Элементарной единицей живого является клетка - наименьшая жизнеспособная единица. По своему химическому составу все живые существа очень сходны. Основными компонентами всякой клетки являются дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) - хранитель наследственной информации, рибонуклеиновые кислоты (РНК), белки, липиды и углеводы.

Изучение строения различных типов клеток позволило выявить существенные различия. По наличию ядра все организмы делятся на ядерные (эукариоты - грибы, растения, животные) и безъядерные (прокариоты - бактерии, цианобактерии). Прокариоты рассматривают как реликтовые формы, сохранившиеся с самых ранних времен биологической эволюции, а появление эукариотических форм, возникших из прокариот, - как величайший скачок в истории жизни.

Эукариоты имеют истинное ядро. Оно содержит основную часть генома эукариотической клетки. В хромосомах ДНК находится в комплексе с гистонами - белками основной природы. В эукариотической клетке имеются и другие органеллы, содержащие ДНК, - это митохондрии и пластиды (у растений), но в этих органеллах находится лишь очень малая часть клеточного генома, которая представлена молекулами ДНК, замкнутыми в кольцо. В эукариотической клетке имеются различные органеллы, выполняющие присущие только им функции.

Прокариоты не имеют окруженного мембраной ядра. ДНК в виде замкнутой в кольцо молекулы свободно располагается в цитоплазме. Эта "бактериальная хромосома" содержит всю необходимую для жизнедеятельности и размножения клетки информацию. Помимо нее у многих бактерий есть большое количество очень маленьких кольцевых молекул ДНК, называемых плазмидами. Плазмиды способны размножаться и передаваться другим бактериальным клеткам независимо от главной хромосомы. Они были впервые идентифицированы как генетические элементы, несущие гены устойчивости к антибиотикам. Впрочем, плазмиды могут удерживать и многие другие гены.

Информация о составе и строении всех веществ, в том числе и белков клетки, порядке их образования в ходе развития организма, то есть вся наследственная информация организма, закодирована в молекулах ДНК.

Каждая хромосома содержит по одной молекуле ДНК. Количество хромосом для каждого вида высших организмов является строго определенной постоянной величиной. Например, у человека 46 хромосом, у пшеницы - 42. Появление дополнительных хромосом или отсутствие какой-либо хромосомы может приводить к серьезным нарушениям в организме.

Важнейшее свойство клеток - способность делиться таким образом, что каждая из образовавшихся дочерних клеток ничем не отличается по хромосомному составу одна от другой и от материнской клетки.

Генетический код, записанный в хромосомах разных эукариотических и прокариотических организмов, универсален, несколько отличается от него только митохондриальный код.

Передача генетической информации в любой клетке основана на матричных процессах (репликации, транскрипции, трансляции).

Синтез дочерней цепи (репликация) молекулы ДНК происходит по матрице одной из двух родительских цепей с образованием новой двухцепочечной дочерней молекулы ДНК. (приложение А) При этом дезоксирибонуклеотиды встраиваются в дочернюю цепь согласно правилу комплементарности азотистых оснований (А-Т, Г-Ц).

Синтез молекулы РНК совершается в процессе транскрипции ДНК по матрице одной из двух цепей ДНК (приложение А). Такая матричная (информационная) РНК может рассматриваться как посредник между ДНК и белком.

Далее при синтезе белков генетическая информация, закодированная в последовательности триплетов азотистых оснований, транслируется в аминокислотную последовательность полипептидных цепей. Этот процесс называют трансляцией.

Биосинтез белка происходит на цитоплазматических структурах, называемых рибосомами. Рибосома, продвигается вдоль мРНК, последовательно выбирая из среды те аминокислоты, соединенные с транспортными РНК (тРНК), которые соответствуют кодирующим последовательностям нуклеотидов.

При этом последовательность кодонов в зрелой молекуле РНК определяет последовательность аминокислот в полипептидной цепи.

Ни одна клетка никогда не использует всю информацию, закодированную в ДНК ее хромосом. Клетки в организме разделяют свои функции - они специализированы. Клетки мозга не образуют инсулин, клетки печени - слюну, а клетки кожи - кости. Это же относится и к растениям: клетки корня не синтезируют зеленый пигмент хлорофилл, а клетки листа не образуют пыльцу или нектар.

Возникает вопрос: как клетка узнает, когда и какой белок синтезировать, с какого участка ДНК и в каком количестве?

Чтобы ответить на этот вопрос стоит рассмотреть схему иллюстрирующую концепцию выдвинутую в 1961 году Ф. Жакобом и Ж. Моно, которая получила название “концепции гена-оперона Жакобо-Моно”. (Приложение Б)

Согласно этой гипотезе кроме структурных генов, которые определяют последовательность аминокислот в молекуле белка, на ДНК существуют так называемые регуляторные гены или гены-регуляторы.

Участок гена-регулятора, который граничит со структурным геном называется оператором (оператор "включает" или "выключает" структурный ген). Оператор и структурные гены называются опероном.

Ген-регулятор содержит информацию о специальном белке-репресоре, который присоединяясь к оператору блокирует его активность - “выключает”. Если репресор не присоединяется к оператору, то он остается “включенным" - происходит транскрипция и синтез и-РНК с дальнейшей трансляцией.

Механизм блокирования оператора репресором довольно простой. В молекуле белка-репросора есть два активных участка. К одному из них может присоединяться молекула так называемого индуктора, а другим участком репресор присоединяется к оператору, который при этом блокирует весь оперон. Присоединение индуктора изменяет структуру репресора и он не способен присоединиться к оператору, и, таким образом, оператор “включает" структурный ген.

Функцию репресора могут выполнять продукты синтеза, которые появляются в излишке. Такие вещества носят название корепресоров.

Например, кишечная палочка синтезирует аминокислоту триптофан. При излишке этой аминокислоты она действует как корепресор, присоединяясь к белку-репресору. Потом они вместе присоединяются к гену-оператору и блокируют его активность.

В другом случае вещество, которое используется в метаболизме, присоединяется к репрессору и не дает ему возможности присоединиться к оператору. Оператор, на который теперь бездействует репрессор, “включает" синтез необходимых для метаболизма данного вещества ферментов. Примером такого механизма регуляции есть опять-таки кишечная палочка. При выращивании ее на питательной среде из глюкозы ген-оператор синтезирует соответствующий белок-репрессор. Он блокирует работу структурных генов и соответствующие ферменты не синтезируются. При внесении в питательную среду лактозы, она начинает действовать как индуктор, присоединяясь к репрессору. Оператор “освобождается” от репрессора и “включает" структурные гены, которые синтезируют ферменты для расщепления лактозы.

Более поздними исследованиями было установлено, что рядом с оператором расположен промотор. Он выполняет две функции. Первая - он предопределяет присоединение фермента (РНК - полимераза), который катализирует транскрипцию, вторая - он определяет спираль ДНК, с которой будет происходить транскрипция.

Еще один пример - функционирование гена, кодирующего образование инсулина (гормона, регулирующего содержание сахара в крови).

Специальная молекула-"посыльный", несущая сигнал о недостатке инсулина в крови, находит промотор гена, кодирующего инсулин, и присоединяется в определенном месте промотора, которое она может распознать. Это служит сигналом к включению механизма работы (экспрессии) гена. Когда инсулина в крови становится достаточно, поступает сигнал о "выключении" гена.

Селекционер, занимающийся выведением новых сортов растений или пород животных, может с помощью подбора родительских форм получить гибридное потомство, у которого активность отдельных генов выше или ниже по сравнению с обычным уровнем, характерным для какого-либо растения или животного. Это могут быть сорта картофеля с повышенным содержанием крахмала или сорта рапса, не содержащие в масле токсичные вещества типа эруковой кислоты. Но селекционер не может заставить листья того же рапса образовывать масло, которое обычно синтезируется в семенах, хотя в хромосомах клеток листа содержится вся нужная для этого информация. Конечно, можно попытаться "обмануть" растение, заставив его листья образовывать масло. Для этого необходимо у гена, кодирующего образование масло, поменять промотор, поставив его под промотор того гена, который функционирует в листьях. Однако здесь кончается традиционная селекция и начинается генетическая инженерия. [1, 2, 3, 4]

2. Способы изменения генома

2.1 Основные методы традиционной селекции: родственная гибридизация, отдаленная гибридизация, экспериментальный мутагенез

В основе традиционной селекции лежит поиск оптимального сочетания в одном организме генов, полученных от разных родительских форм. В этих целях проводят гибридизацию различных сортов или селекционных линий одного вида, обладающих какими-либо ценными признаками. Чем выше генетическая изменчивость внутри, тем, выше эффективность селекции.

Но есть виды сельскохозяйственных растений, у которых естественная внутривидовая изменчивость невысока (например, свекла). Многие ценные гены у видов культурных растений могут отсутствовать совсем (например, гены устойчивости к некоторым болезням). Поэтому в селекции получили широкое распространение методы, направленные на расширение генетического разнообразия вида с помощью экспериментального мутагенеза и отдаленной гибридизации. [2, 5]

Отдаленная гибридизация между культурными растениями и родственными дикими видами позволяет не только расширить генетическую изменчивость культурного вида, но, что наиболее важно, и привнести отдельные ценные гены от дикого вида, отсутствующие у культурного вида. Подобные скрещивания обычно являются весьма сложным делом, поскольку между видами существуют жесткие репродуктивные барьеры (невозможность развития пыльцы чужого вида, образование не жизнеспособных семян, образование фертильных семян).

Между видами существуют также жесткие барьеры, затрудняющие естественную рекомбинацию. Это означает, что хромосомы межвидового гибрида, полученные от разных видов, могут отличаться по количеству и гомологии (сходству). Отсутствие гомологии между хромосомами приводит к тому, что они не способны сближаться и обмениваться отдельными участками (а следовательно, и отдельными генами) в процессе образования половых клеток. В результате становится невозможным перенос нужных генов от дикого вида в генетический материал культурного вида. Поэтому отдаленная гибридизация может быть эффективна только в том случае, когда скрещиваются относительно близкие в эволюционном отношении виды. [5]

Проблема отсутствия рекомбинации у отдаленных гибридов может быть решена посредством удвоения у них количества хромосом. В этом случае каждая хромосома получит себе пару, и процесс образования половых клеток будет протекать нормально. Такие гибриды, объединяющие в своем геноме полные (т.е. двойные) наборы хромосом разных видов (их называют амфидиплоидами), широко распространены в природе. Наиболее известные из них - пшеница, слива. Селекционер, задумавший получить амфидиплоид с участием культурного и дикого вида, должен учитывать, что у этого гибрида помимо селекционно-ценных генов дикого вида будет присутствовать и полный набор нежелательных "дикарских" генов. Избавиться от них можно только путем возвратных скрещиваний с культурным видом, в ходе чего геном дикого вида замещается культурным и лишь отдельные ценные гены дикого вида сохраняются благодаря селекции. Однако эта процедура может быть эффективной только в случае относительно высокой гомологии хромосом скрещиваемых видов (то есть они должны быть относительно близкородственными). Круг замкнулся. Не случайно поэтому единственным амфидиплоидом, представляющим селекционную ценность из числа полученных искусственно, остается тритикале - гибрид между двумя культурными видами: пшеницей и рожью. [6, 7]

В случае экспериментального мутагенеза организм подвергается действию факторов, вызывающих различные нарушения в структуре ДНК: радиации, обработке химическими веществами, обладающими мутагенной активностью. Большинство индуцированных таким образом нарушений имеет неблагоприятные последствия для организма. Однако отдельные мутации могут быть весьма полезны с селекционной точки зрения.

2.2 Генная инженерия

Генетическая инженерия - это технология получения новых комбинаций генетического материала путем проводимых вне клетки манипуляций с молекулами нуклеиновых кислот и переноса созданных конструкций генов в живой организм, в результате которого достигается их включение и активность в этом организме и у его потомства.

Первый этап создания генно-инженерных организмов - выделение и идентификация отдельных генов (соответствующих фрагментов ДНК или РНК), которые собираются перенести другим организмам. Для этого из организмов, обладающих такими генами, с помощью специальных химических методов выделяют нуклеиновые кислоты и разрезают их на отдельные фрагменты, используя наборы ферментов - рестриктаз.

В 1973 году получена первая функционально активная молекула рекомбинантной ДНК.Г. Бойер и С. Коэн (США) сумели "пришить" к плазмиде E. coli фрагмент ДНК плазмиды другой бактерии и обнаружили, что такая химерная плазмида могла успешно функционировать в клетках E. coli, размножаться и передаваться другим клеткам как естественным путем, так и с помощью человека. Это означало, что таким образом можно получать многочисленные копии любых генов, то есть клонировать гены, нарабатывать требуемые для последующих манипуляций объемы генетического материала. В генетической инженерии в настоящее время используют различные микроорганизмы для клонирования генов, но чаще всего для этой цели привлекают хорошо изученную бактерию пищеварительного тракта человека - E. coli (кишечную палочку).

Ученые научились не только выделять и клонировать нужные гены, но и всесторонне их изучать: определять последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК и аминокислот в белке, который кодирует ген, механизм регуляции его активности.

Все это позволило успешно осуществлять следующий этап создания генно-инженерных организмов: построение конструкций генов, которые предполагается перенести в геном реципиентного организма. Здесь не случайно речь идет о переносе не отдельных генов, а генетических конструкций, состоящих из нескольких генетических элементов: генов и регуляторных последовательностей. Как правило, конструкции собирают на основе определенных плазмид, к которым "пришивают" в нужной последовательности необходимые генетические элементы.

Как отмечалось выше, каждый ген имеет сложную систему регуляции своей активности, в отсутствие которой он просто не будет функционировать. Только для транскрипции гена (образования мРНК) обязательно наличие, помимо кодирующей области, также промотора, последовательности, обеспечивающей присоединение к мРНК поли А-хвоста, и последовательности, указывающей место окончания транскрипции. В придачу к этим обязательным элементам генетические конструкции могут содержать также регуляторные элементы, определяющие место и время активности переносимого гена (трансгена), другие гены (с соответствующими генетическими элементами), например так называемые селективные гены, с помощью которых выделяют трансформированные клетки реципиентного организма (клетки, в ДНК которых произошло встраивание трансгена) среди преобладающей массы трансформированных клеток.

Такие генетические конструкции "собирают" из фрагментов ДНК, которые могут принадлежать совершенно разным организмам, относящимся к весьма отдаленным систематическим группам, и даже с участием фрагментов ДНК, синтезированных искусственно.

Например, в плазмиду почвенной бактерии Agrobacterium tumefaciens (A, tumefaciens) встраивают ген, выделенный из ДНК рыбы (ген холодоустойчивости от камбалы), промотор у этого гена - от вируса мозаики цветной капусты, последовательности присоединения по-лиА-хвоста и окончания транскрипции (терминальные последовательности) - от A. tumefaciens, селективный ген устойчивости к канамицину - из транспозона (подвижный генетический элемент) E. coli, промотор и терминальные последовательности у этого гена те же, что и у гена холодоустойчивости. И вся эта генетическая конструкция предназначена для переноса в растительный организм.

Выбор промотора при создании трансгенных конструкций имеет особое значение. Существует общая закономерность: прокариотические промоторы могут обеспечить активность любого гена, в том числе и эукариотического только в прокариотическом организме (у бактерий, цианобактерий). В эукариотическом организме может функционировать только ген, имеющий эукариотический промотор. Поэтому при переносе генов от одного вида растений к другому можно использовать гены с их собственными промоторами. Но если в растение переносится бактериальный ген, то промотор у него должен быть заменен на растительный. В последнем случае часто используют промоторы от растительных вирусов. Вирусы по своей природе - существа исключительно активные. Ничто или практически ничто не может их остановить после того, как они нашли свою жертву (хозяина). Попав в клетку хозяина, вирусная ДНК интенсивно размножается и, клетки хозяина, активно воспроизводит себе подобных. Это происходит в силу того, что в процессе эволюции вирусы получили очень сильные промоторы, способные функционировать в любом генетическом окружении.

Проблема введения в растительную клетку чужеродной ДНК также в принципе решена. Используются два основных подхода.

Первый из них - агробактериальная трансформация. Это слегка модифицированный естественный процесс горизонтального (то есть между отдаленными в систематическом отношении группами организмов) переноса генов от бактерий в растения. В природе существует большая группа почвенных бактерий из рода Agrobacterium. Они могут вызывать у растений болезни типа рака - корончатый галл (опухоль) или "бородатые корни". Выяснено, что с помощью специального механизма бактерии передают в генетический материал растений небольшой фрагмент своей ДНК, содержащий гены, активность которых приводит к образованию у растений опухоли или многочисленных корней. В них синтезируются вещества - опины, являющиеся питательным субстратом исключительно для агробактерий. Ученые просто вырезали из переносимого фрагмента ДНК бактериальные гены, вызывающие болезнь, и заменили их нужными им генами с соответствующими регуляторными элементами. Агробактерии потом убивают с помощью антибиотиков, а из трансформированных клеток восстанавливают целое растение.

К сожалению, метод агробактериальной трансформации оказался недостаточно эффективным для большинства однодольных растений (хлебных злаков, кукурузы, лилейных и других). Поэтому для введения чужеродной ДНК в клетки таких растений чаще всего используют другой метод - бомбардировку клеток микроскопическими частицами из золота или вольфрама, на поверхность которых нанесена ДНК.

Процесс переноса и включения в генетический материал клеток растений чужеродной ДНК происходит в общем с небольшой частотой: в лучшем случае трансформированной оказывается одна клетка на тысячу. Поэтому необходимо каким-то образом отделить такие клетки от остальных, создать для их деления и дальнейшего развития наиболее благоприятные условия. В этих целях вместе с желаемым геном (например, устойчивости к насекомым-вредителям, вирусам, гербицидам) вводят и второй, так называемый селективный ген. Чаще всего для этого используют гены устойчивости к антибиотикам. Если после введения чужеродной ДНК поместить клетки на питательную среду с антибиотиком, то на ней способны будут расти только трансформированные клетки.

генетический модифицированный организм здоровье

Обычно в генетический материал клеток растений включается одна или две копии привнесенных генов. Многокопийность, как правило, сопровождается пониженной активностью привнесенных генов, а генотипы с несколькими копиями трансгенов не обладают требуемыми признаками и выбраковываются в ходе селекционного процесса. Даже в случае встраивания одной копии трансгена его активность может быть недостаточной. Поэтому получают много трансформантов, из которых отбирают лучшие по активности трансгенов и по комплексу хозяйственных признаков, без видимых мутаций и других нарушений.

Явление ослабления активности гена при увеличении числа его копий весьма широко используется в генетической инженерии для улучшения качественных характеристик сортов или пород. Так, с помощью привнесения дополнительных копий отдельных генов растений получены томаты с длительным сроком хранения, картофель с повышенным качеством крахмала (без амилозы), соя, рапс с улучшенным качеством масла, кофе без кофеина. В генетической инженерии животных таким образом снижают активность генов, ответственных за выработку белков-аллергенов (в креветках, в молоке коров, коз).

Итак, генно-инженерные организмы отличаются от исходных генотипов весьма незначительно: к 25 - 35 тысячам существующих генов добавляют один-два новых. При этом следят, чтобы активность собственных генов растения или животного не изменилась, чтобы не ухудшились его потребительские качества. [9, 10, 11, 12, 13]

3. Использование трансгенных организмов

Технологии получения ГМО позволяют значительно расширить возможности традиционной селекции. Более того, с помощью новой технологии можно получать такие организмы, которые в принципе нельзя получить, используя обычную селекцию. Она делает возможным решение проблем борьбы с болезнями, голодом, которые считались ранее практически неразрешимыми.

Например, в настоящее время в мире, по данным ВОЗ, насчитывается около 110 млн людей, страдающих диабетом. И эта цифра в ближайшие 25 лет может удвоиться. Диабет - опасное заболевание, которое вызывается нарушением работы поджелудочной железы, вырабатывающей гормон инсулин, необходимый для нормальной утилизации содержащихся в пище углеводов.

На начальных стадиях развития болезни достаточно использовать меры профилактики, регулярно следить за уровнем сахара в крови, потреблять меньше сладкого. Однако для приблизительно 10 миллионов пациентов показана инсулиновая терапия: они вынуждены ежедневно вводить в кровь препараты этого гормона.

Начиная с двадцатых годов прошлого века для этих целей использовали инсулин, выделенный из поджелудочных желез свиней и телят. Животный инсулин в основном аналогичен человеческому, однако между ними имеются и определенные различия. Так, в молекуле инсулина свиньи в отличие от человеческого в одной из цепей аминокислота треонин замещена аланином. Считается, что эти незначительные на первый взгляд отличия могут вызывать у отдельных пациентов серьезные осложнения (нарушение работы почек, расстройство зрения, аллергию). Кроме того, несмотря на высокую степень очистки, не исключена вероятность переноса вирусов от животных к людям. И наконец, число больных диабетом растет так быстро, что обеспечить всех нуждающихся животным инсулином уже не представляется возможным. Заметим также, что это весьма дорогое лекарство.

Разработка технологии производства искусственного инсулина является поистине триумфом генетики. Сначала с помощью специальных методов определили строение молекулы этого гормона, состав и последовательность аминокислот в ней. В 1963 году молекулу инсулина синтезировали с помощью биохимических методов. Однако осуществить в промышленном масштабе столь дорогостоящий и сложный синтез, включающий 170 химических реакций, оказалось сложно.

Ученым удалось осуществить в клетках E. coli биосинтез молекулы проинсулина, а не только ее отдельных цепей. Молекула проинсулина после биосинтеза способна соответствующим образом преобразовываться (формируются дисульфидные связи между цепями А и В), превращаясь в молекулу инсулина. Эта технология имеет серьезные преимущества, поскольку различные этапы экстракции и выделения гормона сведены к минимуму. При разработке такой технологии была выделена информационная РНК проинсулина. Используя ее в качестве матрицы, с помощью фермента обратной транскриптазы синтезировали комплементарную ей молекулу ДНК, которая представляла собой практически точную копию натурального гена инсулина. После "пришивания" к гену необходимых регуляторных элементов и переноса конструкции в генетический материал E. coli стало возможным производить инсулин на микробиологической фабрике в неограниченных количествах. Его испытания показали практически полную идентичность натуральному инсулину человека. Он намного дешевле препаратов животного инсулина, не вызывает осложнений.

Этот пример можно продолжить. Следует отметить, что в настоящее время технология рекомбинантных ДНК позволяет получать более дешевые и безопасные вакцины для лечения опаснейших инфекционных заболеваний (гепатита, полиомиелита и др.). Во многих случаях получение подобных вакцин традиционными методами попросту невозможно. На основе генно-инженерных биотехнологий созданы более совершенные методы диагностики и лечения болезней человека. Именно с генетической инженерией человечество связывает свои надежды на решение проблемы лечения практически неизлечимых пока болезней: рака, СПИДа, шизофрении, болезни Альцгеймера, наследственных болезней: талассемии, болезни Хантингтона, фиброзного цистита и др.

Несмотря на впечатляющие достижения генетической инженерии в области медицины, наибольший резонанс в обществе, однако, вызвало применение генетически модифицированных организмов для производства сельскохозяйственной продукции.

Любой новый, незнакомый продукт питания воспринимается с подозрением, возрастающим в случаях, когда распространяются слухи об опасности его для здоровья. Хотя в свое время бушевали страсти и вокруг обычных, но новых на то время для европейцев растительных продуктов - картофеля, кофе, кукурузы. Срабатывает принцип принятия мер предосторожности: если продукта не знаешь, лучше воздержаться от его потребления.

Сегодня о перспективах выращивания генно-инженерных сортов красноречиво свидетельствуют цифры, характеризующие их долю в общей площади под конкретной культурой. Для сои эти цифры составляет 55%, для хлопка - 21%, рапса - 16% и для кукурузы - 11%. В целом для четырех этих культур площади, занятые трансгенными сортами, составляют четвертую часть. Только в 2003 году около 7 млн. фермеров из 18 стран мира на 67,7 млн га земли (15 % всех площадей пригодных для земледелия) выращивали ГМ-растения, в настоящее время специалисты называют цифру 85 млн. га. Так, 42,8 млн гектаров (63% общей площади) приходится на США, далее следуют Аргентина - 13,9 млн гектаров (21%), Канада - 4,4 млн (6%), Бразилия - 3 млн (4%), Китай - 2,8 млн (около 4%) и Южная Африка - 0,4 млн гектаров (около 1%). На эти 6 стран приходится 99% всех посевных площадей трансгенных культур. ГМО выращивают также в Индии, Австралии, Испании, Румынии, Болгарии, Германии, Мексике, Уругвае, Колумбии, Гондурасе, на Филиппинах и в Индонезии, всего в 18 странах, заметную долю которых составляют развивающиеся страны.

Что же заставляет миллионы фермеров на всех континентах выращивать именно генно-инженерные сорта растений? Прежде всего, конечно же, рост доходов за счет снижения издержек производства и увеличения продуктивности растений. Так, только в 2002 году трансгенные сорта дали сельскохозяйственной продукции на 1,8 млрд тонн больше, чем обычные на тех же площадях, при этом пестицидов использовано на 21 тыс. тонн меньше, а доходы увеличились на 1,5 млрд долларов США.

Кроме финансовой прибыли выращивание ГМО несет ощутимые социальные и экологические выгоды. Сокращение обработки полей пестицидами и отказ от вспашки уменьшают интенсивность эксплуатации сельскохозяйственной техники и соответственно расход топлива и выбросы углекислого газа в атмосферу. Благодаря использованию менее вредных для окружающей среды гербицидов снижается химическая загрязненность воды и почвы. Предотвращается эрозия почвы, поскольку использование генетически модифицированных растений, устойчивых к гербицидам, позволяет перейти на щадящий беспахотный метод обработки почвы. Это, а также использование сортов с избирательной устойчивостью к насекомым-вредителям в условиях снижения интенсивности применения инсектицидов увеличивает биоразнообразие. На полях, занятых трансгенными сортами, отмечено увеличение численности популяций птиц, полезных насекомых.

Одной из основных проблем сельскохозяйственного производства является борьба с сорняками.

В индустриально развитых странах наряду с агротехническими мероприятиями (обработка почвы) для этих целей широко применяются гербициды, то есть химические препараты, способные тотально или избирательно подавлять рост растений.

Разработаны два способа использования гербицидов. Их применяют перед посадкой или севом растений, внося в почву либо опрыскивая тронувшиеся в рост сорняки. Однако этот способ не может в полной мере решить проблему, поскольку сорняки появляются и после всходов основной культуры, и в ходе всего периода вегетации. Кроме того, вносимые в почву гербициды, как правило, длительное время разлагаются, загрязняя окружающую среду.

Другой способ - обработка гербицидами вегетирующих растений. Он более эффективен, поскольку позволяет защищать посевы в течение всего сезона. Но при использовании гербицидов тотального действия возникают серьезные проблемы защиты культурных растений, не устойчивых к этим гербицидам. Для этого созданы специальные приспособления, позволяющие смачивать гербицидом более высокие сорные растения, не затрагивая культурные. Эта процедура значительно упрощается, если в распоряжении растениевода имеются сорта растений, устойчивые к используемому гербициду. С помощью традиционной селекции вывести такие сорта весьма сложно. В частности, не существует сортов сельскохозяйственных растений, толерантных к наиболее широко используемым гербицидам тотального действия: глифосату и глюфозинату.

Генетическая инженерия эту проблему решает довольно просто. Достаточно перенести в генетический материал растения нужный ген от устойчивых к гербицидам микроорганизмов. Ученые, изучая механизм действия гербицидов, выяснили, что чаще всего они воздействуют на один какой-либо важный для метаболизма растений фермент, связываясь с ним и таким образом ослабляя его активность. Это приводит к серьезным нарушениям роста и развития обработанных гербицидом растений, и они погибают. Среди бактерий легко можно обнаружить устойчивые генотипы, высевая их на питательную среду, в которую добавляют гербицид.

Безусловным лидером среди всех трансгенных культур является соя, устойчивая к гербициду глифосату. Появление генетически модифицированных сортов произвело настоящую революцию в технологии возделывания сои. Дело в том, что культурная соя развивается на ранних этапах вегетации весьма медленно. Да и конкурентоспособность взрослых растений тоже невысока. Это означает, что без применения гербицидов получить требуемый урожай сои практически невозможно.

Гербицид глифосат (Раундап) относится к гербицидам тотального действия. Его "мишенью" в растении является фермент 5-энолпиру-вилшикимат-3-фосфат синтаза (EPSPS), который играет важную роль в синтезе ароматических аминокислот (тирозина, фенилаланина и триптофана). Под действием гербицида у неустойчивых к нему растений наблюдаются симптомы азотного голодания (из-за недостатка названных аминокислот - "строительного материала" для синтеза белков), и они погибают в течение двух недель. Заметим, что глифосат относится к гербицидам нового поколения, для которых характерна относительная безопасность для здоровья человека и окружающей среды. Ведь его "мишень" имеется только у растений, грибов и бактерий и отсутствует у животных. Поэтому его токсичность для человека даже ниже, чем у поваренной соли. Кроме того, глифосат относительно быстро (приблизительно в течение недели) разрушается после попадания на растения или почву.

Кроме того, в полученной трансгенной сое отсутствуют селективные гены устойчивости к антибиотикам, поскольку сам ген устойчивости к глифосату можно использовать в качестве селективного. Около тысячи различных сортов устойчивой к глифосату сои, выращиваемых на разных континентах, получены с помощью традиционной селекции, в которой использовано в качестве источника мутантного EPSPS гена одно-единственное генно-инженерное растение с описанной выше генно-инженерной модификацией.

Таким образом, генетически модифицированные сорта сои отличаются от обычных только тем, что у них образуется два типа одного и того же фермента EPSPS. Первый - свой собственный, который может связываться гербицидом, и второй - привнесенный от бактерии, который не связывается с гербицидом. Именно наличие второго типа указанного фермента делает эти сорта устойчивыми к действию глифосата и сохраняет им жизнь после обработки посевов гербицидом. Уже тот факт, что бактериальный EPSPS способен выполнять функции растительного аналога, говорит об их значительном сходстве, в том числе и в смысле безопасности для здоровья человека.

Второй ключевой проблемой растениеводства является повышение эффективности контроля численности насекомых-вредителей (и других паразитов, например клещей) сельскохозяйственных культур. Для этих целей чаще всего используют пестициды - либо химические, либо биологические. Использование последних предпочтительнее с точки зрения безопасности для здоровья человека и окружающей среды. Однако эффективность химических средств защиты растений остается намного выше, чем биологических.

Среди биопестицидов широко используется так называемый Bt-токсин, который получают на микробиологических предприятиях путем культивирования почвенных бактерий - Bacillus thuringiensis. Данные бациллы были описаны в начале прошлого века, в тридцатые годы было установлено, что они способны вырабатывать токсичные для насекомых продукты, обладающие, высокой избирательностью действия. Это означает, что Bt-протеин, выделенный от одного определенного штамма бациллы, способен убивать определенный вид насекомых, например жуков, и не действует на других насекомых, например бабочек, пчел и т.д.

Избирательность обусловлена специфическим механизмом токсичности Bt-протеина. Попадая в пищеварительный тракт чувствительного к нему насекомого, Bt-протеин претерпевает изменения: под действием определенного протеолитического фермента в щелочной среде (рН 7,5 - 8,0); от исходной молекулы протеина отделяется небольшая часть (приблизительно равная одной трети молекулы), представляющая собой активную форму этого белка. Только она способна прикрепляться к специфическим рецепторам в средней части пищеварительного тракта насекомого и вызывать лизис (растворение) клеток, который приводит к образованию пор. Насекомое перестает питаться, происходит обезвоживание организма, и, в конце концов, наступает смерть. У нечувствительных к конкретным препаратам Bt-протеина насекомых описанные процессы не происходят, и Bt-протеин у них просто переваривается.

Естественно, Bt-протеин не представляет угрозы для теплокровных животных и человека, поскольку пищеварительный тракт у них устроен иначе, чем у насекомых, и у них другие протеолитические ферменты. Более того, Bt-протеин - весьма нестойкий белок, который легко денатурирует при нагревании, в кислой среде желудка, быстро переваривается желудочным соком (лишь разбавление желудочного сока в тысячу раз позволило построить кривую его деградации во времени: уже через десять минут от него не оставалось и следов). В остром эксперименте на мышах (15 дней скармливания Bt-протеина в дозах до 5 граммов на один килограмм веса) не установлено никаких отклонений в здоровье опытных особей. За почти сорокалетнюю историю использования препаратов на основе Bt-протеина не отмечено ни одного случая аллергий или его токсичности для людей, в том числе сотрудников предприятий, на которых его производят.

Особенно высокая эффективность трансгенного Bt-протеина отмечена на кукурузе и хлопке. Дело в том, что вредители этих культур - личинки мотыльков европейского точильщика кукурузы, хлопкового коробочного и розового коробочного червеца - находятся на поверхности растения в течение очень короткого времени. Затем они внедряются в ткани растения и прогрызают там ходы, нанося, таким образом, существенный урон здоровью растений и урожаю. Поскольку у трансгенных сортов Bt-протеин образуется во всех зеленых тканях растения и присутствует там постоянно, то это позволяет растению защищать себя от вредителей на протяжении всего периода вегетации. При этом трансгенный Bt-протеин высокоэффективен в исключительно низких концентрациях. Так, во всей зеленой массе кукурузы в период цветения на площади в 1 гектар содержится всего 8 - 16 граммов Bt-протеина. В конце сезона эта цифра имеет еще меньшее значение - 0,8 грамма. В зрелом зерне и в силосной массе Bt-протеин отсутствует вообще: его невозможно обнаружить даже с помощью самых чувствительных аналитических методов.

Для создания Bt-картофеля использован другой промотор - ats 1A малой субъединицы рибулозо-1,5-бифосфаткарбоксилазы любимого генетиками модельного растения Arabidopsis thaliana (мелкий сорняк из семейства Крестоцветных). Bt-ген, регулируемый фоточувствительным промотором, экспрессируется на свету в 100 раз сильнее, чем в темноте. Соответственно в клубнях Bt-протеина образуется в 100 раз меньше, чем в листьях. Если быть точным, речь идет о 0,09-0,053 микрограмма Bt-протеина на 1 грамм сырого веса клубней. Таким образом, чтобы потребить суточную дозу Bt-протеина, которую скармливали мышам в остром эксперименте (без каких-либо отрицательных последствий для их здоровья), человеку весом 70 килограммов необходимо съесть за сутки как минимум 700 тонн клубней!

Эти красноречивые данные свидетельствуют, что ни трансгенный картофель, ни трансгенная кукуруза не содержат в своем урожае продукта привнесенного им бактериального гена. То есть они полностью идентичны по своим потребительским свойствам сортам, полученным методами традиционной селекции.

Еще одной большой проблемой в выращивании культур являются вирусные болезни.

Вирусные болезни являются причиной весьма значительных потерь урожая для целого ряда культур, в первую очередь тех, которые размножаются вегетативно (клубнями, черенками, луковицами, прививкой), а также тыквенных, томатов и некоторых других. В связи с этим разработка принципиально новых подходов в борьбе с вирусными болезнями представляет большой практический интерес. Современные генно-инженерные технологии создания устойчивых к вирусам сортов растений базируются на использовании известного с незапамятных времен метода, получившего название перекрестной защиты (cross protection). Он основан на явлении повышенной устойчивости растений к агрессивным формам какого-либо вируса при условии, что оно было ранее заражено менее вредоносной формой того же самого вида вирусов. Механизм этого явления точно не выяснен, однако его достаточно широко используют в Японии для защиты томатов от поражения вирусами томатной и огуречной мозаики, в Бразилии для защиты цитрусовых (citrus tristera closterovirus), папайи (ringspot роtyvirus), кабачков цуккини.

В 1986 году Пауэл Абель с сотрудниками впервые получили устойчивые к мозаичному тобамовирусу растения табака путем переноса в их генетический материал гена этого вируса, кодирующего образование белка оболочки (coat protein - СР). С тех пор этот подход был успешно апробирован на многих растениях (свыше 30 видов) с более чем 50 вирусными СР. Позднее оказалось, что аналогичный, а иногда даже лучший результат достигается при использовании не СР-трансгенов, а генов, кодирующих другие протеины вирусов - ферментов репликазы, РНКазы.

Для генетической инженерии вирусоустойчивых форм в целях безопасности используют СР-гены, которые предварительно модифицируют таким образом, чтобы они не могли переноситься от растения к растению, либо выделяют СР-гены из естественных "нетрансмиссибельных" штаммов. Также оперируют генами от штаммов, не способных инфицировать растения в естественных условиях, либо манипулируют укороченными СР-генами, которые кодируют образование дефектных, нефункционирующих СР-протеинов. Оказалось, что можно обеспечить защиту от вирусов даже в тех случаях, когда встроен настолько дефектный СР-ген, что образовавшаяся при его считывании информационная РНК не способна к трансляции, то есть к синтезу соответствующего СР-протеина.

Из всего разнообразия полученных вирусоустойчивых форм для коммерческого использования допущены сравнительно немногие: папайя, устойчивая к вирусу пятнистости, две формы цукини, устойчивые к нескольким вирусам, и сорта картофеля с комплексной устойчивостью к колорадскому жуку (Bt-ген) и к одному из вирусов картофеля: игрек-вирусу (PVY) или вирусу скручивания листьев (PLRV).

Заметим, что описанная генно-инженерная технология защиты растений от вирусов позволяет получать сорта, в значительной мере идентичные по своим потребительским качествам сортам традиционной селекции. Человечество имеет длительную историю безопасного потребления продуктов трансгенов СР-протеинов, поскольку названные вирусные протеины постоянно присутствуют в пище из картофеля, кабачков и других растений. Более того, в обычных сортах концентрация этих белков может быть в десятки, а то и сотни раз выше, чем у трансгенных форм: ведь они-то не устойчивы к вирусам и поэтому накапливают их в своих тканях.

Одним из больших плюсов генной инженерии является улучшение сельскохозяйственных растений и их качественных характеристик.

Это группа исключительно ценных для потребителя форм, при получении которых не используются чужеродные гены. Добавляя в генетический материал растения дополнительные копии определенных генов, выделенных из собственной ДНК растения, можно добиться ослабления активности этих генов. В свою очередь это может привести к изменению качественных характеристик того продукта, в генетическом контроле биосинтеза которого задействованы данные гены.

Интересный пример использования явления "замолкания генов" - создание сортов трансгенного картофеля с улучшенным качеством крахмала. Крахмал, выделенный из обычных сортов картофеля, содержит две основные формы этого полисахарида: ветвистый - амилопектин и неветвистый - амилоза. Чем больше амилопектина и меньше амилозы, тем выше качество крахмала. Генно-инженерный сорт картофеля с повышенным качеством крахмала создан путем добавки дополнительной копии гена амилозы (в перевернутом по отношению к промотору виде, то есть в виде так называемой антисмысловой конструкции). В результате уровень менее ценной амилозы в крахмале трансгенного сорта был понижен практически до нуля.

Аналогичная "антисмысловая" генетическая конструкция использована и при создании трансгенного сорта томатов FLAVRSAVR с удлиненным периодом хранения плодов. Обычно в процессе созревания плоды томатов вскоре после покраснения постепенно теряют упругость, становятся мягкими и загнивают. Причиной этого является образование фермента полигалактуроназа, который деградирует пектин, находящийся в межклеточном пространстве плода. При создании трансгенного сорта была использована антисмысловая конструкция названного гена. В результате у полученного сорта полигалактуроназа образуется в пониженном количестве, благодаря чему спелые помидоры в течение продолжительного времени сохраняют товарный вид.

При создании трансгенного рапса с улучшенным составом масла использован более традиционный для генетической инженерии подход горизонтального переноса генов от неродственных видов. В генетический материал рапса был "подсажен" ген тиоэстеразы от калифорнийского лаврового дерева. Вследствие этого трансгенный сорт получил способность образовывать масло, в котором появились не свойственные для рапса лавровая и миристиновая жирные кислоты. Такое масло по качеству приблизилось к наиболее ценным растительным маслам: пальмовому и кокосовому.

Большой интерес представляет использование трансгенных растений в целях получения съедобных вакцин для повышения устойчивости организма человека к опасным заболеваниям.

Для этого предлагается достаточно простая схема. В генетический материал растения переносят небольшой фрагмент ДНК какого-либо патогена (чаще всего вируса). В результате в плодах такого трансгенного растения образуется определенный протеин, характерный для патогена (сам по себе он не может вызвать заболевание). При поедании этот протеин может достигать тонкого кишечника, где происходит его всасывание в кровь. Здесь он выступает в качестве чужеродного агента - антигена, к которому организм вырабатывает благодаря естественному механизму иммунитета соответствующие антитела. Теперь в случае попадания в организм активных вирусных частиц их ждет уже созданная система обороны, которая способна их обезвреживать. Используя описанную стратегию, удалось, например, получить растения бананов, поедание плодов которых индуцирует образование антител к вирусам папилломы, которые могут вызывать у людей некоторые формы рака.