Генетически модифицированные организмы. Получение ГМО растительного и животного происхождения. Оценка безопасности ГМО.

Для решения современных проблем обеспечения человечества пищей используется широкий ассортимент технических и технологических средств, основанных на результатах научных достижений. Один из самых перспективных путей увеличения продовольственных ресурсов – применение методов современной биотехнологии и генной инженерии, позволяющих направленно точечно изменять геном организма для получения заданных свойств.

ГМИ входят в состав многих продуктов питания. Например, ГМ кукуруза добавляется в кондитерские и хлебобулочные изделия, безалкогольные напитки. ГМ соя входит в состав рафинированных масел, маргаринов, жиров для выпечки, соусов для салатов, майонезов, макаронных изделий, вареных колбас, кондитерских изделий, белковых биодобавок, кормов для животных и даже детского питания. Из сои получают эмульгаторы, наполнители, загустители и стабилизаторы для пищевой промышленности.

Генно-инженерно-модифицированный (генетически  модифициро ванный) организм – это организм или несколько организмов, любое неклеточное,  одноклеточное  или многоклеточное образование, способное к  воспроизводству  или  передаче  наследственного  генетического  материала,  отличное  от природных  организмов, полученное  с применением методов генной инженерии и содержащее генно-инженерный материал, в том числе гены, их фрагменты или комбинации генов.

  Для  создания  генно-модифицированных (от позднелат. modificatio – изменение) организмов (ГМО) разработаны методики, позволяющие вырезать  из  молекул  ДНК  необходимые  фрагменты,  модифицировать  их соответствующим  образом,  реконструировать  в  одно  целое  и  клонировать (клон – от греч. klon – ветвь, отпрыск – популяция клеток или организмов, происшедших от общего предка путем бесполого размножения; клон – основная единица учета в генетике микроорганизмов) – размножать в большом количестве копий.

Трансгенные (от лат.  trans – сквозь, через,  за – приставка, означающая движущийся через какое-либо пространство, пересекающий его) организмы – это животные, растения, микроорганизмы, вирусы, генетическая программа которых изменена с применением методов генной инженерии.  Достижения  современной  науки  генетики  позволяют  осуществить  перенос  генов  любого  организма  в  клетку  реципиента (от  лат. recipiens, род. п.  recipientis – получающий, принимающий) для получения  растения,  животного  или  микроорганизма  с  рекомбинантными  генами и, соответственно, новыми свойствами.

Первый  ГМО –  устойчивый  при  хранении  томат  марки Flavr Savr («Calgene, Inc.», США), появился на продовольственном рынке США в 1994 г. после 10 лет предварительных испытаний. В последующие годы ГМО, разрешенных для использования в США, Канаде, Японии и странах Европейского союза (ЕС), стало значительно больше – это кукуруза,картофель, соя, тыква, папайя, сахарная свекла. В 1999 г. в России была зарегистрирована первая генетически модифицированная соя линии 40-3-2 («Monsanto Co», США). К настоящему времени созданы и разрешены  для  использования  в  питании  человека  сотни  ГМО,  число  которых продолжает постоянно увеличиваться.

Во всем мире интенсивно растут объемы посевных площадей,  занятых под трансгенные культуры. Только за последние несколько лет более  чем  в 20  раз  увеличились  площади  возделываемых  культур  трансгенных растений, в том числе сои, рапса, томатов, картофеля, и эта тенденция прогрессирует как в некоторых развитых,  так и развивающихся странах (США, Аргентина, Китай, Канада, ЮАР, Мексика и др.).

В  результате  трансгенной модификации  растения  становятся  устойчивыми  к  гербицидам,  инсектицидам,  вирусам,  приобретают  новые улучшенные потребительские  свойства. При  этом уменьшается количество применяемых гербицидов и инсектицидов, снижается их остаточное  содержание в продуктах питания,  сокращается количество технологических  операций  при  переработке,  уменьшаются  потери,  повышается  качество продукции, экономятся средства и материальные ресурсы.

В  настоящее  время  в  США  производится  более 150  наименований ГМО.  Наиболее  распространенной  является  соя,  которая  используется при  производстве  более  чем 3000  пищевых  продуктов:  супов,  детских каш, картофельных чипсов, маргаринов, салатных соусов, рыбных консервов и многого другого. Выращиваемую в США сою, в соответствии с действующими  национальными  гигиеническими  стандартами,  не  делят на генетически измененную (ГМИ) и неизмененную, поэтому без специальных  исследований  невозможно  определить,  какое  сырье  было  использовано при производстве таких продуктов питания.

Генетически модифицированные источники, производимые  в США, используют, в частности, для получения следующих продуктов питания: Bt-хлопок – изготавливают хлопковое масло, Rr-panc – рапсовое масло, Bt-картофель   картофель  фри,  Bt-кукуруза –  кукурузный  сироп  и  т.д. Помимо американской сои, создан устойчивый к гербицидам рапс бельгийской фирмы «Plant Genetic Systems». Кукуруза, устойчивая к инсектицидам, разработана швейцарскими учеными и предпринимателями,  в подобном направлении работает и нидерландская фирма «Bejo Zaden».  В Австралии получен виноград, из которого производят вино  с улучшенными  органолептическими  свойствами.  Однако  все  эти  и  другие  ГМ-продукты  используются,  преимущественно,  на  внутренних  рынках, главным образом по причине  гигиенических ограничений и определенных требований к маркировке такой продукции на мировом рынке.

Важное  значение  приобретают  новые  технологии  получения  трансгенных сельскохозяйственных животных и птицы, направленные на повышение  продуктивности, улучшение  качества  и  физико-химических свойств мяса, а также технологичности. Возможность использования специфичности и направленности интегрированных генов позволяет менять структуру и цвет мышечной  ткани, рН, жесткость, влагоудерживающую способность, степень и характер жирности, а также консистенцию, вкусовые и ароматические свойства мяса после технологической обработки.

С помощью  генной инженерии можно не только добиться выше названных показателей, но и повысить приспосабливаемость животных и птицы к окружающей среде, устойчивость к заболеваниям, при необходимости – целенаправленно изменить наследственные признаки. В ряде стран  достигнуты  заметные  успехи  в  рассматриваемом  направлении,  в нашей стране  такие  исследования  проводятся во Всероссийском научно- исследовательском  институте (НИИ)  жиров  и  во  Всероссийском  НИИ мясной промышленности.

В области генной инженерии микроорганизмов большая часть исследований  направлена  на  отбор  продуцентов (от  лат.  producens,  род.  п. producentis –  производящий,  создающий)  ферментов,  витаминов,  антибиотиков, органических кислот. Известны полученные с помощью генетически измененных бактерий ферменты, которые применяются при изготовлении сиропа из кукурузного крахмала, используемого в производстве кондитерских изделий. Ферменты применяются также при выпечке хлеба, при этом мука осветляется, а хлеб становится более пышным. В Германии  с помощью  генетически измененных микроорганизмов получены  трансгенные пектиназы (пектиновые  вещества –  от  греч.  pektos – свернувшийся,  замерзший;  полисахариды,  образованные  остатками главным  образом  галактуровой  кислоты)  для  производства  соков.  Во многих  странах,  например,  в  странах  Европейского  союза, Австралии, Новой  Зеландии  и  ряде  других,  регистрация  продуктов,  полученных  с помощью таких «нетрадиционных» ферментов, является обязательной.

По данным Международной службы по агробиотехнологии (ISAAA), с 1996  г.  к  настоящему  времени  площади  возделывания  трансгенных растений возросли более чем в 30 раз, промышленные посевы трансгенных  культур  осуществляют 12  стран.  При  этом  наибольшие  площади под такими культурами заняты в США – около 30 млн. га, что составляет более 75% общей площади, второе место принадлежит Аргентине – 7 млн.  га,  или  около 20%  общей  площади,  в Канаде – 4 млн.  га,  что  составляет 10% общей площади, в Китае – приблизительно 0,3 млн. га, или около 1%. Остальные площади под трансгенными растениями распределены между Австралией, Южной Африкой, Мексикой, Испанией, Францией, Португалией и Румынией. Ожидается, что страны Латинской Америки также будут расширять площади возделывания трансгенных культур. Посевная  площадь  трансгенных  культур  в Китае  составляет  в  настоящее время от 300 до 500 тыс. га, предполагается, что в течение ближайших лет эти площади возрастут почти в 10 раз.

Основными  ГМО-культурами  являются  соя,  кукуруза,  хлопчатник масличный  рапс,  в меньшей  степени –  картофель,  тыква,  папайя. Площади возделывания сои за последние 5 лет увеличились с 46 до 60%, в то время как кукурузы снизились с 30 до 28%, хлопчатника – с 13 до 9%, масличного  рапса –  с 11  до 8%. Площади посевов  картофеля,  томатов, тыквы  и  папайи  практически  не  изменились. Снижение  посевных  площадей, очевидно, обусловлено рыночным спросом.

  Считается,  что  трансгенные растения, устойчивые к  вредителям и болезням, помогут  снять остроту проблемы продовольствия и сократить затраты на химические средства защиты. Более  того,  замена  традиционного набора  химических  средств потенциально уменьшит опасность загрязнения окружающей природной среды, а, следовательно, обеспечит безопасность питания (рис. 1).

Преимущества трансгенных растений, устойчивых к вредителям и болезням

Рис.1.

В настоящее время среди промышленно выращиваемых трансгенных растений  в  мире  доля  растений,  устойчивых  к  гербицидам,  составляет 71%,  устойчивых  к  вредителям – 22%,  устойчивых  одновременно  и  к гербицидам, и к вредителям – 7%, устойчивых к вирусным, бактериальным и грибным болезням – менее 1%.

Среди генов, определяющих устойчивость к гербицидам, уже клониованы гены устойчивости к таким гербицидам, как глифосат (Раундап),фосфинотрицин (Биалафос), глифосинатаммония (Баста), сульфонилмоевинным и имидозолиноновым препаратам. С использованием этих генов уже получены трансгенные соя, кукуруза, хлопчатник и др.

Другой,  достаточно  распространенной  группой,  являются  трансгенные растения, устойчивые к насекомым-вредителям.

Так,  относительно  давно  известна  бактерия  Bacillus thuringiensis, продуцирующая  белок  дельта-эндотоксин,  который  очень  опасен  для многих видов насекомых и безопасен для млекопитающих. Установлено, что  встраивание  гена  этого  белка  в  геном  растений  дает  возможность получить трансгенные растения, не повреждаемые насекомыми. Генетиками  подобраны  необходимые штаммы  В. thuringiensis  и  созданы  различные  генно-инженерные  конструкции  для  тех  или  иных  конкретных групп насекомых. При этом, например, для получения трансгенного картофеля, устойчивого к колорадскому жуку, компании «Monsanto» понадобилось 16 лет научно-исследовательской экспериментальной работы и около 100 млн. долл. инвестиций.

Компаниями «Monsanto», «AgrEvo», «Mycogen» и «Novartis» созданыи другие трансгенные формы, устойчивые к насекомым, так называемые Bt-растения –  соя,  хлопчатник,  кукуруза.  Специалисты  полагают,  что применение Bt-растений  имеет  не  только  хорошее  коммерческое  будущее,  но  и  даст  существенный  экологический  эффект.  Известно,  что только около 5% внесенного инсектицида «срабатывает» по назначению, остальные 95% попадают в окружающую природную среду, уничтожая многие  виды  насекомых,  в  т.ч.  полезных. Сокращение  объемов  применения инсектицидов приведет к восстановлению популяций целого ряда полезных насекомых, что, несомненно, положительно скажется на многих видах растительного и животного мира.

К третьей группе по распространенности относятся трансгенные растения, одновременно устойчивые и к гербицидам, и к насекомым. Площади возделывания таких культур увеличились с 0,1 % в 1997 г. до 5% к настоящему  времени. Это,  например,  кукуруза  и  хлопчатник,  устойчивые к Раундапу и одновременно устойчивые к кукурузному мотыльку и хлопковой совке, соответственно.

Менее  распространенной  является  группа  трансгенных  культур,  устойчивых к бактериальным, вирусным и грибным болезням.

Одним  из  первых  достижений  в  защите  растений  методами  генной инженерии явилось создание трансгенных растений, устойчивых к вирусам, путем внесения генов белков вирусной оболочки. Активный синтез такого  белка,  обладающего  большим  сродством  к РНК  вируса, не  дает ей возможности активно размножаться в клетке хозяина, что и обусловливает устойчивость такого трансгенного растения к вирусам. В 1986 г. подобная устойчивость впервые была получена для табака. Введение гена оболочки вируса табачной мозаики позволило создать устойчивый к нему трансгенный табак. Создаются также трансгенные формы огурцов, арбузов, кабачков и др., устойчивых к различным вирусам.

Активно  ведутся  исследования  по  клонированию  генов  от  грибных болезней. Так, создан трансгенный табак, несущий ген хитиназы фасоли, который практически не поражается грибными болезнями даже в почве, зараженной  грибным  патогеном  Rhizoctonia solani.  Трансгенные  растения табака с геном стилбенсинтазы из винограда обладают повышенной устойчивостью  к  Botrytis cinerea,  получен  трансгенный  картофель,  несущий  ген  стилбенсинтазы,  устойчивый  к  фитофторозу  и  фузариозу.Компанией «Monsanto» разработан  способ получения  трансгенных растений, устойчивых как к бактериальной, так и грибной инфекции: в картофель  вводится  грибной  ген,  кодирующий  синтез фермента,  окисляющего глюкозу с образованием пероксида водорода, растения устойчивы и к мягкой гнили, вызываемой бактериями рода Erwinia, и к фитофторе.

Создаются  трансгенные  растения  томатов,  картофеля, рапса, моркови, яблони и груши с геном rs-дефензинов редьки, проводится работа по созданию трансгенных капусты и малины. Перспективными  являются  исследования  по  созданию  трансгенных растений,  устойчивых  к  абиотическим факторам.  Расширяются  работы по  получению  трансгенных  культур,  устойчивых  к  холоду.Весьма актуальным новым научным направлением является создание трансгенных растений, несущих  гены, кодирующие  синтез вакцин против различных болезней: при потреблении сырых плодов и овощей, несущих  такие  гены,  происходит  вакцинация  организма.  Например,  при введении гена нетоксичной субъединицы энтеротоксина холеры в растения картофеля и последующем скармливании таких сырых клубней подопытным мышам, в их организме образовывались антитела холеры.

Одним из новых важных экологических направлений использования трансгенных растений является их применение для фиторемедиации (от греч. phyton – растение, от лат.  remedium –  средство) – очистки почв и воды от загрязнителей, в частности тяжелых металлов и радионуклидов.