Генна інженерія — ключовий напрям сучасної біотехнології

 

Ми стоїмо біля краю неосяжного моря. Тисячі різних дорогоцінних або шкідливих речовин — генів — розчинені в цьому морі... І це море хвилюється. Нечутно щохвилини відбуваються в них мутації, даючи нам нові цінності або отруюючи це море новими отрутами. Поволі розповзаються дифузійними процесами ці гени, захоплюючи все нові й нові зони. Складними потоками переливаються, змішуючись і крутячись, різноколірні струмені, народжуючи нові комбінації генів, часто невідомі людині... Ім’я цьому морю — генофонд. Пізнати, зрозуміти й оволодіти його схвильованим багатоскладовим життям — наше благородне завдання!
(Олександр Серебровський, 1928 р.)

Етапи розвитку селекції

Сорт являє собою унікальну комбінацію генів або алелів генів, яка різнить його з іншими. Традиційна селекція здійснюється під час схрещування двох генотипів (сортів). У популяції, що розщеплюється, хромосоми рекомбінують і обмінюються фрагментами ДНК, унаслідок чого складається нова комбінація генів. Хромосоми обмінюються сотнями й тисячами генів. Передання одного або кількох потрібних генів рослині є складною проблемою.
 

Особливості традиційної селекції

1. Процес пошуку потрібних рекомбінантів є ймовірним, у зв’язку з цим є великі витрати часу й великі масштаби схрещувань і досліджуваного селекційного матеріалу.
2. Новий сорт можна отримати через 12–14 років після гібридизації, коли вже поширено нові раси патогенів і шкідників. У цьому плані традиційна селекція “не наздоганяє” фіто- і ентомоз-санітарні потреби сьогодення.
3. На практиці сорт може бути стійким проти хвороб протягом п’яти-семи років.
4. Під час схрещування передаються сотні і тисячі генів.
5. Неможливо залучити гени із генетично віддалених видів.
6. Біотехнології відкривають нові перспективи для людства.

Сфери застосування сучасної біотехнології

Промислове виробництво антибіотиків. У другій половині ХХ сторіччя було відкрито низку терапевтично цінних антибіотиків з широким спектром антимікробної дії. Їхнє використання дало можливість ефективно боротися з мікроорганізмами — збудниками черевного тифу, дизентерії, холери, бруцельозу, туляремії, а також рикетсіями (збудниками черевного тифу) й великими вірусами (збудниками Psyttakoza, лімфогранулематозу, трахоми та ін.). На сьогодні кількість відомих антибіотиків перевищує 2000, але на практиці використовують близько 50 найменувань.

Біологічні методи боротьби із забрудненням навколишнього середовища. У 50-60-ті роки минулого століття, живі організми (мікроорганізми, водорості, вищі рослини тощо) почали широко використовувати в технологіях очищення стічних вод і знезараження промислових відходів.
Промисловий біотехнологічний синтез. Мікроорганізми широко використовуються для промислового виробництва органічних розчинників (ацетону й бутанолу), амінокислот, кормових білків, ферментів, антибіотиків, вакцин і інших препаратів, широко використовуваних у промисловості, виробництві кормів, сільському господарстві, медицині та ветеринарії.
Отримання нових видів палива. Виробництво рідкого моторного палива, зокрема етанолу, методом мікробіологічної ферментації різноманітної сільськогосподарської сировини (цукрова тростина, цукрові буряки і меляса, крохмаль картоплі, маніоки, топінамбур). У Бразилії виробництво етанолу (2004 р.) становило 8,4 млн т, що відповідає 5,6 млн т бензину найвищої якості.
Виробництво біогазу з целюлози й відходів життєдіяльності тварин і людини. Виробництво біогазу засноване на анаеробному розкладанні мікроорганізмами целюлози й органічної речовини, що містить азот, і отриманні з них метану, що використовується для приготування їжі, обігріву й вироблення електроенергії.
Застосування біотехнологічних методів у сільському господарстві привело до справжньої революції в традиційній селекції і дало змогу набагато прискорити процес отримання нових сортів рослин і порід тварин, а також створювати трансгенні форми організмів.
 

Сучасна біотехнологія в рослинництві

Сучасна біотехнологія заснована на використанні методів клітинної і генетичної інженерії.
Культура in vitro (“у пробірці”) – створення в штучних середовищах культур рослинних і тваринних клітин, тканин і протопластів (рослинні клітини, позбавлені целюлозної оболонки) для одержання безвірусного садивного матеріалу, розмноження цінних форм рослин і тварин, виробництво біологічно активних речовин, антитіл тощо.
ДНК-технології (молекулярні маркери) — добір і селекція рослин за допомогою молекулярних маркерів.
Генна інженерія і генетична трансформація — система методів і технологій, що дають можливість ідентифікувати, виділяти, клонувати й переносити окремі гени.

Генно-модифіковані організми

Генно-модифікований організм (ГМО) — це будь-який організм із новою комбінацією генетичного матеріалу, одержаний завдяки використанню методів генної інженерії. А генетично модифікованими є всі сорти рослин, одержані внаслідок модифікації генетичної структури вихідного генотипу.
Основною метою отримання ГМО є поліпшення агрономічно важливих ознак організму-реципієнта (наприклад, підвищення стійкості рослини до гербіцидів, комах-шкідників, патогенних мікроорганізмів) для зниження собівартості кінцевого продукту.

Етапи розвитку генної інженерії рослин

• 1944 ДНК — трансформація пневмококів
• 1953 ДНК — матеріальний носій генетичної інформації
• 1966 Coe, Sarkar — спроба генетичної трансформації кукурудзи

Передгенно-інженерний період   

• 1970 Синтез гормонів людини в бактеріях
• 1973 Відкриття природного обміну генетичною інформацією між агробактерією і дводольними

Генна інженерія рослин   

• 1994 Трансгенні помідори
• 2007 114,3 млн га ГМР

Біоінженерні технології

Процедура одержання ГМО має кілька основних етапів:

1. виділення та ідентифікація окремих генів (відповідних фрагментів ДНК або РНК), які потрібно перенести іншим організмам;
2. клонування (розмноження) гена, що переноситься;
3. перенесення гена (або трансгенної конструкції) всередину клітини і розміщення його в ДНК організму-реципієнта;
4. виявлення трансгенних клітин (організмів).

Переваги використання ГMР у сільському господарстві

Рослинництво

• Стійкість (толерантність) до гербіцидів досягається завдяки перенесенню культурним сортам гена бактерії, мутанта грунтової бактерії Agrobacterium tumefaciens (CP4), ферменту, що обумовлює стійкість до дії гербіциду.
• Стійкість трансгенного сорту до певного гербіциду (гліфосату і глюфозинату) дає змогу обприскувати культури цим гербіцидом, знищуючи бур’яни без шкоди для культурної рослини.

Потенційні переваги

• Ефективна боротьба з бур’янами й збільшення доходів завдяки зниженню затрат праці.
• Зменшення використання гербіцидів завдяки скороченню заявок на їхнє постачання.
• Збільшення врожаю завдяки посиленню контролю над бур’янами й підвищенню доходів.
• Використання нового (менш шкідливого) виду гербіцидів замість токсичних і хімічно стійких видів.
• Стійкість проти комах-шкідників. Стійкість ГМ-рослин проти комах-шкідників досягається внесенням гена, що викликає вироблення інсектицидного токсину (такого, як токсин Bt з бактерії Bacillus thuringiensis). Найбільших успіхів у створенні Bt-сортів удалося досягти на картоплі, кукурудзі та бавовнику.
• Зменшення об’єму хімічного інсектициду, використовуваного під час висіву.
• Підвищення врожайності завдяки зменшенню збитку, завданого шкідниками, і зростання доходів фермерів.
• Скорочення основного збитку до і після зняття врожаю завдяки використанню інсектицидів, застосованих для запобігання проникненню хвороботворних організмів у культуру.

Ризики, пов’язані з ГMР

• Передача гена стійкості до гербіциду спорідненим диким видам, що дасть можливість їм перетворитися в гербіцидостійкі “супербур’яни”;
• ГМ-культури самі можуть стати “супербур’янами” і розповсюджуватися на нові території, витісняючи інші культури або схрещуючись із ними;
• Збільшення використання специфічних гербіцидів на ГM-посівах може призвести до появи гербіцидостійких форм смітних рослин. Зареєстровано низку видів злакових і бобових бур’янів, стійких до гліфосату;
• Широке поширення гербіцидостійких сортів збільшує масштаби застосування гербіцидів і витісняє органічні методи боротьби зі смітною рослинністю;
• Вирощування ГМ-рослин може призвести до генетичного забруднення посівів фермерів, які впровадили екологічне (органічне) виробництво й переробку, що завдасть великого економічного збитку;
• Зниження сортової різноманітності;
• Передання гена стійкості до комах-шкідників спорідненим диким видам дасть можливість перетворитися на інсектицидостійкі “супербур’яни”
• Інсектицидні культури знищуватимуть нецільові (корисні) види комах. Bt-токсин, що виділяється трансгенними формами картоплі, уражує не тільки колорадського жука, а й 150 інших видів комах, які не поїдають картоплю.
• Перехід шкідників на нові культури. Сорти рослин, модифіковані за допомогою ГМ-технологій, стануть непривабливими для шкідників, наприклад, картоплі (з допомогою Bt-токсину), внаслідок чого це може підштовхнути шкідників до освоєння нових, таксиномічно близьких, видів рослин, що масово не уражуються (для колорадського жука — інших пасльонових: томатів, перцю, баклажанів).

Порушення природного контролю спалахів чисельності шкідників

Дія токсинів ГМ-рослин на хижих і паразитичних комах може призвести до серйозних порушень в екосистемах, зокрема до неконтрольованих спалахів чисельності одних видів і вимирання інших. Відомі випадки порушення процесів зростання й життєдіяльності представників одного виду сонечок, основною їжею яких були личинки, вирощені на трансгенній картоплі.
У комах-шкідників почне розвиватися стійкість до інсектицидів, що з часом стане причиною зниження врожаю та використання нових, потужніших, інсектицидів. Так, у фітонематоди Caenorhabditis elegans було виявлено десять мутантів, стійких до Bt-токсину.
 

Стійкість до вірусних, грибкових і бактеріальних хвороб 

Сучасні генно-інженерні технології створення стійких до вірусів сортів рослин базуються на використанні методу перехресного захисту (cross protection). Він заснований на явищі підвищеної стійкості рослин до агресивних форм якого-небудь вірусу за умови, що вони були заражені менш шкідливою формою того самого виду вірусів.

У 1986 році П. Абель уперше одержав стійку до мозаїчного тобамовірусу форму тютюну способом перенесення в геном рослини г ена, що кодує утворення білка оболонки цього вірусу.

З усієї різноманітності одержаних вірусостійких форм для комерційного використання допущено порівняно небагато: папайя, стійка проти вірусу плямистості; дві форми цукіні, стійкі проти кількох вірусів; сорти картоплі з комплексною стійкістю проти колорадського жука (Bt-ген) і проти одного з вірусів картоплі: У-вірусу (PVY) або вірусу скручування листя (PLRV).

Поліпшення якісних характеристик

Створення трансгенних сортів рослин із поліпшеними якісними характеристиками базується на введенні в геном рослини додаткових копій певних власних генів, що спричинює істотне ослаблення їхньої активності.
Наприклад, якість рослинної олії залежить від співвідношення в ній різних жирних кислот. Упровадження в геном сої додаткової копії гена ферменту десатурази призвело до того, що власний ген десатурази перестав працювати. Це спричинило зниження в соєвій олії рівня поліненасичених жирних кислот і призвело до компенсаційного збільшення рівня мононенасиченої жирної кислоти.
Трансгенні сорти картоплі з поліпшеною якістю крохмалю різняться з традиційно високим вмістом амілопектину й низьким — амілози.
Трансгенний сорт томату Flavrsavr різниться з вихідним подовженим періодом зберігання плодів. Гниття стиглих плодів пов’язане з дією ферменту полігалактонази, який руйнує пектин, що міститься в міжклітинному просторі плоду. Внаслідок уведення в геном рослини додаткової копії гена, що кодує цей фермент, вдалося різко знизити його концентрацію й збільшити тривалість зберігання плодів.
 

ГМ-продукти та харчова промисловість

ГМ-продукти — це продукти, одержані з ГМО або інгредієнтів, що містять їх. ГМ-продукти можна розділити на чотири категорії:

• продукти, що містять ГМ-інгредієнти (в основному трансгенна кукурудза й соя). Ці добавки вносять у харчові продукти як речовини, що структурують, підсолоджують, фарбують, а також як речовини, що підвищують вміст білка;
• продукти переробки трансгенної сировини (наприклад, соєвий сир, соєве молоко, чіпси, кукурудзяні пластівці, томатна паста);
• трансгенні овочі й фрукти (а в недалекому майбутньому, можливо, й тварини), які безпосередньо вживатимуть у їжу;
• харчові продукти, зроблені з тварин, вигодуваних на ГМ-продуктах.

Потенційні переваги використання ГМ-продуктів для харчової промисловості:

• Поява дешевих джерел жирних кислот для використання їх у харчових і технічних цілях;
• Отримання корисніших за своїми поживними властивостями продуктів;
• Зниження витрат на виробництво крохмалю;
• Подовження термінів зберігання й реалізації плодів.

Потенційні ризики:

• Несподівані зміни якості сировини можуть поставити під загрозу безпеку продуктів харчування.
• За комплексом білків, вітамінів, незамінних амінокислот харчові трансгенні продукти будуть такими самими, як звичайні, або навіть гіршими.
• Погіршають експортні можливості країн, що вимагають маркування продуктів, одержаних з використанням ГМО.

Найімовірніші потенційні харчові ризики, пов’язані з ГМ-продуктами

• Безпосередня дія токсичних або алергенних трансгенних ГМ-білків на людину та інших теплокровних.
• Алергенна дія трансгенних білків-хітиназ, здатних руйнувати хітинові стінки шкідників. Генами хітиназ модифіковані рі зні сорти рису, картоплі, пшениці та інших культур. Водночас добре відомі так звані бананові алергії, головним алергеном яких є хітинази авокадо, бананів, каштана.
• Лектин нарциса, що має яскраво виражені властивості інсектициду, є мутагеном, причому найсильніше мутагенна дія виявляється на культурах лімфоцитів людських ембріонів.  Білки лектину були одними з перших трансгенів під час формування стійкості проти комах-шкідників. Роботи, які проводили з трансгенними інсектицидними лектинами бразильського горіха (Bertholletia excelsa), було припинено через їхню високу алергенність. Хітинзв’язуючі лектини з паростків пшениці й квасолі токсичні для ссавців.

Ризики, опосередковані множинною дією трансгенних білків на метаболізм рослин і можливістю накопичення в них небезпечних для здоров’я людини речовин.
Нині існують трансгенні сорти помідорів і картоплі з посиленою продукцією флавоноїдів. Проте в таких сортах було виявлено суттєву зміну складу глікоалкалоїдів.
Проводячи роботи зі створення трансгенних рослин із стійкістю проти чинників середовища і для збільшення врожайності, використовують ключовий фермент — аргінін декарбоксилазу. Результатом посиленого синтезу цього ферменту в трансгенних тютюні й рисі є підвищений вміст агматину і вторинних продуктів його розпаду. Ці речовини здатні впливати на поділ клітин і сприяють утворенню пухлин.

Ризики, опосередковані накопиченням гербіцидів і їхніх метаболітів у стійких сортах і видах сільськогосподарських рослин:

• У разі обробки Гліфосатом стійких до нього сортів цукрових буряків рослини накопичують токсичні метаболіти Гліфосату.
• Зафіксовано здатність репродуктивних тканин бавовника, стійкого до Гліфосату, до дуже високого накопичення цього гербіциду.

Ризики горизонтального перенесення трансгенних конструкцій

Більшість сільськогосподарських ГМ-рослин, крім генів, що додають їм бажаних властивостей, містять маркерні гени стійкості до антибіотиків. Унаслідок цього є небезпека, що ці гени можуть бути перенесені в клітини патогенних або симбіонтних мікроорганізмів, що живуть у шлунково-кишковому тракті людини й сільськогосподарських тварин, і викликати в них стійкість до антибіотиків. У цьому разі використання антибіотика для лікування певної хвороби призведе до відбору бактерій, стійких до нього, й антибіотик почне засвоюватися мікрофлорою безпосередньо в кишківнику, не досягаючи цільових патогенних бактерій, або не впливатиме на стійкі до нього патогенні мікроорганізми.

ГМО і екологічні ризики

Джерела екологічних ризиків широкого використання в сільськогосподарському виробництві пестицидів і генетично модифікованих організмів.
До найзначущіших аграрно-екологічних ризиків належать:

• зниження різноманітності традиційних (аборигенних) сортів рослин і порід тварин;
• скорочення видової різноманітності; швидкорослі види трансгенних організмів можуть витіснити звичайні види з природних екосистем;
• неконтрольоване перенесення генів, особливо генів, що визначають стійкість до пестицидів, шкідників і хвороб, унаслідок перезапилення з дикорослими спорідненими й предковими видами;
• збільшення використання гербіцидів широкого спектру (наприклад, гліфозинату або гліфосату) призведе до збіднення видового складу корисної ентомо- й орнітофауни (комахи й птахи) і до руйнування агробіоценозів;
• виснаження й порушення природної родючості грунтів: ГМ-культури з генами, що прискорюють зростання й розвиток рослин, значно більше, ніж звичайні, виснажують грунт і порушують його структуру. Внаслідок пригнічення токсинами ГМ-рослин життєдіяльності грунтових безхребетних, грунтової мікрофлори й мікрофауни, відбувається порушення природної родючості грунтів.

ГМО і соціально-економічні ризики

• Складності у визначенні економічної вигоди.
• Насіння ГМ-культур коштує дорожче за звичайне насіння.
• У США в 1998 році бушель ГМ-кукурудзи коштував 30 дол. США, сої — 5 дол., що на 20–30% дорожче за насіння звичайних сортів. У Європі в середньому вартість ГМ-насіння була на 35% вища за вартість звичайного: 57 євро/га для ГМ-сої порівняно із 42 євро/га для звичайної сої (2000 р.).
• Агротехнічно зручніше вирощування ГМ-рослин складніше оцінити за затратами праці, оскільки фермерам потрібні нові навички для їхнього вирощування.
• Використання ГМ-рослин не посприяло очікуваному зменшенню використання пестицидів.
• Середня врожайність ГМ-рослин може бути не вищою, а іноді й нижчою, ніж традиційних культур.
• Прибутковість виробництва ГМ-рослин виявилася нижчою за очікувану. 
• Фермери, які вирощують ГМ-культури, не мають контролю над посівним матеріалом, тому їм доводиться виплачувати так звану технологічну платню. У разі із використанням запатентованого насіння фермерам не дозволяється зберігати або використовувати його повторно.
• Ситуація ускладнюється дедалі активнішим використанням біотехнологічними компаніями так званих “термінаторних” технологій: ГМ-насіння вирощених рослин роблять стерильним, і це змушує фермерів щорічно купувати дорогий насіннєвий матеріал.
• Транснаціональні компанії монополізують ринок насіння.
• За даними ООН, у всьому світі понад 1,4 млрд осіб залежать від посівного матеріалу, збереженого фермерами, і технологія “термінаторів” ставить під загрозу гарантування світової продовольчої безпеки.
• Система патентування призвела до судових розглядів, де позивачами виступають біотехнологічні компанії, а відповідачами — фермери, що незаконно вирощують ГM-культуру або мають поля, які були генетично забруднені пилком трансгенних рослин.

Хто є супротивником розвитку біотехнологій?

• Низка країн, що розвиваються, в яких існує історична недовіра до розвинених країн. Країни, що розвиваються, бояться стати полігоном для випробування нових видів продукції.
• Країни ЄС, які протекціонізмом намагаються захиститися від дешевших та технологічно якісніших продуктів зі США, Аргентини й Бразилії.
• Хімічні концерни, що виробляють засоби захисту рослин.
• “Зелені”, яких фінансують хімічні концерни.
• Релігійні організації, які все ж не виступають проти ліків, створених методами генної інженерії.
• Політики, які начебто дуже турбуються про здоров’я населення — критикувати ГМО для них значно “доступніше”, ніж виділяти кошти на охорону здоров’я.
• Журналісти “жовтих” видань у гонитві за сенсаціями — це вони пустили в обіг словосполучення “їжа Франкенштейна” і “харчовий Чорнобиль”.
• Урядові організації, що блокують виділення коштів на розвиток біоінженерії.
• Генетично успадковані шарлатани — борці з генетикою, кібернетикою тощо.

Ю. Сиволап, академік УААН, Південний біотехнологічний центр у рослинництві УААН, Одеса