетичної трансформації.

Якщо запилювати рослини такої чоловічо-стерильної лінії пилком спеціально підібраної лінії традиційної селекції, що дає при схрещуванні гетерозисне потомство, то дійсно можна без проблем отримати гібридне насіння, оскільки самозапилення материнських форм виключено. Однак саме гетерозисне потомство вийде чоловіче стерильне, що зовсім небажано. Тому в якості запилювачів використовують таку ж лінію, але яка несе трансген barstar від тієї ж бактерії Bacillus атуloliquefaciens. Цей ген кодує утворення ферменту-інгібітора РНКази, завдяки чому у гібридів відновлюється фертильність пилку. Саме використовуючи систему трансгенних ліній з цими двома бактеріальними генами, вдалося створити цілий ряд комерційних сортів ріпаку, які представляють собою гетерозисні гібриди F1.

Особливо вражає найвища точність регулювання активності роботи трансгенів: строго в певному місці і в певний час. В результаті в рослині після цвітіння зовсім не залишається продуктів трансгенів. Отже, отримана продукція (рапсове насіння, рапсова олія, зелена маса) повністю ідентична за споживчими властивостями продукції, отриманої від аналогічних сортів традиційної селекції.

Наукові дослідження в області сортів, які отримали офіційний дозвіл на використання в господарській діяльності ведуться по цілому ряду перспективних напрямків. В найближчому майбутньому слід очікувати появи нових, небачених сортів з новими можливостями. Перш за все велика увага приділяється підвищенню ефективності боротьби з хворобами рослин. Наголос робиться на створенні стійких до хвороб сортів сільськогосподарських рослин. При цьому використовуються два підходи. По-перше, виділені, клоновані і перенесені в генетичний матеріал рослин численні гени, пов'язані із стимуляцією неспецифічного (тобто не спрямованого проти певного патогена) імунітету рослини. Для цього застосовують гени ферментів амілаз, хітинази, поліфенолоксидази, пероксидаз, а також фітоалексинів і лізозимів, лектинів. Другий підхід заснований на виділенні і клонуванні потужних генів стійкості до хвороб від диких видів. Так, нещодавно американським вченим вдалося перенести ген стійкості до небезпечного захворювання картоплі -- фітофторозу від дикого виду картоплі Solanum bulbocastanum до виду, який широко використовується, але не стійкого до цього патогену сорту Катадин. Завдяки цій технології з'явилася можливість істотно підвищити фітофторостійкість багатьох перевірених сортів картоплі. В принципі цінні гени від диких видів можна використовувати і за допомогою методів традиційної селекції. Але лише генетична інженерія дозволяє цілеспрямовано поліпшувати сорт, додаючи окремі гени і не змінюючи інших характеристик сорту. Це особливо актуально для таких високогетерозиготних культур, як картопля, для яких будь-яке схрещування в ході традиційної селекції супроводжується повною зміною вихідного генотипу.

Наступний важливий напрямок генетичної інженерії -- селекція сортів, стійких до стресових факторів середовища: посухи, спеки, холоду, підвищеної засоленості грунту. Оскільки всі ці стреси відносяться до розряду осмотичних, то і підходи по всіх цих напрямків загальні. Йде робота над виділенням, клонуванням і перенесенням в рослини трансгенів, що кодують утворення різних осмопротекторов (іонів, протеїнів, амінокислот, цукрів, поліамінів), що регулюють вміст ненасичених жирних кислот в мембранах клітин і т.д.

За допомогою генетичної інженерії можна підвищувати і врожайність сільськогосподарських рослин, незважаючи на те що ця ознака є полігенною, тобто вона визначається активністю дуже великої кількості генів. Проте можна знайти і застосовувати окремі гени, продукти яких дозволяють істотно посилити процеси росту і в підсумку підвищити продуктивність рослини. Так, вбудовування в геном картоплі гена фітохрому В від арабідопсісу призводило до підвищення інтенсивності фотосинтезу і збільшення врожаю бульб. Перенесення в геном картоплі гена, що кодує утворення ферменту УДФГ трансферази достигаючого зерна кукурудзи, супроводжувався посиленням біосинтезу ростових фітогормонів, що дозволяло підвищити урожай бульб в два рази, рівень сухих речовин в бульбах до 27% (у звичайних менше 20%), аскорбінової кислоти до 9%. Розрізані бульби не темніли на повітрі. Сходи від таких бульб з'являлися на 7-10 днів раніше, ніж у звичайних сортів. Застосування цього ж гена для генетичної модифікації томатів дозволило досягти врожаю плодів у теплиці до 32 кілограмів, а в поєднанні з іншими генами -- навіть до 46 до кілограмів з квадратного метра (у немодифікованих рослин урожай склав 20,7 кілограма з квадратного метра).

Інтенсивно використовуючи традиційні генно-інженерні підходи, можна домогтися підвищення якісних і споживчих властивостей сільськогосподарської продукції. Ведуться роботи і отримані обнадійливі результати по створенню тютюну без нікотину, арахісу, що не містить характерних для нього алергенів.

Ідея використання трансгенних рослин в якості «біореакторів» для виробництва різних цінних фармацевтичних сполук, так званих рекомбінантних протеїнів, постійно привертає увагу вчених. Японським дослідникам вдалося отримати рослини картоплі і тютюну з вбудованим геном людського інтерферону альфа, який застосовують для лікування людини від гепатиту С і деяких форм раку. Створено рослини тютюну з людським інтерлейкіном 10 (стимулятор імунітету), рослини арабідопсіса, що синтезують вітамін Е. Переваги таких «біофабрик» очевидні. Можна виробляти речовини, що були раніше дуже рідкісними і дорогими, практично в необмежених кількостях. При цьому не стоїть проблема їх ретельного очищення, як у випадку з генетично модифікованими мікроорганізмами. Та й можливості рослин в порівнянні з мікроорганізмами для біосинтезу специфічних для вищих організмів речовин істотно ширші, оскільки рослини набагато ближче до них в еволюційному плані. Відсутні ризики перенесення прихованих інфекцій, характерні для традиційних методів виробництва деяких препаратів шляхом виділення з трупного матеріалу, органів тварин або донорської крові.

Великий інтерес представляє використання трансгенних рослин в цілях отримання їстівних вакцин для підвищення стійкості організму людини до небезпечних захворювань. Для цього пропонується досить проста схема. У генетичний матеріал рослини переносять невеликий фрагмент ДНК якого-небудь патогена (найчастіше вірусу). В результаті в плодах такої трансгенної рослини утворюється певний протеїн, характерний для патогена. При поїданні цей протеїн може досягати тонкого кишківника, де відбувається його всмоктування в кров. Тут він виступає як чужорідний агент -- антиген, до якого організм виробляє завдяки природному механізму імунітету відповідні антитіла. Тепер у разі потрапляння в організм активних вірусних частинок їх чекає вже створена система оборони, яка здатна їх знешкоджувати. Використовуючи описану стратегію, вдалося отримати рослини бананів, поїдання плодів яких індукує утворення антитіл до вірусів папіломи, які можуть викликати у людей деякі форми раку.

Напрямки використання трансгенних рослин можуть бути зовсім несподіваними. Так, пропонується застосовувати їх для очищення грунту від забруднень нафтою і важкими металами. Для цього в них вбудовують відповідні гени від мікроорганізмів, здатних утилізувати і деградувати ці речовини. У царстві мікробів такі форми -- не рідкість. Рослини тютюну з подібними властивостями вже отримані. На черзі створення генетично модифікованих рослин, які можна використовувати безпосередньо в практичній діяльності, наприклад різних деревних порід. Рослини -- зручна система для виробництва їстівних вакцин. Виявилося, що аналогічний підхід можна використовувати для отримання вакцин, що володіють контрацептивною дією. Для цього в їх геном досить вбудувати гени, що кодують антигени статевих клітин (сперматозоїдів) або статевих гормонів. Поле застосування таких оральних контрацептивів дуже широке. Наприклад, пропонується використовувати їх для відносно дешевого і гуманного регулювання чисельності популяцій деяких диких тварин.

7.4 Генетична інженерія тварин

Незважаючи на те що перші трансгенні тварини були отримані більш 20 років тому, до цих пір на ринку немає жодної генетично модифікованої тварини для використання у господарській діяльності. Це пов'язано з певними технічними (складності отримання і розмноження), фінансовими, а іноді й етичними проблемами. Проте успіхи в генетичній інженерії тварин очевидні. Розроблено різні методи перенесення генів у генетичний матеріал тварин і отримані трансгенні особини у ссавців, нижчих хребетних і у безхребетних тварин. Створені ефективні технології клонування, засновані на заміні ядер у запліднених яйцеклітин. Вчені навчилися не тільки переносити в генетичний матеріал тварин окремі гени, але і «вимикати» або замінювати деякі конкретні гени.

Безумовно, основним напрямком досліджень в галузі генетичної інженерії тварин є виведення порід з підвищеною продуктивністю, стійкістю до хвороб, з яких можна отримувати продукцію з новими, привабливими для споживача якісними характеристиками. У цьому напрямку вже створені трансгенні форми різних видів риб, в геном яких доданий ген, що кодує біосинтез гормону росту. Завдяки цьому риби швидше ростуть, ефективніше, використовують корми. Трансгенні свині з доданим геном гормону росту більш м'язисті і менш жирні. Тобто з туші трансгенної свині можна отримати більше м'яса, ніж із звичайного, і менше сала.

Свині з доданим геном фітази (один з ферментів перетравлення їжі) ефективніше засвоюють корм за рахунок кращої засвоюваності фосфору, що виражається в посиленні їх росту. До того ж це дає можливість в меншій мірі забруднювати навколишнє середовище фосфатами. Трансгенні свиноматки з доданим їм геном в-лактальбуміну більш ефективно вигодовують своїх поросят.

Ряд проектів має на меті поліпшення споживчих властивостей продуктів, що виробляються тваринами або з тварин. Мова йде про поліпшення якості вовни овець, про виведення за допомогою генетичної інженерії порід великої рогатої худоби, в молоці якої знижена концентрація в-лактоглобуліну, основного його алергену, або змінено співвідношення окремих його білків (казеїнів і сивороточних протеїнів). Інший підхід полягає в модифікації окремих генів для поліпшення фізико-хімічних властивостей відповідних протеїнів молока з метою підвищення вмісту в ньому кальцію, зміни співвідношення окремих амінокислот, отримання молока, сир з якого дозріває в більш короткі терміни. Все це повинно істотно поліпшити споживчі та технологічні властивості коров'ячого молока. Виграють від цього і самі тварини, оскільки покращене молоко -- важливий фактор здоров'я телят, які вигодовуються ним. Багато з цих підходів вже реалізовані на модельних об'єктах (лабораторних мишах).

Поліпшення здоров'я домашніх тварин, підвищення їх стійкості до хвороб за допомогою методів генетичної інженерії має велике практичне і соціальне значення. Це не тільки дозволить підвищити їх продуктивність, зменшити витрати на лікування тварин (на що йде до 10-20 % від загальної суми витрат), але і знизить рівень вживання антибіотиків для їх лікування, ймовірність перенесення інфекцій від тварин до людини. Для вирішення даної проблеми використовуються три основні генно-модифікованих підходи:

· добавка генів, що підвищують стійкість до хвороб,

· «видалення» генів сприйнятливості до хвороб (knockout),

· заміна окремих генів тварини на аналогічні гени, які з більшою мірою сприяють активному протистоянню хвороби (knockin).

В цілому дослідження по цим трьом основним напрямам зі змінним успіхом проводяться на лабораторних тваринах. До обнадійливих результатів на сільськогосподарських тварин справа поки не дійшла.

У той же час конкретного практичного виходу слід очікувати вже найближчим часом в такому важливому напрямі генетичної інженерії, як використання тварин як «біореакторів» для виробництва фармацевтичних препаратів. Незважаючи на те що і рослини, і тварини на відміну від мікроорганізмів відносяться до царства еукаріотів, проте біологія рослинної і тваринної клітин таки істотно розрізняється. Тому для виробництва деяких тваринних рекомбінантних протеїнів більш доцільно все-таки використовувати тваринні організми, ніж рослинні. В даний час переконливо доведено, що за допомогою молочних залоз трансгенні тварини здатні виробляти всілякі протеїни, такі, як різні фактори крові, ферменти, моноклональні антитіла, колаген, фібриноген, шовк павуків і т.д. Розробляються й інші системи виробництва рекомбінантних білків, зокрема, великі перспективи пов'язують з системою яєчного білка курей.

8. Ситуація з ГМО в Україні

Українська система регулювання ГМО відносно нова і недосконала. Закон України «Про державну систему біобезпеки при створенні, випробуванні, транспортуванні та використанні генетично модифікованих організмів» був прийнятий 30 травня 2007 року. Протягом 2008-2009 рр. було врегульовано на законодавчому рівні багато важливих питань, включаючи ключові механізми реєстрації та маркування ГМО.

Необхідно зазначити, що сьогодні в Україні не існує єдиного державного органу, який би займався питаннями ГМО. Відповідно до Закону про біобезпеку повноваження щодо контролю та регулювання розподілені між п'ятьма органами виконавчої влади: Кабінетом Міністрів, Міністерством освіти та науки, Міністерством охорони навколишнього природного середовища, Міністерством охорони здоров'я та Міністерством аграрної політики.

Кабінет Міністрів передусім відповідає за розробку нормативно-правових актів на виконання Закону про біобезпеку. Міністерство освіти та науки регулює діяльність у сфері генетичної інженерії в закритих системах, у той час як Міністерство охорони навколишнього природного середовища регулює випробування ГМО у відкритих системах. Проведення екологічних експертиз ГМО належить до повноважень Міністерства охорони навколишнього природного середовища, у той час як Міністерство охорони здоров'я проводить санітарно-епідеміологічну експертизу ГМО перед прийняттям рішення про їх державну реєстрацію.

Загалом є три стадії розвитку та застосування ГМО: дослідження в закритій системі -- лабораторії, спеціальній теплиці, випробування -- висадження ГМО у відкритому ґрунті в рамках експерименту, а також комерціалізація. Закон про біобезпеку торкається всіх трьох стадій, але багато важливих деталей потребують уточнення в підзаконних актах.

Компанія, що має намір досліджувати та вивчати ГМО в закритій системі в Україні, повинна подати заяву на отримання дозволу до Міністерства освіти та науки України за процедурою, яку визначає Кабінет Міністрів. Згідно зі статтею 12 Закону про біобезпеку кожна компанія, яка здійснює генетично-інженерну діяльність, повинна створити власну комісію для попередньої оцінки ризиків. Тільки після цього компанія може отримати ліцензію на генетично-інженерну діяльність або відмову.