История генной инженерии

Мы живём в непрерывно меняющемся мире. Одно из наиболее ярких изменений — появление новых форм живого в ходе непрерывно идущего эволюционного процесса. Движущей силой этого процесса являются мутации, случайные изменения генетического материала. Наиболее удачные с точки зрения приспособляемости изменения закрепляются — так появляются новые виды растений и животных.

Этот естественный процесс использовался человеком задолго до открытий Дарвина и Менделя, при выведении новых сортов полезных растений и домашних животных. И сейчас традиционная селекционная работа протекает примерно таким образом: семена растений подвергают действию какого-либо мутагена (например, активного химического вещества), эти семена высаживают, собирают урожай и отбирают растения, лучше других удовлетворяющие требованиям селекционера, — например, сопротивляющиеся засухе. На другой год их снова высаживают, дожидаются урожая, отбирают лучшие особи и так далее. В результате появляется новый засухоустойчивый сорт.

Так работали Мичурин, Бербанк и тысячи других селекционеров. Современные генетики и биохимики выяснили, какие именно участки молекулы ДНК (носителя генетической информации) «отвечают» за засухоустойчивость и неполегаемость пшеницы, за невосприимчивость сои к пестицидам, за несъедобность картофеля колорадским жуком, за длинные рога антилопы. Научились эти участки (гены) из молекулы ДНК одного организма вырезать и в молекулу ДНК другого вставлять. В результате этой быстрой и дорогой операции можно в течение двух-трёх лет получать новые сорта растений с заданными свойствами.

Эти сорта назвали трансгенными (т.е. с перемещёнными генами), а занимающийся этими операциями раздел науки — генной инженерией, или, шире, биотехнологией. Теперь селекционеру, превратившемуся в генного инженера, уже не надо ждать десятилетия, чтобы добиться желаемого результата. Методами генной инженерии можно получать качественно новые особи, изменять свойства исходных сортов в желательном для человека направлении.

К геному растения прививается ген иных живых существ или других растений, после чего оно становятся менее подверженным заболеваниям или приобретает устойчивость к засухе. Например, учёные встроили в ДНК помидора ген арктической камбалы. Овощ столь же легко переносит холода, как и глубоководная северная рыба.

Генетически модифицированные продукты (ГМП), полученные из таких растений, могут иметь новые полезные для человека свойства (вкус, пищевую ценность, устойчивость к неблагоприятным условиям в процессе хранения и т.п.).

С широким использованием так называемых трансгенных организмов сегодня связывают надежды на преодоление голода на Земле, население которой растёт быстрее, чем ожидалось. По мнению генетиков, применение модифицированных растений с повышенной урожайностью может обеспечить получение необходимых продуктов питания и при этом сократить сельскохозяйственный оборот земель, применение минеральных удобрений, гербицидов, инсектицидов. Модифицированные растения смогут противостоять засухе и засоленным почвам. Можно будет повысить устойчивость сельскохозяйственных культур к вредителям, увеличить содержание ценных веществ в пищевых продуктах; получать и производить растительные пищевые вакцины и фармакологические препараты.

Многие жители индустриальных стран, полностью обеспеченные традиционными продуктами, считают, что производство биотехнологических продуктов опасно, что здоровье людей и окружающая природа приносятся в жертву своекорыстным интересам монополий. В развивающихся странах, испытывающих нехватку продовольствия, также немало противников ГМП. Природа риска при получении и использовании генетически модифицированных организмов следующая:

а) Генно-инженерные технологии начали применять сравнительно недавно, и пока мы не знаем, как будут вести себя изменённые нами организмы и их потомки через 20, 50 и более лет.

б) Традиционные растения и животные могут вытесняться трансгенными, причём риск значительно возрастёт при глобальном распространении «мутантов». Под угрозой оказывается сохранение и устойчивое использование биологического разнообразия.

в) Генетически модифицированные организмы могут переноситься насекомыми и птицами на достаточно далёкие расстояния, что также будет изменять складывавшееся веками равновесие.

г) Возможен перенос генов изменённых растений в хромосомы сорняков и, как следствие, появление новых организмов с непредсказуемыми, в том числе потенциально опасными, свойствами. В природе перенос генов — достаточно обычное явление. Например, случайно возникший у растений рапса ген устойчивости к гербициду атразину за двадцать лет был перенесён в десятки сортов рапса. д) Появление неизвестных аллергических реакций в связи с изменением состава пищи. (С другой стороны, аллергенность и так увеличивается, поскольку в сельском хозяйстве используется все больше химических удобрений, инсектицидов и гербицидов.)

Защитники достижений генетики убеждены: поднявшийся шум вокруг трансгенных культур на самом деле не что иное, как борьба за рынки сбыта сельскохозяйственной продукции, очередная экономическая война. Сытой Европе не нужна дешёвая продукция американских фермеров, вот она и ставит заслон товарам из Нового Света.

Биоинженерия уже внесла в сельскохозяйственные культуры немало полезных для потребителя свойств. Например, из улучшенных сортов кукурузы, соевых бобов и рапса получается растительное масло, в котором снижено количество насыщенных жиров. В «новых» картофеле и кукурузе больше крахмала и меньше воды. Такой картофель при жарке требует немного масла. из него получаются воздушные чипсы и картофель фри, легче усваиваемые желудком. Усовершенствованные помидоры, тыква и картофель лучше сохраняют витамины. Рис — основной продукт питания во многих развивающихся странах — модифицирован специально для местного населения: в нем теперь есть витамин А и железо, что несёт избавление от тяжёлых болезней. Морковь стала более сладкой, сочной и хрустящей, сельдерей освободился от компонентов, раздражающих вкус. Кукуруза синтезирует собственные токсины, чтобы убивать насекомых-вредителей и личинок кукурузной моли-точильщика. В Канаде получена свёкла, устойчивая к гербицидам. В виноград пересадили ген от капусты, повысивший его морозостойкость.

Тяжёлый труд на земле превратится для фермеров в сплошное удовольствие — растения сами будут справляться со своими болезнями, вирусами, научатся отражать атаки насекомых-вредителей.

Некоторые эксперты считают, что лекарства будущего будут продаваться не в виде таблеток, а, например, в виде фруктов: теоретически возможно вывести яблоки, которые смогут заменить таблетки со снотворным.

Возможно выведение пород животных, обладающих определёнными заданными свойствами, например свиней с менее жирным мясом и т.д. Всего около половины производимого мяса составляют генные продукты.

Вместо укола с вакциной от какой-нибудь опасной инфекции врачи будут рекомендовать пациенту использовать в пищу, скажем, листья специально выращенного с этой целью зелёного салата, который укрепит иммунную систему его организма. Растения-вакцины, в геном которых встроены гены вирусов, смогут заменить человеку некоторые прививки.

Число генетически модифицированных продуктов растёт: только в США их производством на 10 миллионах гектаров занимаются десятки компаний. Сегодня разработано более 120 видов генетически изменённых растений: соя. кукуруза, рис, хлопок, тыква, огурец, перец, дыня... Многие из этих культур в промышленных масштабах выращивают в США, Аргентине, Канаде, Австралии, Китае, Мексике, Испании, Франции, Южной Африке, Португалии, Румынии, Японии, Индии. Если в 1996 году под посевы генетически модифицированных растений отводилось около двух миллионов гектаров, то в 2002 году — пятьдесят миллионов.

Потребители настороженно относятся к новым растениям. Например, чудом биоинженерии стал картофель, о котором мечтают российские огородники. Его не может одолеть колорадский жук — в геном картофеля «вмонтирован» ген бактерии, которая вырабатывает смертельный для вредителя яд: у жуков растворяется хитин, твёрдые части тела становятся мягкими, и они умирают.

Однако учёные почему-то не подумали о других насекомых, садящихся на картофель, и были удивлены, когда на нем стали погибать мотыльки, бабочки, божьи коровки, пчёлы.

Эксперты ВОЗ предполагают, что существует потенциальная опасность переноса встроенных генов от растений к бактериям, т.е. новый ген может перебраться, например, в микрофлору кишечника. Риск вредных воздействий увеличивается многократно, если почву, на которой вырос овощ, обрабатывали пестицидами.

Сою модифицируют, в частности, для того, чтобы она была устойчивой к ядохимикатам, применяемым для защиты культурных растений, — к гербицидам, например. Опрыскали поле гербицидом — сорняки погибли, а сое ничего не сделалось. Но есть данные, что генетические изменения повышают способность сои накапливать глифосфат- сильный канцероген. Микрофлора в нашем желудке под влиянием генетической вставки может измениться до неузнаваемости. Лучше делать колбасу из мяса.

В некоторых странах уже начались клинические испытания на добровольцах, которые решились питаться лишь генетически изменёнными продуктами. Россия, которая половину сельхозпродукции импортирует, не может объявить бойкот продуктам-«мутантам». Ряд российских учёных считают, что чем больше человек потребляет ГМП, тем больше риск злокачественных изменений в крови, заболеваний желудочно-кишечного тракта и нервной системы, выше вероятность непроходимости кровеносных сосудов, аллергических заболеваний.

Центр «Биоинженерия» РАН предлагал премию в 10 000 долларов тому, кто предоставит данные о том, какой именно вред картофель, устойчивый к колорадскому жуку, наносит здоровью человека. Никто за премией не пришёл. Почему народ веками ест икру — сплошной генетический материал рыб, а сейчас ещё все увлеклись суши и едят сырую рыбу. Мы тысячелетиями едим селекционно изменённый белок домашних животных — и ничего, хвостов и копыту населения не появилось. Выведенная Мичуриным черноплодная рябина не перекрасила европейцев в африканцев, а ведь это тоже генетически, селекционно изменённая культура. Генетически модифицированный кресс-салат, созданный учёными из Дании, способен обнаруживать неразорвавшиеся мины, предотвращая тысячи смертей и увечий. Считается, что сейчас по всему миру в земле покоится около 100 миллионов неразорвавшихся мин. В год от них погибают" получают увечья около 26 000 человек. Уникальное растение, выращенное копенгагенской фирмой Aresa Biodetection, представляет собой генетически модифицированную версию кресс-салата (Arabidopsis thaliana). Оно чувствительно к диоксиду азота (NOJ, который выделяют зарытые в землю мины, поэтому вблизи от них через 3-5 недель после посева листья растения из зелёных становятся красными. Теперь Aresa занята созданием пульверизатора, с помощью которого можно будет дёшево и безопасно высаживать семена. Кроме того, сотрудники компании пытаются вывести растения, реагирующие на кадмий и никель. Они также постарались не допустить распространение этого растения по всему миру: для этого у салата был удалён ген, отвечающий за гормон роста, и для жизни ему необходимо специальное удобрение.

С определённой долей юмора можно сказать, что любой взрослый человек, употребляющий молоко — мутант. Человеческий организм переваривает молоко благодаря особому ферменту — лактозе, который расщепляет молочный сахар на отдельные, легко усваивамые вещества. Однако на протяжении многих тысяч лет организм взрослых людей был неспособен вырабатывать лактозу и молоко относилось к числу несъедобных продуктов.

Около двенадцати тысяч лет назад жители Передней Азии стали приручать копытных животных и даже доить их. Но по-прежнему нужное количество кальция они получали, питаясь зеленью трав. Витамин D давала рыба. К тому же этот витамин образуется в организме человека под действием солнечных лучей, а в странах Передней Азии солнца много.

Другое дело — Северная Европа, где погода часто бывает пасмурная, а зелень произрастает лишь в короткие летние месяцы. Чтобы утолить потребность в витаминах, люди нуждались в какой-то новой, особенной пище. Вот тут в выигрыше и оказались люди с определённым дефектом — те, чей организм выделял лактозу на протяжении всей их жизни. Ведь они могли питаться молоком! Обилие кальция благотворно сказывалось на организме и, как следствие, их потомство было более многочисленным и стойким

Постепенно этот ген распространился среди всех жителей Северной Европы. Через четыре — пять тысяч лет 90% всего взрослого населения этого региона питались свежим молоком.

Так сложилось, что у китайцев этот ген вообще не появился. Нехватку молока они компенсировали другими продуктами, а вот молоко китайцы не пьют.

Из тысячи жителей городка Лимоне на севере Италии около пятидесяти — мутанты. Внешне они ничем не выделяются, но не могут болеть атеросклерозом, значит, защищены от инфаркта или инсульта. В крови этих людей много холестерина, но он связан с особым белком, который не даёт холестерину осаждаться на стенках артерий. Учёные Миланского университета установили (изучив генеалогию счастливцев), что ценная мутация впервые появилась у ребёнка, рождённого в 1780 году.

В Мельбурне удалось вырастить табак, в генетический код которого “вмонтирован” человеческий ген, отвечающий за выработку антител к вирусу кори. Скармливая лабораторным мышам его листья, исследователи заражали животных корью. Мыши остались живы-здоровы. В ближайшем будущем, утверждают учёные, будут созданы другие подобные растения — овощи и фрукты с противовирусной “начинкой”.

Для получения одного килограмма рыбы требуется два килограмма корма, а для одного килограмма мяса — пятнадцать. Поэтому генетики собираются накормить человечество с помощью так называемых трансгенных рыб.

Такие рыбы — реальность. Это форель с генами крысы, щука с генами коровы, золотая рыбка с генами человека и т.д. В основном, чужие гены предназначены для ускорения роста, но есть гены устойчивости к заболеваниям и холоду.

В Обэрнском университете в США, где содержат крупнейшее стадо генетически сконструированных рыб, приняты строжайшие меры, чтобы они не сбежали на свободу. Специалисты опасаются, что трансгенные рыбы могут нарушить равновесие в экосистемах, на установление которого природе потребовалось миллионы лет. Их гены могут «загрязнить» гены диких рыб.

Опасно неаккуратное обращение даже с обычными рыбами. Так, одомашненный лосось, ранее выращиваемый только в норвежских фьордах, ныне обитает в 32-х реках Скандинавии. Он разносит болезнь фурункулёз, которой никогда не было у его дикого сородича. И ещё — скрещиваясь с дикарями, он лишает их инстинкта дома, столь необходимого для размножения. Нильский окунь, в 60-е годы выпущенный в озеро Виктория, устроил там экологическую катастрофу. На дне этого крупнейшего в Африке пресного озера появилась обширная мёртвая зона из-за гниющих водорослей — громадный окунь сожрал травоядных местных рыб. Расплодились улитки — переносчицы опаснейшей паразитарной болезни шистоматоза. А поскольку окуней коптят на деревянных кольях над костром, то вокруг озера почти не осталось леса.

Английские генетики создали мышь, которая никогда не толстеет. Как сказал один из участников исследований, этой счастливице жутко завидовали жены учёных. Ведь она может поедать самые лакомые яства, от которых талии обычных особей исчезают. Но счастье не бывает безоблачным. Миниатюрной мыши приходится жить с постоянно высокой температурой.

Гены грызуна изменены так, что продукты расщепления пищи не откладываются в виде жира, а превращаются в тепло. Поэтому мышь и разогревается дополнительно на несколько градусов. Успешный эксперимент вдохновил учёных на создание лекарства для полных. В университете штата Джорджия (США) методами генной инженерии получены растения, которые могут перерабатывать токсичную ртуть в безопасные соединения. Биологи использовали бактерии, способные размножаться в среде с высоким содержанием ртути. Гены бактерий, ответственные за обеззараживание ртути, пересадили в растения. Расчёт учёных оправдался: через корни опасные соединения ртути попадали в растения и откладывались в листьях в виде безопасных соединений. Эксперимент поставили на тополе-и уже получили семена, часть из которых сохранили полезные гены.

Американские учёные превратили злобных мышей в добрых и ласковых. Началось с наблюдений за двумя близкими видами полёвок — равнинными и горными. Их ДНК на 99 идентичны. Но поведение разное. У равнинных мышей «семейные» пары складываются на всю жизнь, большую часть времени проводят в трогательной любви и заботе друг о друге. Если один из супругов погибает, второй доживает свой век в одиночестве. Равнинные мыши живут прочными группами, заботятся о потомстве. Горные меняют партнёров как перчатки и не утруждают себя заботой о детях. Живут «горцы» поодиночке.

Учёные установили, что главную роль в модели поведения играют гормон вазопрессин и схема расположения в мозге воспринимающих его рецепторов. Гены, регулирующие развитие рецепторов у полёвок, идентичны. Зато принципиально отличаются расположенные перед этим геном участки ДНК, где записан химический код — программное обеспечение гена.

Когда учёные пересадили ген и кусочек ДНК равнинных полёвок горным, те изменились. По мере роста их мозг становился похожим на мозг равнинных полёвок. Когда они стали взрослыми и им был введён вазопрессин, они из злобных существ превратились в общительных и любвеобильных. Но взрослые мыши не страдали моногамией.

Канадские селекционеры с помощью генной инженерии вывели новую породу свиней, которая лучше обычных пород усваивает фосфор, содержащийся в пище. В их навозе поэтому на 20-30% меньше фосфора, чем в навозе обычных свиней, а в результате он менее опасен для окружающей среды.

Одно из крупных достижений молекулярной биологии состоит в выделении и секвенировании генов, определивших «зелёную революцию» в 50-70-е годы. Это позволяет получать новые высокоурожайные сорта растений не в результате десятилетий кропотливой селекционной работы, а прямым введением в геном растений необходимого гена.

В 60 — 70-е годы произошло резкое увеличение урожая зерновых культур, названное «зелёной революцией». В её основе лежало создание селекционерами новых сортов, принципиально отличающихся от старых. Ведущую роль сыграл американский селекционер и генетик Норманн Эрнстон Борлауг, с 1944 года работавший в Мексике и получивший за исследования в области «зелёной революции» Нобелевскую премию мира в 1970 году. Старые сорта злаковых культур обладали длинным, сравнительно тонким стеблем. В условиях достаточного увлажнения и хорошего минерального питания растения формировали большой колос. Стебель не выдерживал его тяжести и полегал под действием дождя и ветра, что приводило к большим потерям урожая.

Новые сорта, отличались укороченным стеблем, устойчивым к полеганию. Эти сорта позволили изменить агротехнику, увеличить дозу минеральных удобрений, а в результате выращивать растения с крупными, заполненными полноценным зерном колосьями. Изменилась «архитектура» растений, что позволило на единице площади выращивать гораздо большее число колосьев.

Другие статьи: