В последние годы появилось огромное количество генетически измененных (трансгенных) организмов. Что стоит за трансгенизацией планеты: гибель всего живого или новый путь развития человечества?
И. В. Ермакова, доктор биологических наук,
ведущий научный сотрудник Института высшей
нервной деятельности и нейрофизиологии РАН,
член Центрального Совета Всенародного
Экологического общества «Зеленые 3000»,
член Экологической женской Ассамблеи.
1. Может ли трансгенизация изменить или заменить эволюцию?
В последние годы появилось огромное количество генетически измененных (трансгенных) организмов. Что стоит за трансгенизацией планеты: гибель всего живого или новый путь развития человечества?
С помощью генной инженерии ученые выделяют ген какого-нибудь организма и «встраивают» его в ДНК других растений или животных (производят транспортировку гена, т.е. трансгенизацию) с целью изменения свойств или параметров последних. Например, с помощью генной инженерии уже получены гибриды картофеля с томатом, сои с сизым табаком, подсолнечника с фасолью (санбин) и др. [1]. Есть и более обескураживающие данные: морозоустойчивый сорт помидоров со встроенным геном камбалы или разработанный американскими биотехнологами новый способ управления развитием конечностей у зародышей курицы так, чтобы они становились только крыльями или ногами [1]. Генные инженеры мечтают получить такие растения, которые вырабатывали бы естественные яды против вредных насекомых, могли бы поглощать азот прямо из атмосферы, были бы устойчивы к засухе и заморозкам, содержали бы много белка («бифштексы на грядке») и др. Перспективы заманчивые.
Можно ли рассматривать трансгенизацию как альтернативу эволюции? Всем известно, что эволюция живых организмов определяется изменчивостью, наследственностью и естественным отбором организмов. В ходе эволюции «геном меняется сбалансировано в соответствии с требованием внутреннего гомеостаза и окружающего биогеоценоза»[2]. При трансгенизации направленность развития организмов, их изменчивость и отбор будут определяться человеком и его интересами. Достаточно ли у Человека знаний, чтобы исполнять роль творца Эволюции?
Несмотря на заманчивость и перспективность биотехнологических идей, нужно, несомненно, проявлять максимальную осторожность при создании и, особенно, при использовании генетически модифицированных организмов. Человек внедряется в программу существования жизни на Земле. Несколько неправильных шагов и все может рухнуть, как карточный домик. А много ли мы знаем и понимаем? Ученые до сих пор не могут понять, как «уложена» ДНК в клетке. В ДНК бактерий недавно обнаружена сверхспирализация – аномальное скручивание спирали, при котором ее витки похожи на лист Мебиуса [3]. «… геном выглядит раскрытой книгой, так что остается лишь улучить момент, чтобы ее прочесть. Увы, в действительности все сложнее. Книга не только закрыта, но и опломбирована, да еще и упакована весьма изобретательно. Более того, изложенная в ней история не сводится к тексту на ее страницах – приходится читать между строк» [3, стр.15]. По мнению С.Э.Шноля «…познакомившись с основами молекулярной биологии, предвосхищенными Кольцовым, нам следовало бы быть мудрее и скромнее» [4, стр.12].
2. Опасны ли генетически измененные организмы?
Все больше поступает сведений как о токсичности генетически модифицированных растений, так и о снижении репродуктивности и патологических изменениях в органах тех животных, которые поглощают ГМО. По данным ветеринарно-санитарных служб Голландии, Швейцарии, Дании, агрокомпаний и специалистов Медицинского Совета Великобритании употребление нового вида кукурузного зерна, в котором в 2-3 раза повышено содержание белка, может со временем необратимо изменить иммунную систему людей, спровоцировать онкологические и нервные заболевания [1].
Правительственные исследования в Шотландском Институте Урожая (Scottish Crop Institute) показали опасность ГМ растений для насекомых. Божьих коровок кормили тлей, которую разводили на ГМ картофельных растениях. Жизнь божьих коровок сокращалась до половины ожидаемой продолжительности жизни, а их плодовитость и кладка яиц значительно уменьшалась [5]. Неблагоприятное воздействие пыльцы трансгенной Bt-кукурузы на насекомых было показано в ряде работ. В исследовании, опубликованном в журнале Nature, сравниваются три группы личинок бабочки Монарх Danaus plexippus. У той группы личинок, которая кормилась растительным млечным соком (milkweed) с ГМ-пыльцой, наблюдалось замедленное развитие и низкий процент выживаемости [6]. В другой работе было обнаружено негативное влияние Bt-кукурузы на бабочку-парусник [7].
ГМО оказывают неблагоприятное воздействие и на млекопитающих. Наиболее известными и значимыми являются исследования Арпада Пуштая из Университета Абердина (Великобритания) [8, 9]. В проведенных им исследованиях было показано, что кормление крыс ГМ картофелем с геном лектина луковиц подснежника в течение 10 дней приводило к угнетению иммунной системы и нарушению деятельности внутренних органов (разрушалась печень, изменялись зобная железа и селезенка, уменьшался объем мозга) по сравнению с крысами, которые питались обычным картофелем [8]. Исследования А.Пуштая были подтверждены независимой группой 23 ученых из 13 стран мира, возглавляемой профессором Брюссельского Университета E. Van Driessche [10]. В другой серии экспериментов при включении в рацион питания крыс ГМ-картофеля были выявлены серьезные изменения в желудочно-кишечном тракте крыс (быстрая пролиферация клеток слизистой оболочки) [11].
Медико-биологические исследования двух сортов картофеля, устойчивого к колорадскому жуку, были проведены в России в 1998 году Институтом питания РАМН. На основании этих исследований эти сорта были зарегистрированы (регистрационные удостоверения № 77.99.8.973.Г.62.5.00 и № 77.99.8.973.Г.63.5.00). Однако в отзыве Всероссийского научно-исследовательского института лекарственных и ароматических растений, проанализировавшего исследования Института питания РАМН, говорится: «в результате проведенных экспериментов показано, что через 1 месяц питания ГМ-картофелем наблюдалось статистически достоверное снижение массы тела, анемия и дистрофические изменения гепатоцитов у крыс, получавших трансгенный картофель, по сравнению с животными, получавшими традиционный картофель на фоне общевиварного рациона» (Центр общественной информации.16 декабря 2004).
Какова опасность масштабного внедрения трансгенных организмов? Могут ли «невинные» эксперименты превратиться в орудие самоуничтожения? Почему биологи и экологи бьют тревогу?
Опасность масштабного применения ГМО связана с несколькими причинами. Во-первых, это вытеснение устойчивыми к внешним воздействиям генетически модифицированными растениями других растений, что ведет к значительному сокращению биологического разнообразия. Вторая связана с нарушением, а в некоторых случаях и с разрушением трофических цепочек: появление ГМ растений, устойчивых к насекомым, становится причиной исчезновения сначала многих видов насекомых; потом птиц и мелких млекопитающих, питающихся насекомыми; затем и крупных млекопитающих, употребляющих в пищу мелких животных. Но особую опасность представляет третья причина: вероятность встраивания «чужих» генов в геномы других организмов в результате горизонтального переноса генов (ГПГ).
3. Что такое «горизонтальный» перенос и процесс трансгенизации?
Различают «вертикальный» перенос генов (внутривидовой: от предка к потомку) и «горизонтальный» перенос (от вида к виду). «В широком смысле слова «горизонтальным» называют перенос наследственной информации между одновременно живущими организмами, не связанными друг с другом отношениями непосредственного родства» [12]. У бактерий существует несколько способов ГПГ. Одним из них является трансформация – это естественный захват бактерией чужеродной ДНК с последующей экспрессией генов этой ДНК [13].
Ученые долго бились над тем, как внедрить ген в геном другого организма, т.е. осуществить перенос гена. Наиболее распространенным способом является использование в качестве переносчиков реконструированных генов бактериальных плазмид (внехромосомных кольцевых ДНК). Плазмида в бактерии служит транспортом для доставки любого гена. Обычно бактериальные плазмиды легко переходят от бактерии к бактерии, но не к растениям. К счастью или к несчастью была обнаружена бактерия, которая «умела вводить» гены в растения и «заставлять» их синтезировать нужные ей белки. Такой бактерией была почвенная бактерия Agrobacterium tumefaciens, являющаяся виновницей образования растительных наростов – галов (растительных опухолей). После заражения растения определенная часть плазмидной ДНК (Т-ДНК) встраивается в хромосомную ДНК растительной клетки, становясь частью ее наследственного материала. Растение начинает продуцировать нужные для бактерий питательные вещества. Ученые научились заменять гены в Т-ДНК плазмид бактерий нужными генами, которые предполагалось вводить в растения. Таким образом, используя плазмиды агробактерий и природный механизм горизонтального переноса, человек научился внедрять нужные ему гены в разные растения [1, 14, 15]. Этот способ успешно применяли для большинства видов двудольных растений, среди которых можно назвать картофель, томаты, плодовые и ряд других культур. Проблемы возникли с однодольными растениями, к которым относятся злаки: пшеница, рис, ячмень и кукуруза. За исключением риса модификация злаков при помощи агробактериальных плазмид оказалась неэффективной.
В связи с этим был разработан прямой способ ввода генов в растительную клетку, который был опубликован в 1988г. и назван его авторами Д.Стэнфордом и Т.Клейном биобаллистическим [15]. Для этого молекула ДНК с соответствующими генами и регуляторные последовательности, необходимые для управления этими генами, наносятся на микроскопические вольфрамовые или золотые частицы. Частицы с ДНК разгоняются в специальной вакуумной камере до определенных скоростей, достаточных для проникновения в клетки растений. Затем следует селекция трансформированных клеток и регенерация трансгенных растений. В отличие от предыдущего этот способ более универсален и пригоден для любых объектов [14, 15].
4. Почему ГМО могут быть опасными?
Описанные выше способы (агробактериальный и биобаллистический) являются основными способами генной трансформации растений. Насколько опасны модифицированные таким образом растения?
При использовании плазмид агробактерий в процессе биотехнологических процедур «исследователь априори не знает, какая клетка эксплантата трансформируется, сколько копий Т-ДНК встроится в геном и в какие хромосомы, и не в силах это контролировать, но, одновременно модифицируя множество эксплантатов, впоследствии отбирают те регенерировавшие растения, что представляют для него интерес» [14, стр.100]. Остается открытым вопрос, куда деваются «невстроенные» плазмиды с генами?
При биобаллистическом способе «вероятность «встраивания» сразу многих копий ДНК-векторов, «обрывков» ДНК и других сбоев выше, чем при работе с агробактериями»[14, стр.104]. При этом «введенный ген может попасть в середину структурного гена растения-реципиента и выключить его из работы» [15, стр.120]. Таким образом, будут появляться растения с неизвестными свойствами. И, тем не менее, этот метод является менее опасным для человека, чем агробактериальный (или плазмидный) метод трансформации растений.
Успокаивая нас, биотехнологи говорят, что биоинженерия – почти то же самое, что селекция. А некоторые ученые предлагают рассматривать трансгенизацию как «ускоренную» селекцию. Однако селекция имеет одно очень важное ограничение: с помощью селекции можно получать гибриды только родственных организмов, т.е. скрещивать картофель разных сортов можно, а получать, например, гибриды картофеля с яблоком или помидора с рыбой нельзя.
В природе, за редким исключением, не происходит скрещивания между разными видами и, тем более, классами растений или животных: кошек с собаками или крысами, черепах с лягушками, людей с обезьянами и так далее. Если все-таки такое скрещивание произошло, то потомство бесплодно. Хорошим примером являются мул или лошак (от скрещивания лошади с ослом), которые стерильны. Стерильно потомство от скрещивания тигра и льва, тетерева и глухаря и так далее. Бесплодными являются и большинство трансгенных организмов. Внедрение чужеродных генов других видов или классов в организмы приводит к определенному генетическому сбою и к блокированию процессов размножения: своеобразный «протест» природы против распространения генетических химер. Хорошим примером является генетически измененная «бесплодная»пшеница, которую производила американская компания «Монсанто»: зерна новой пшеницы после первого урожая уже не прорастали. Такое запрограммированное бесплодие заставляло потребителей этой пшеницы вновь обращаться к услугам «Монсанто». «Бесплодность» пшеницы работников компании «Монсанто» не обеспокоила, а, наоборот, обрадовала: никто, кроме компании, не сможет использовать семена новой пшеницы [1].
Cторонники ГМО утверждают, что ГМ-вставки полностью разрушаются в желудочно-кишечном тракте человека. Какая разница, что мы едим, все равно все распадается на составные части. Судя по всему, это основной и единственный аргумент защитников трансгенных продуктов. Однако в книге под редакцией известного генетика Л.И.Корочкина профессором Института молекулярной генетики РАН В.А.Гвоздевым написано «… поедание организмов друг другом может лежать в основе горизонтального переноса, поскольку показано, что ДНК переваривается не до конца и отдельные молекулы могут попадать из кишечника в клетку и в ядро, а затем интегрироваться в хромосому»[16, стр.70]. Данные, о том, что ДНК разрушается не до конца, приводят и иностранные коллеги [17, 18]. Что касается колечек плазмид, то «кольцевая форма ДНК делает ее более устойчивой к разрушению» [19, стр.36].
И действительно ГМ-вставки были обнаружены в микрофлоре кишечника. При проведении исследований группой британских генетиков во главе с Хари Гилбертом (Harry Gilbert) из университета Ньюкасла-на-Тайне выяснилось, что ДНК из клеток генетически модифицированной пищи заимствуются бактериями микрофлоры кишечника людей с удаленной толстой кишкой. Группа Х.Гилберта провела независимый эксперимент, в ходе которого было показано, что плазмиды и ГМ-вставки могут заимствоваться напрямую микрофлорой кишечника одной клеткой из трех тысяч [20]. О захвате генов и ГМ-плазмид микрофлорой кишечника указывается и в работах других исследователей [17, 18, 21].
По данным Центра по контролю за молочными продуктами и продуктами питания в южногерманском городе Вайнштефане ГМ-вставки были обнаружены в молоке коров, которых кормили ГМ кормом.
К сожалению, в продажу поступает достаточно много трансгенных продуктов. Плазмиды с ГМ-вставками могут попадать в бактерии желудочно-кишечного тракта, а затем и в клетки крови, половые и другие клетки человека, трансформируя их. Из «трансформированных» половых клеток будут появляться дети с генами от других видов и классов животных или растений, т.е. появляться генетические «химеры», большинство из которых, к тому же, будут бесплодными. Подтверждением изложенного могут являться исследования Schubbert с соавт. на мышах, которые обнаружили генетически модифицированные вставки в крови и в разных органах внутриутробных плодов и новорожденных мышат после кормления беременных самок трансгенным кормом [18].
С предупреждением о непредсказуемости действия ГМО неоднократно выступал научный советник правительства Норвегии, профессор Терье Траавик, который занимается генной инженерией более 20 лет. В одном из своих выступлений он подчеркнул, что возможная опасность от ГМ конструкций выше, чем от химических соединений, так как они совершенно «незнакомы» окружающей среде, они не распадаются, а наоборот, принимаются клеткой, где могут бесконтрольно размножаться и мутировать. По его мнению, необходимы независимые исследования, которые проводились бы не на корпоративные средства (Экосводка, 2001).
5. Кто кого победит: мы трансгенов или они нас?
Несмотря на то, что безопасность трансгенных организмов не доказана, с каждым годом растет количество площадей с трансгенными культурами: пшеницей, соей, кукурузой, хлопком, картофелем, свеклой, табаком, помидорами и др. В 2003 г. ГМ-культурами было засеяно в мире около 70 млн га, т.е. 15% всех площадей, пригодных к земледелию [14]. К странам, в которых наибольшее количество площадей засеяно трансгенными культурами, можно отнести: США (42,8 млн га), Аргентину (13,9 млн га), Канаду (4,4 млн га), Бразилию (3 млн га), Китай (2,8 млн га) (там же). Устойчивые к вредителям и гербицидам трансгенные культуры дают и больше урожаев.
Трансгенизация оказывает серьезное влияние на окружающую среду, приводя к уменьшению биоразнообразия, нарушению трофических цепочек. Попадание пыльцы ГМО в нормальные растения превращает семена последних в трансгенные. Трансгенные организмы, подобно пожару, захватывают все больше площадей на Земле. Появляются плантации и с быстрорастущими ГМ-деревьями. В результате внедрения устойчивых к насекомым ГМ-деревьев в лесные системы происходит постепенное разрушение лесов. ГМ-деревья сильно истощают почву, нарушают ее структуру. Так, например, на плантациях ГМ-эвкалиптов выявлено сильное засоление почв [22].
Наиболее серьезное воздействие на окружающую среду было оказано биотехнологией при изменении генома бактерий Pseudomonas syringae и Erwinia herbicola, являющихся центрами кристализации льда в результате образования на их мембране липогликопротеинового комплекса (lipoglycoprotein complex) [23]. Американцы, спасая свои урожаи от заморозков, запустили в природу трансгенные бактерии без гена, ответственного за синтез этого комплекса (Pseudomonas syringae минус ген), которые стали конкурировать и вытеснять природные бактерии с этим геном [24]. По мнению Ю.Г.Чиркова [1, стр. 223] «бактерии, вокруг которых образуются кристаллики льда, скорее всего, играют в природе заметную роль. При занесении их воздушными потоками в верхние слои атмосферы они способствуют образованию дождя и снега». Может быть уничтожение «льдообразующих» бактерий и является одной из причин быстрого и странного изменения климата?
К сожалению, вопросов больше, чем ответов. Биотехнологию развивать, несомненно, нужно. Прогресс науки останавливать нельзя. Однако любая научная проблема должна пройти свой путь развития, ее нельзя решать ускоренными методами. Суммируя вышеизложенное, можно заключить, что на данном этапе применяемые биотехнологические приемы пока несовершенны и масштабное внедрение трансгенных продуктов чрезвычайно опасно не только для человека, но и для всего живого на планете.
Станет ли трансгенизация новым витком в эволюции человека или генной бомбой, зависит от поставленной цели: если создание генетически модифицированных организмов проводится только ради получения быстрых урожаев и, соответственно, денежной прибыли, то трансгенизация может разрушить планету; если во имя прогрессивного развития человечества, то осторожные и контролируемые шаги в развитии трансгенных организмов могут ознаменовать рождение новой эпохи.
Литература
1. Чирков Ю.Г. Время химер. Большие генные игры. Москва. ИКЦ «Академкнига». 2002.
2. Куликов А. М., Серебрийская Т.С. ГМО – непростые решения. В сборнике «Обеспечение экологической безопасности при использовании генетически модифицированных организмов» Москва, 2002.
3. Елдышев Ю.Н. Молекула жизни. В книге «Современная биотехнология. Мифы и реальность». Москва. 2004. С.13-21.
4. Шноль С.Э. У истоков новой биологии. В книге «Современная биотехнология. Мифы и реальность». Москва. 2004. С.5-13.
5. Birch A.N.E., Geoghegan I.E., Majerus M.E.N., Hackett C., Allen J. Interactions between plant resistance genes, pest aphid populations and beneficial aphid predators. Annual report of the Scottish Crop Research Institute 1996. P. 68-72.
6. Losey J.E., Rayor L.S., Carter M.E. Transgenic pollen harms monarch larvae. Nature 399, 214 1999.
7. Zangerl R., McKenna D., Wraight C. L., Carroll M., Ficarello P., Warner R. and Berenbaum M. R. Effects of exposure to event 176 Bacillus thuringiensis corn pollen on monarch and black swallowtail caterpillars under field conditions. Proc Natl Acad Sci USA. 2001 98(21): 11908–11912.
8. Pusztai A. Report of Project Coordinator on data produced at the Rowett Research Institute. SOAEFD flexible Fund Project RO 818. 22 October 1998.
9. Pusztai A. Genetically Modified Foods: Are They a Risk to Human/Animal Health. Biotechnology: genetically modified organisms. 2001. (An ActionBioscience.org original article).
10. Peer review vindicates scientist let go for «improper» warning about genetically modified food. In «naturalSCIENCE» Heron Publishing, Victoria, Canada. 1999.
11. Ewen S.W, Pusztai A. Effect of diets containing genetically modified potatoes expressing Galanthus nivalis lectin on rat small intestine. Lancet. 354 (9187). 1999.
12. Раутиан А.С. Могут ли обмениваться свойствами далекие виды? В книге «Современная биотехнология. Мифы и реальность». Москва. 2004. С.87-97.
13. Конов А.Л. Сельскохозяйственная биология и горизонтальный перенос генов. В книге «Современная биотехнология. Мифы и реальность». Москва. 2004. С.80-87.
14. Елдышев Ю.Н., Конов А.Л. Генная инженерия растений. В книге «Современная биотехнология. Мифы и реальность». Москва. 2004. С.97-107.
15. Гапоненко А.К. Генетическая инженерия растений – итоги и перспективы. В кн. «Геном, клонирование, происхождение человека». Под ред. Л.И.Корочкина. 2004. С.112-146.
16. Гвоздев В.А. Подвижные гены в геномах эукариот. В кн. «Геном, клонирование, происхождение человека». Под ред. Л.И.Корочкина. 2004. С.54-72.
17. Schubbert R., Lettmann C. and Doerfler W. Ingested foreign (phage M13) DNA survives transiently in the gastrointestinal tract and enters the blood stream of mice. Molecules, Genes and Genetics 242. 1994. P.495-504.
18. Schubbert R., Hohlweg U., Renz D. and Doerfler W. On the fate of orally ingested foreign DNA in mice: chromosomal association and placental transmission in the fetus. Molecules, Genes and Genetics 259. 1998. P.569-576.
19. Янковский Н.К., Боринская С.А. Геном человека: достижения и перспективы. В кн. «Геном, клонирование, происхождение человека». Под ред. Л.И.Корочкина. 2004. С.28-54.
20. Coghlan A. GM crop DNA found in human gut bugs. NewScientist. 2002.
21. Mercer, D.K., Scott, K.P., Bruce-Johnson, W.A., Glover, L.A. and Flint, H.J. Fate of free DNA and transformation of oral bacterium Streptococcus gordonii DL1 plasmid DNA in human saliva. Aplied and Environmental Microbiology 65. 1999. P.6-10.
22. Валянский С., Калюжный Д. «Третий путь цивилизации» Москва, Алгоритм, 2002.
23. Kozloff L. M., Turner M.A., Arellano F. Formation of bacterial membrane ice-nucleating lipoglycoprotein complexes. J Bacteriol. 1991 October; 173(20): 6528–6536.
24. Orser C., Staskawicz B.J., Panopoulos N.J., Dahlbeck D., Lindow S.E. Cloning and expression of bacterial ice nucleation genes in Escherichia coli. J Bacteriol. 1985 October; 164(1): 359–366.
Термины:
1. Бактерии – обычно одноклеточные микроорганизмы, для которых характерно отсутствие оформленного ядра.
2. Вид – совокупность популяций особей, способных к скрещиванию с образованием плодовитого потомства, обладающих рядом общих морфофизиологических признаков и населяющих определенный ареал.
3. Ген – единица наследственности; фрагмент ДНК, ответственный за какой-либо признак.
4. Геном – полный набор генов, определяющий все свойства организма
5. ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота, основной материальный носитель наследственности
6. Плазмида – внехромосомный генетический элемент; кольцевая самовоспроизводящаяся молекула ДНК; используется в генной инженерии для переноса генов от донора к реципиенту.
7. Пролиферация – размножение клеток.
8. Трансгенный – организм, в который с помощью методов генной инженерии внесен чужеродный генетический материал.
9. Хромосома – структура, содержащая линейную последовательность генов. У каждого вида растений и животных определенный набор хромосом.
