в чем плюсы гмо
Плюсы, минусы и особенности ГМО
Споры о ГМО продолжаются на протяжении десятилетий, то затухая, то разгораясь с новой силой. Человечество давно и прочно разделилось на два лагеря – яростных защитников и таких же яростных противников.
— Продукты с ГМО спасут человечество от голода
Так, что же это за зверь такой, который вызывал настоящую панику, подогретую СМИ и Интернетом? И так ли он опасен на самом деле?
Генетически модифицированный организм – это организм, в генотип которого искусственным путем (в основном методами генной инженерии) были введены алломорфические гены другого живого организма. Другим словами, генетический материал искусственно изменяется или путем скрещивания, или в результате рекомбинации. Таким образом, речь может идти о трансгенных или цисгенных организмах. Те и те генетически модифицированы. Но трансгены обязательно содержат гены другого организма, а при создании цисгенов используется ДНК того же вида и этот тип ГМО принято считать менее опасным. Понятие ГМО используется по отношению к микроорганизмам, растениям и животным. 
Больше всех возмущаются по поводу ГМО «зеленые». Но они же протестуют против вырубки лесов и загрязнения окружающей среды. В настоящее время проходят испытания новые породы деревьев, выведенные с помощью ГГМО и отличающиеся ускоренным ростом и повышенным содержанием целлюлозы. Что же касается вечной боли «Green Pease» — нарушения озонового слоя и прочее, то испытываются ГМО-бактерии, производящее экологически чистое и дешевое, к тому же, топливо. 
Новые, необыкновенные расцветки роз и пионов, кошки, не вызывающие аллергии, аквариумные рыбки, светящиеся в темноте, — появились на свет с помощью ГМО.
Все перечисленное выше – сферы успешного применения генетически модифицированных организмов. Это не хорошо и не плохо, просто данность нашего времени. Как и все в мире, ГМО имеет свои плюсы и минусы.
Плюсы ГМО
Минусы ГМО
С плюсами разобрались. С минусами все несколько сложнее. ГМО, несмотря на раздутую с СМИ шумиху, нельзя назвать однозначно вредными. Сейчас их принято считать потенциально опасными. Для полного выяснения вреда ГМО нужны длительные и дорогостоящие опыты. Были опубликованы данные исследований Арпада Пуштаи, Жиля-Эрика Сералини и Ирины Ермаковой о взаимосвязи возникновения раковых опухолей у крыс, получавших в качестве лабораторного питания продукты-ГМО. Но при внимательном их изучении, становится ясным, что при их проведении научной чистоты эксперимента соблюдено не было. Но, подтверждены исследования французских ученых о токсичности генно-модифицированной кукурузы.
Одно из самых распространенных заблуждений – «экологический чистый продукт, выращенный на лучших селекционных площадках». Современная селекция (в частности, метод Tiling) предполагает использование токсических веществ, облучение рентгеновскими лучами и радиацией. Это, в свою очередь вызывает изменение генокода, и никто не в состоянии отследить, какие последствия или какие мутации это может вызвать.
И все же есть предполагаемые негативные последствия употребления ГМО.
Заключение
Как бы там ни было с одной стороны, постоянно увеличивается площадь посевов трансгеннных растений, с другой – в Японии, Китае, странах ЕС введена обязательная маркировка продуктов, содержащий генно-модифицированные организмы. Италия ввела запрет на детское питание с содержанием ГМО, в Сербии действует уголовная ответственность за несоблюдение правил маркировки таких продуктов. Самым оптимальным вариантом, по мнению многих ученых, является «мирное сосуществование» трансгенных и обычных растений и животных, а уж потребитель сам должен выбирать, каким видом продукции ему пользоваться. Следует помнить, что абсолютно безопасных продуктов не существует.
ГМО: плюсы и минусы (на основе научных исследований)
ГМО – генетически модифицированные организмы – вызывает много споров.
По данным Министерства сельского хозяйства США (USDA), семена ГМО используются для посадки более 90% всей кукурузы, хлопка и сои, выращиваемых в Соединенных Штатах Америки – это означает, что многие продукты, которые производятся в США, содержат ГМО (1).
Хотя большинство известных организаций и исследований заявляют, что ГМО-продукты безопасны и устойчивы, некоторые люди утверждают, что они могут нанести вред вашему здоровью и окружающей среде.
Эта статья помогает объяснить, что такое ГМО и дает сбалансированное объяснение их плюсов и минусов.
Что такое ГМО?
Название генетически модифицированный организм, сокращенно «ГМО», относится к любому организму, ДНК которого была модифицирована с использованием технологии генной инженерии.
В пищевой промышленности генетически модифицированные культуры имеют гены, добавленные к ним по различным причинам, таким как улучшение их роста, пищевой ценности, устойчивости к вредителям и простоты ведения сельского хозяйства (2).
Хотя можно естественным образом придать пище желательные характеристики посредством селекционного разведения, этот процесс занимает много поколений. Кроме того, заводчики могут изо всех сил пытаться определить, какие генетические изменения привели к появлению новой особенности.
Генетическая модификация значительно ускоряет этот процесс благодаря использованию научных методов, которые придают растению определенную желаемую особенность.
Например, одной из наиболее распространенных ГМО-культур является кукуруза Bt, которая генетически модифицирована для производства инсектицида Bt токсина. Вырабатывая этот токсин, кукуруза способна противостоять вредителям, снижая потребность в пестицидах (3).
ГМО культуры невероятно распространены в США – по крайней мере 90% сои, хлопка и кукурузы выращиваются с помощью генетических методов (4).
На самом деле, по оценкам, до 80% продуктов в супермаркетах содержат ингредиенты, полученные из генетически модифицированных культур.
Хотя ГМО-культуры значительно облегчают сельское хозяйство, существует некоторая обеспокоенность в связи с их потенциальным воздействием на окружающую среду и их безопасностью для потребления человеком, особенно в отношении болезней и аллергий (5).
Тем не менее Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA), Агентство по охране окружающей среды США (EPA) и USDA утверждают, что ГМО безопасны для потребления человеком и животными (6).
ГМО – это продукты питания, которые были сделаны с использованием методов генной инженерии. Они составляют 90% сои, хлопка и кукурузы, выращиваемых в США, и считаются безопасными для потребления человеком.
Преимущества ГМО продуктов
ГМО продукты могут иметь несколько преимуществ, как с точки зрения производителя, так и с точки зрения потребителя.
Для начала, многие ГМО-культуры были генетически модифицированы для экспрессии гена, который защищает их от вредителей и насекомых.
Например, ген Bt обычно генетически вносится в такие культуры, как кукуруза, хлопок и соя. Он происходит из естественных бактерий, известных под названием Bacillus thuringiensis.
Этот ген производит белок, который токсичен для нескольких вредителей и насекомых, что придает растениям ГМО естественную устойчивость к ним. Таким образом, ГМО-культуры не нуждаются в частом воздействии вредных пестицидов (7).
Фактически, анализ 147 исследований, проведенных в 2014 году, показал, что технология ГМО позволила сократить использование химических пестицидов на 37% и повысить урожайность на 22% (8).
Другие ГМО культуры были модифицированы генами, которые помогают им выживать в стрессовых условиях, таких как засухи, и противостоять болезням, таким как гниение, что приводит к более высокой урожайности (9, 10, 11).
Вместе эти факторы помогают снизить затраты для фермеров и потребителей, поскольку это позволяет повысить урожайность и рост в более жестких условиях.
Кроме того, генетическая модификация может увеличить пищевую ценность продуктов. Например, рис с высоким содержанием бета-каротина, также называемый золотым рисом, был разработан, чтобы помочь предотвратить слепоту в регионах, где местные жители хронически испытывали дефицит витамин A (12).
Кроме того, генетическая модификация может использоваться просто для улучшения вкуса и внешнего вида продуктов (13).
Кроме того, текущие исследования показывают, что ГМО продукты безопасны для потребления (14).
ГМО продукты проще и дешевле выращивать фермерам, что делает их дешевле для потребителя. Генетическая модификация может также улучшать пищевую ценность, вкус и внешний вид пищевых продуктов.
Безопасность и опасения
Хотя текущие исследования показывают, что ГМО продукты безопасны, существует некоторая обеспокоенность по поводу их долгосрочной безопасности и воздействия на окружающую среду (14).
Вот некоторые из ключевых проблем, связанных с потреблением ГМО.
Аллергии
Есть опасения, что ГМО-продукты могут вызвать аллергическую реакцию.
Это связано с тем, что ГМО-продукты содержат чужеродные гены, поэтому некоторые люди беспокоятся о том, что они содержат гены в продуктах, которые могут вызвать аллергическую реакцию.
Исследование середины 1990-х годов показало, что добавление белка из бразильских орехов в ГМО-сою может вызвать аллергическую реакцию у людей, чувствительных к бразильским орехам. Однако после того, как ученые обнаружили это, они быстро отказались от этого ГМО-продукта (15).
Хотя беспокойство по поводу аллергии на ГМО существует, в настоящее время на рынке нет сообщений об аллергических реакциях на ГМО-продукты.
Согласно FDA, чтобы убедиться, что аллергены не переносятся из одного продукта в другой исследователи, разрабатывающие ГМО-продукты, проводят тесты (16).
Кроме того, исследования показали, что ГМО-продукты не вызывают аллергию чаще, чем их аналоги без ГМО (17).
Тем не менее если у вас аллергия на сою, то ГМО и не содержащие ГМО соевые продукты вызовут аллергическую реакцию.
Раковые заболевания
Точно так же существует общая обеспокоенность тем, что ГМО-продукты могут способствовать прогрессированию рака.
Поскольку рак вызван мутациями ДНК, некоторые люди боятся, что употребление в пищу продуктов с добавленными генами может повлиять на их ДНК.
Это беспокойство может быть частично связано с ранним исследованием на мышах, которое связало потребление ГМО с более высоким риском опухолей и ранней смерти. Однако позднее это исследование было отозвано, поскольку оно было плохо спроектировано (18, 19, 20).
В настоящее время исследования на людях не связывают потребление ГМО с раковыми заболеваниями.
Американское онкологическое общество (ACS) заявило, что нет никаких доказательств, чтобы можно было связать потребление ГМО-продуктов с повышенным или пониженным риском развития рака (21).
Тем не менее никаких долгосрочных исследований на людях не существует. Таким образом, необходимы более долгосрочные исследования на людях.
Другие проблемы окружающей среды и здоровья
Хотя ГМО-культуры удобны для фермеров, существуют экологические проблемы.
Большинство ГМО культур устойчивы к гербицидам, таким как Раундап. Это означает, что фермеры могут использовать Раундап, не опасаясь, что он нанесет ущерб их собственным культурам.
Раундап и его активный ингредиент глифосат являются предметом споров, поскольку исследования на животных и в пробирках связывают их с различными заболеваниями (25, 26, 27).
Тем не менее обзор многочисленных исследований показал, что низкие количества глифосата, присутствующего в ГМО-продуктах, безопасны для потребления человеком (28).
ГМО-культуры также позволяют использовать меньше пестицидов, что положительно влияет на окружающую среду.
Тем не менее необходимы более долгосрочные исследования на людях.
Основные проблемы, связанные с ГМО, включают аллергию, рак и экологические проблемы, которые могут повлиять на потребителя. В то время как текущие исследования указывают на незначительный риск, необходимы более долгосрочные исследования.
Подведем итог
ГМО – это продукты, которые были модифицированы с использованием генной инженерии.
Большое количество продуктов в вашем местном супермаркете содержат ГМО-ингредиенты, потому что они проще и экономичнее для фермеров, что делает их дешевле для потребителя.
Продукты, выращенные с использованием методов ГМО, включают кукурузу, сою, рапс, сахарную свёклу, люцерну, хлопок, картофель, папайю, тыкву и несколько сортов яблок.
Хотя текущие исследования показывают, что ГМО продукты безопасны для потребления, некоторые люди обеспокоены их потенциальным воздействием на здоровье. Из-за отсутствия долгосрочных исследований на людях необходимы дополнительные исследования.
Материал основан на научных данных. Цифры в скобках (1, 2, 3) являются интерактивными ссылками на рецензируемые научные статьи. Подготовлен специалистами исключительно в ознакомительных целях. Его не следует использовать в качестве руководства для лечения заболеваний, и он не может заменить профессиональную медицинскую консультацию, диагностику или лечение. В случае заболевания или каких-либо симптомов, вам не следует заниматься самолечением и всегда следует обращаться к врачу.
Эта статья была полезна для вас? Поделитесь ей с другими!
Преимущества и риски использования генетически модифицированных продуктов питания
ГМО – что это такое? Какие риски? Они действительно так опасны, как говорят? Давайте погрузимся в тему генетически модифицированных организмов и узнаем все их плюсы и минусы.
Что такое ГМО – генно-модифицированные организмы
Генетически модифицированные организмы – это организмы, чей геном был изменён путём добавления или удаления генов, с помощью современных методов генной инженерии.
Все живые организмы, от бактерий и животных до человека имеет набор генов, с помощью которых организм хранит информацию. Геном – это совокупность генов.
Каждый ген представляет собой фрагмент ДНК. ДНК – это место хранения генетической информации и она является уникальной для каждого человека. Каждый из нас имеет свою собственную комбинацию генов, которая является уникальной. Исключением являются близнецы, то есть люди, развившиеся из одной оплодотворенной яйцеклетки.
Можно также говорить о трансгенезе, поэтому ГМО также как называют трансгенными организмами.
Как создают организмы ГМО
Для того, чтобы получить организм ГМО, применяется две стратегии:
Стратегия добавления гена, также называется рекомбинантной ДНК-технологией. Если говорить тривиально, то берут ген (который отныне называют трансген), который представляет собой часть ДНК, и его «закрепляют» на другом кусочке ДНК, называемый вектором. Вектор, содержащий трансген, вставляется в клетку, которую хотят изменить. Вектор содержит все элементы, необходимые для того, чтобы трансген передал клетки функции и черты, которых раньше у неё не было.
Удаление гена может быть выполнено несколькими способами. Один из методов, наиболее часто используемый, осуществляется также с использованием «вектора»: только ген, который мы хотим деактивировать, закрепляется в обратном направлении. Для генов очень важное значение имеет их точная направленность (начало и конец). Если с помощью вектора мы подменим нормальный ген на обратно расположенный, то он «выключиться».
Другой широко используемый метод инактивации гена заключается в использовании молекулы siRNA, которые, будучи специально подготовленной, подавляет работу соответствующего гена.
Ещё один способ изменения генома клетки, – слияние двух клеток, чтобы их гены смешались, дав начало новому геному.
Не вдаваясь слишком подробно в детали механизмов, которые приводят к активации или инактивации генов, в конце концов, мы получим клетку, которая имеет новые характеристики. Эти клетки затем эмбриональным путём развивают до полноценных ГМО или трансгенных организмов.
Основные области применения ГМО:
Применение в окружающей среде:
Генетически модифицированные продукты – реальность
Генетически модифицированные продукты стали частью нашей жизни и всё чаще используются в промышленном производстве продуктов питания.
Посмотрим на некоторые примеры продуктов питания с ГМО:
Кто-то может сказать: «Мы окружены ГМО продуктами!». Однако, достаточно внимательно читать этикетки, чтобы выяснить, содержит продукт ГМО или нет!
Плюсы и минусы трансгенных организмов
ГМО продукты по-прежнему вызывают у потребителей серьёзные опасения. Основной проблемой является то, что многие считают, что добавленные гены модифицированных растений могут также легко перейти на ДНК человека.
Однако, нужно сказать, что в природе уже давно существуют механизмы передачи генетического материала. Генная инженерия не придумала ничего нового.
Давайте посмотрим, какие основные страхи связаны с ГМО и постараемся развеять некоторые мифы:
Но ГМО нельзя рассматривать только в свете возможных рисков, так как они приносят бесчисленное множество преимуществ:
Доводы в пользу ГМО продуктов
Против ГМО продуктов
Законодательства о ГМО
На основе рисков, связанных с потреблением ГМО, очевидно, что их использование должно быть регламентировано.
В мировом законодательстве уже сформировалось несколько основополагающих принципов контроля за ГМО продуктами:
Как устроены ГМО и почему мы их так боимся
Что такое ГМО?
ГМО — генетически модифицированные организмы — это организмы, в ДНК которых были целенаправленно внесены изменения при помощи методов генной инженерии. То есть им были переданы отдельные гены от другого организма, не обязательно родственного. Обычно таким способом улучшают свойства растений и микроорганизмов, реже — животных или придают им совершенно новые характеристики.
Почему вокруг ГМО так много заблуждений?
По данным ВЦИОМ, больше 80% россиян настроены против ГМО. Подобные опросы проводились также в США, Франции и Германии. В этих странах около 90% населения также негативно относятся к искусственной модификации генома. Один из главных аргументов противников ГМО — какое-либо вмешательство в ДНК противоестественно. А значит, употребление в пищу ГМО-растений и продуктов может вызвать у человека опасные мутации и, как следствие, болезни.
При этом, согласно исследованию британских ученых, ярые противники ГМО гораздо хуже, чем их оппоненты, разбираются в базовых биологических понятиях, не говоря о генетике. По этой причине большинство респондентов неверно представляют себе, что вообще такое вмешательство в геном. На самом деле наука занимается этим достаточно давно. Еще в XVI веке первые агрономы-испытатели, не зная законов генетики, создавали растения-гибриды, отбирая для посева те сорта, которые были устойчивы к вредителям и приносили больше урожая. Это называется селекцией. С развитием науки были изобретены более совершенные методы — в частности, генная инженерия. Она позволила ученым в три раза ускорить процесс выведения новых сортов, или новых полезных свойств растений. Впрочем, даже используя такие современные и точные методы генетики, как, например, CRISPR/Cas9, невозможно создать такой генно-модифицированный продукт, который через кишечник человека смог бы встроиться в его ДНК. Более того, механизма, который позволил бы осуществить перенос генов таким образом, попросту не существует.
Ситуацию усугубляют и псевдонаучные публикации, которые содержат некорректные данные о ГМО, или же неверно их трактуют. Например, в феврале 2019-го в журнале Food and Chemical Toxicology вышел обзор о том, как генно-модифицированные продукты усваиваются человеческим организмом. В кратком содержании авторы пишут: «Убедительные свидетельства показывают наличие ДНК из еды (также генно-модифицированной еды) в крови и тканях человека и животных».
Однако если вчитаться в текст обзора, становится понятно, что на самом деле исследователи не нашли никаких тревожных признаков: в крови испытуемых не было повышенной концентрации трансгенной ДНК.
Наконец, мифы о ГМО успешно распространяются и на государственном уровне. К примеру, авторы сайта Центра гигиены и эпидемиологии при Роспотребнадзоре пишут об опасности ГМ-продуктов, ничем не подкрепляя эти заявления.
Одно из очевидных объяснений подобных предрассудков — банальная научная безграмотность противников ГМО или работа с некорректными источниками информации.
Правда ли, что ГМО — это вредно?
Существует множество исследований, которые доказывают, что ГМ-продукты безопасны. Например, доклад Национальных академий наук, техники и медицины США от 2016 года свидетельствует, что такие продукты не только не вредны, но даже полезны для человека. Авторы изучили более 900 научных работ, опросили 80 экспертов из различных областей, еще 26 привлекли к рецензированию доклада. В основном все проанализированные исследования касались двух типов ГМ-растений: устойчивых к насекомым и к химическим удобрениям. Данные за последние 20 лет показали, что эти сельхозкультуры никак не повлияли на людей и животных, которые ими питались.
Прежде, чем вывести ГМ-продукт на рынок, ученые проводят многолетние испытания. Они наблюдают, как ведут себя трансгены и продукты генной экспрессии, не вызывают ли они аллергии или отравления. Международное законодательство требует, чтобы каждый такой товар проходил жесткую проверку на безопасность для людей, животных и окружающей среды. Кроме того, в ЕС такие продукты отслеживают еще и годы спустя, чтобы выявить возможные отложенные риски.
Пока существует только два вероятных риска, связанных с применением ГМО, о которых, в частности, говорит ВОЗ:
Как ГМО двигает науку и медицину
Сегодня ГМО используют в двух главных сферах: сельское хозяйство и медицина.
Практически все продукты растительного происхождения на нашем столе — с измененными генами. Благодаря этому они дают больше урожая, приспосабливаются к суровому климату и недостаткам почвы, противостоят вредителям. Но главное — они становятся лучше на вкус, содержат больше полезных веществ и приобретают новые ценные свойства. Например, золотой рис — генетически модифицированный сорт риса с повышенным содержанием витамина А. Существует также особый сорт моркови, который содержит вакцину от туберкулеза.
Какое будущее у ГМО?
Несмотря на все сложности с разработкой и проверкой на безопасность, ученые уверены: в будущем человечеству не обойтись без трансгенных растений и продуктов. Мы сможем предотвращать голод или массовый неурожай, а также минимизировать вред для экологии: ГМО-растения можно реже поливать и возделывать беспахотным способом. Это позволит не только экономить воду, но и уменьшать парниковый эффект за счет снижения теплового излучения пашни. Кроме того меньшее количество сельхозтехники на полях поможет контролировать выбросы углекислого газа в атмосферу.
Вот несколько примеров того, на что способна генная инженерия:
Еще раз про ГМО
Художественное представление того, как генные инженеры редактируют геном.
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Пожалуй, трудно придумать еще одну биологическую проблему, которую бы так активно обсуждали в СМИ, вагоне метро и очереди за батоном. ГМО. Эти три буквы, увы, пугают и вызывают недоверие. Хочется еще раз расставить все точки над «ё» и разобраться в том, зачем нужны ГМО, каковы плюсы современных генно-инженерных технологий и с какими трудностями и мерами предосторожности они связаны.
«Био/мол/текст»-2016
Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «био/мол/текст»-2016.
Генеральным спонсором конкурса, согласно нашему краудфандингу, стал предприниматель Константин Синюшин, за что ему огромный человеческий респект!
Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма «Атлас».
Спонсор публикации этой статьи — Юрий Викторович Лошкарев.
Что такое ГМО?
Итак, сайт «Википедия» дает следующее определение ГМО: «ГМО (генетически модифицированный организм) — организм, генотип которого был искусственно изменен при помощи методов генной инженерии. Это определение может применяться для растений, животных и микроорганизмов. Генетические изменения, как правило, производятся в научных или хозяйственных целях. Генетическая модификация отличается целенаправленным изменением генотипа организма в отличие от случайного, характерного для естественного и искусственного мутационного процесса».
Стόит сказать пару слов о том, с чего началась история ГМО. 1973 год можно считать годом рождения генной инженерии. Тогда в лаборатории Стэнли Нормана Коэна научились «комбинировать и трансплантировать» гены: в клетки E. coli начали вводить рекомбинантные кольцевые ДНК (плазмиды) [1]. Эти эксперименты показали, что определенные гены, включенные в плазмиду, можно запросто доставить в другой организм, где они будут работать. Но использовать эту технологию в медицине и сельском хозяйстве стали далеко не сразу: первый рекомбинантный препарат появился в 1982 году, а первая сельскохозяйственная культура — в 1992. Почему же к этой технологии отнеслись с такой осторожностью?
Научный журналист Ася Казанцева пишет в своей книге «В интернете кто-то не прав»: «Слышали ли вы когда-нибудь, чтобы производители мобильных телефонов или газированных напитков проводили научные конференции, посвященные тому, что мобильные телефоны или газированные напитки могут быть опасны? А создатели ГМО с этого начали». Дело в том, что в 1975 году в Калифорнии прошла Асиломарская конференция, на которой ученые совместно с представителями общественности обсуждали возможные риски, связанные с рекомбинантными ДНК и их хозяевами. В итоге был принят свод правил, регламентирующих работу с генетическими конструкциями разного происхождения. В частности, генным инженерам предписывалось по максимуму использовать биологические барьеры, предотвращающие распространение рекомбинантных ДНК за пределами популяций их лабораторных хозяев, а заодно и соблюдать меры предосторожности, утвержденные для работы с патогенами. Эти предписания и вообще вынос дискуссии за пределы научной среды в определенной мере создали преграды на пути развития генной инженерии [2].
Рецепты от матушки-природы
На самом деле, мы не первые, кто придумал ГМО. Существуют и природные генные инженеры — например, Agrobacterium tumefaciens (ныне — Rhizobium radiobacter). Дело в том, что у этой бактерии есть своя кольцевая ДНК, Ti-плазмида (от tumor-inducing — онкогенная), особый участок которой — Т-ДНК (от transfer DNA — переносимая ДНК) — может встраиваться в геном растений, вызывая бурное деление клеток корня и формирование опухолей — корончатых галлов, выделяющих ценные для бактерии-паразита питательные вещества, опины. Помимо Т-ДНК, Ti-плазмида содержит гены, кодирующие белки, которые образуют канал между бактерией и растением для протаскивания в растительную клетку Т-ДНК. Сама же бактерия и ее огромная (>200 т.п.н.) Тi-плазмида внутрь клетки не проникают. Так растительная клетка, ничего не подозревая, включает в свой геном фрагмент чужеродной ДНК, а затем клетка делится и передает Т-ДНК по наследству своим потомкам.
Как известно, лень — двигатель прогресса. Зачем выдумывать велосипед, когда есть готовая природная генная конструкция. Биотехнологи берут плазмиду A. tumefaciens, вырезают из нее онкогены и вставляют нужные им (целевые) последовательности. Обманутая бактерия добросовестно встраивает модифицированную T-ДНК в растительную клетку и ждет, что та начнет делиться и производить опины. Но вместо этого растение производит то, что нужно человеку. Например, с помощью такого «коварного» подхода удалось получить устойчивую к засухе кукурузу MON87460. В эту кукурузу был введен ген cspB, отвечающий за производство белка, который стимулирует транскрипцию генов, необходимых для преодоления стрессов (засухи в частности), а главное — играет роль РНК-шаперона, облегчающего синтез белков путем «распутывания» мешающих вторичных структур РНК. Потребителю же должно быть приятно то, что по вкусу трансгенные кукурузные початки никак не отличаются от обычных [2]. История жестокого обмана бактерии отражена на рисунке 1.
Рисунок 1. Как ученые обманывают Agrobacterium tumefaciens. Описание дано в тексте статьи.
Главный недостаток так называемой агробактериальной трансформации — невозможность контролировать, в какое именно место растительной ДНК встроится новая конструкция. Но сейчас появилась новая технология, позволяющая контролировать этот процесс, — CRISPR/Cas9, — и на ней обязательно нужно остановиться.
CRISPR/Cas9. По образу и подобию хромосомному
Это одна из самых модных технологий, позволяющих редактировать геном «в режиме онлайн». Интересно то, что эту систему мы тоже позаимствовали у бактерий. Скажем несколько слов об истории ее открытия.
В 1987 году японские ученые обнаружили в геномах бактерий участки с регулярной структурой — короткие одинаковые последовательности чередовались с уникальными фрагментами, которые у разных бактерий даже одного вида не имели ничего общего. Такие участки назвали CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) [3]. Оказалось, что система CRISPR, как это ни удивительно, играет у бактерий роль приобретенного иммунитета. Если в бактерию проникает вирус (фаг), она вырезает фрагмент вирусной ДНК и встраивает его в собственный геном, а именно — в CRISPR-локус. Так формируются спейсер, а заодно — и очередной повтор, отделяющий новый спейсер от предыдущего. По спейсеру бактерия затем строит РНК-зонд (по-научному — РНК-гид), соединяющийся с Cas-белком и плавающий в клетке в поисках комплементарных нуклеиновых кислот (протоспейсеров). В том случае, если таковые найдены, то есть снова вторгся тот же фаг, начинает работать белок-ножницы Cas — эндонуклеаза, которая разрезает распознанные последовательности, а следовательно, блокирует размножение вируса [2]. Иными словами — если бактерия повторно встретится с вирусом, фрагмент которого встроен в ее геном, она будет устойчива к этой инфекции.
Наиболее просто из систем CRISPR/Cas устроены системы II типа, где эффекторным (уничтожающим мишень) белком служит Cas9 (рис. 2). Такой механизм характерен, например, для бактерии Streptococcus pyogenes. В бактериальном иммунном контроле обычно помимо Cas-эффекторов задействованы «патрульные» белки Cas1 и Cas2, которые в комплексе распознают нарушителя клеточных границ и интегрируют его фрагмент в самое начало (ближе к промотору) CRISPR-локуса — «на память». В системах II типа Cas9, видимо, участвует и в процессе приобретения спейсеров, помогая Cas1/Cas2 выбрать наиболее подходящие фрагменты [4].
Рисунок 2. Упрощенное представление функций компонентов системы CRISPR. Описание дано в тексте статьи.
сайт dailycal.org, рисунок адаптирован
Из вышесказанного становится ясно, почему иммунитет CRISPR адаптивный: он совершенствуется и учится противостоять новым типам инфекции. Это подчеркивается еще и снижением эффективности спейсеров по мере их удаления от промотора CRISPR-локуса: если многие поколения бактерий давно не сталкивались с тем или иным агентом, снижается «напряженность иммунитета» к нему. CRISPR — это интересный пример эволюции по Ламарку: события жизни организма непосредственно влияют на его ДНК, изменяя ее так, что организм становится более приспособленным [3].
Рассмотрим на конкретном примере, как бактерии борются с вирусами. Вот, например, бактерия Streptococcus thermophilus используется для получения молочнокислых продуктов, но, к сожалению, она страдает от различных вирусных инфекций. Не случайно именно на этом модельном организме провели ключевые эксперименты по уточнению функции CRISPR-систем. Если живую культуру S. thermophilus заражали бактериофагами, то большинство бактерий погибало, но очень небольшая часть выживала. Чем же выжившие отличались от изначальной культуры? Оказалось, что их геном стал длиннее на 0,01% за счет того, что в CRISPR-последовательность добавились 1–4 новых фрагмента (спейсера). При повторном заражении этой культуры теми же вирусами все клоны выживали. Как будто, переболев вирусной инфекцией, бактерия стала немного опытнее и записала себе в «медицинскую карту» что-то важное об этом вирусе, и такая инфекция ей теперь не страшна. Если же ученые специально вырезали из вирусного генома небольшие фрагменты и вставляли их в виде новых спейсеров, то клетка оказывалась невосприимчивой к исходному вирусу, даже если никогда раньше с ним не встречалась.
Эта серия простых и изящных экспериментов на S. thermophilus полностью подтвердила гипотезу об иммунной функции CRISPR-систем. Благодаря полярной манере включения новых спейсеров, CRISPR-кассеты можно буквально читать как историю взаимоотношений прокариот и их паразитов в определенном эволюционном промежутке. CRISPR — это не только иммунитет, но еще и память о недавних победах прокариотической клетки [5].
Какую же практическую пользу из этой системы смог извлечь человек? Как вообще она работает в клетках эукариот? Если просто запустить CRISPR/Cas9 в клетку, эта система разрежет обе цепи ДНК в месте, которое укажет специально сконструированный РНК-гид, но разрез залатают обычные клеточные репарационные машины — путем негомологичного соединения концов (non-homologous end joining, NHEJ) либо гомологичной рекомбинации — если есть матрица с флангами, комплементарными участкам ДНК с двух сторон от разрыва, произойдет «заштопывание по шаблону». Это означает, что в зависимости от целей человека можно устроить в нужном месте делецию — «выключить» проблемную область генома — или «подставить» матрицу с нужными свойствами, чтобы просто заместить, например, мутантный, патологический вариант гена нормальным.
MCR, «за» и «против»
Рисунок 3. История мораториев в биологии. В 1975 году был введен мораторий на исследования рекомбинантных ДНК, в 1997 — на клонирование человека, в 2012 — на эксперименты по изменению свойств (вирулентности) вируса «птичьего» гриппа.
И это еще не всё. Можно сделать так, чтобы клетка «починенную» хромосому воспринимала как образец для ремонта второй хромосомы. В 2015 году ученые из Калифорнийского университета для апробации метода в качестве «заплатки» использовали саму кассету CRISPR/Cas9, которая затем экспрессировалась X-хромосомой мух и модифицировала гомологичную хромосому. В итоге потомству передавались уже измененные хромосомы, и инсерция CRISPR/Cas9 из поколения в поколение «саморазмножалась», замещая нормальные аллели. Этот метод получил название «мутагенная цепная реакция» (mutagene chain reaction, MCR) [6].
В Nature Эдвард Ланфир, один из исследователей ZF-нуклеаз (белков-ножниц, содержащих ДНК-связывающий домен «цинковые пальцы»), и его коллеги призвали к мораторию на любые эксперименты, касающиеся редактирования генов эмбрионов человека или половых клеток: «Стоит ли испытывать судьбу, даже если будет заметен терапевтический эффект от модификации зародышевых клеток? Мы готовы вступить в открытую дискуссию на тему дальнейших исследований в этой области». К слову, в биологии уже написана целая история мораториев на различные исследования (рис. 3). Но вернемся к CRISPR. Некоторое время спустя группа ученых выступила с предложением избегать попыток модификации клеток зародышевой линии человека, но поддержала идею работы с клетками человека в том случае, если они не участвуют в развитии и поддержании беременности (например, соматических клеток) [8].
Теперь стόит затронуть перспективы использования этой технологии. MCR может позволить, например, создать комаров, неспособных переносить малярию и лихорадку Денге. Появится возможность быстро выводить линии мышей со множественными мутациями для лабораторных исследований и не тратить время на тщательный скрининг [6]. Помимо этого, есть работы по тестированию CRISPR/Cas9 на мышах с целью лечения миодистрофии Дюшенна [9]. Тем не менее существуют опасения, что мы просто не знаем о возможных побочных эффектах таких изменений половых и эмбриональных клеток, в связи с чем и был предложен мораторий.
Почему ГМО полезны?
Ограничимся некоторыми яркими прикладными примерами, имеющими отношение к экологии, питанию и материалам.
«Эко-свинка»
На первый взгляд может показаться, что между свиньями, фосфором и экологическими катастрофами нет ничего общего. Но это не так. Существует серьезная сельскохозяйственная проблема: свиньи не могут усваивать большую часть фосфора в комбикормах, так как он представлен в форме фитатов, солей фитиновой кислоты. Неусвоенный фосфор в составе свиного навоза в конце концов попадает в водоемы, в которых начинается бурное размножение водорослей — они-то с радостью едят фитаты. Из-за токсичных продуктов обмена водорослей погибают рыбы и другие водные организмы. В общем, катастрофа. Но генные инженеры предложили проект «Эко-свинка». К сожалению, он пока так и остался проектом, не вышедшим на рынок. Но идея очень красивая. Речь идет о генетически модифицированных свиньях, способных усваивать фитаты. Идея заключалась в том, чтобы встроить в геном свиней ген, который кодирует фермент, необходимый для расщепления фитатов (а взять его можно у той же E. coli) [10]. Будем надеяться, что когда-нибудь ученые облегчат свиньям жизнь 🙂
Стальная коза, трансгенный хлопок, суперсладость и кошерный сыр
А теперь рассмотрим примеры полезных ГМО, никак не связанные между собой: просто они красивые, и захотелось о них рассказать. В 2002 году в Science появилась статья о том, что генетически модифицированные клетки млекопитающих могут производить паутину. Канадская фирма Neхia вывела коз, в геном которых был встроен ген белка паутины. Оказалось, что молоко таких коз можно использовать для получения биостали, которая даже прочнее кевлара — материала, из которого делают современные бронежилеты [10].
Но генная инженерия помогает создавать не только новые материалы, но и успешно выращивать старые. Еще 1997 году в Китае приступили к выращиванию генно-модифицированного хлопчатника, снабженного гéном бактерии Bacillus thuringiensis. Белок Cry1Ac, кодируемый этим геном, токсичен только для гусениц некоторых бабочек и, по-видимому, безвреден для всех остальных животных, включая человека. Это привело к снижению численности популяции хлопковой совки — опасного вредителя многих сельскохозяйственных культур. В результате в выигрыше оказались не только производители хлопка, но и крестьяне, выращивающие сою, кукурузу, арахис и различные овощи [11].
Что касается сладкого, то существует такое растение, как Thaumatococcus daniellii, и у него есть ген, кодирующий белок тауматин, который в тысячи раз слаще сахара! Сейчас ведутся работы по созданию микроорганизмов и растений, производящих этот белок. Помимо сладости, тауматин увеличивает устойчивость растений к ряду инфекций [10].
Ну и напоследок — про кошерный сыр. Известно, что для приготовления обычного сыра ранее использовался фермент, выделяемый из сычуга — одного из отделов пищеварительного тракта жвачных животных. Но теперь биотехнологи встроили гены сычужных ферментов в геном бактерий, предоставив возможность получать кошерный сыр. Кажется, это редкий пример сотрудничества науки и религии [10].
Меры предосторожности
С одной стороны, приведенные выше примеры полезности ГМО — «песчинка как в морских волнах, как мала искра в вечном льде». Но с другой стороны, у любой технологии есть свои проблемы, связанные с вопросами этики и безопасности. Выше уже шла речь о моратории на использование CRISPR/Cas9 в отношении человеческих эмбрионов. В экспериментах на обезьянах показано, что из десяти отредактированных с помощью этой системы эмбрионов рождается, увы, не больше половины [8]. Что касается использования ГМО, то здесь больше всего опасаются реакций на продукт, которые не всегда возможно предусмотреть. Например, в 1992 году селекционная компания Pioneer разработала ГМ-сою, добавив в нее ген бразильского ореха и тем самым устранив в сое природный дефицит аминокислоты метионина. Такие бобы были предназначены в первую очередь для тех людей, для кого соя — основной продукт питания. Но вскоре оказалось, что у небольшого процента людей бразильский орех вызывает аллергию. Соответственно, и такая ГМ-соя тоже может вызывать аллергию [12].
Вышеперечисленные факты не умаляют достоинства генных технологий, а говорят о том, что любой метод требует грамотного и аккуратного использования. Поэтому хотелось бы закончить статью словами молекулярного генетика Джорджа Чёрча из Гарвардской медицинской школы в Бостоне, считающего, что de facto мораторий стόит налагать на все технологии, пока не доказана их безопасность: «Задача заключается в доказательстве того, что пользы в технологии больше, чем риска» [8].