Генетически модифицированные организмы

Без сомнения, ΧΧI век - будет веком генетически модифицированных организмов, что подтверждается бурным наращиванием в мире производства продуктов на их основе.

Генно-инженерно-модифицированный (генно-модифифицированный) организм - организм или несколько организмов, любое некле­точное, одноклеточное или многоклеточное образование, способ­ные к воспроизводству или передаче наследственного генетическо­го материала, отличные от природных организмов, полученные с применением методов генетической инженерии и содержащие генно-инженерный материал, в том числе гены, их фрагменты или комби­нации генов.

Организмы, подвергшиеся генетической трансформации, называют трансгенными.

Трансгенные организмы - животные, растения, микроорганизмы, вирусы, генетическая программа которых изменена с применением методов ГИ.

Трансгенные растения по характерным признакамделят на:

1. Устойчивые к гербицидам. Одним из основных направлений биотехнологии растений является получение культурных растений, устойчивых к действию гербицидов. Получение таких растений ведется в двух направлениях: во-первых, прямая селекция устойчивых к гербицидам форм растений (в основном, путем скрещивания с дикими видами, устойчивыми к гербицидам); во-вторых, получение трансгенных растений путем введения генов, экспрессия (функционирование) которых приводит к гербицид-резистентности. Действие гербицидов проявляется в подавлении метаболизма растительных клеток: ингибировании биохимических процессов, прежде всего фотосинтеза (атразин, симазин, диурон) и синтеза аминокислот (глифосфат, сульфонилмочевина, билафос). Устойчивость к гербицидам чаще всего связана с точечной мутацией генов. Так замена в хлоропластном мембранном белке Ǫ_b , кодируемом геном pbcA аминокислотного остатка серина на глицин в ходе мутации этого гена, приводит к устойчивости к атразину. Поэтому при введении в растение такого мутантного гена, выделенного из сорняков, у него проявляется резистентность к атразину.

Замена аланина на аргинин в белке EPSP-синтетазы, кодируемого геном aro A у E.coli, приводит к возникновению устойчивости к действию гербицида глифосфата. Введением этого гена получены трансгенные табак, томаты, сахарная свекла и картофель.

Введение в геном растений бактериального гена bar приводит к появлению устойчивости к гербициду BASTA. Таким способом уже получены сорта трансгенного риса (1995), сорго (1995) пшеницы (1994) и др. растений. В последнее время bar-ген стал использоваться и в качестве маркерного в генно-инженерных исследованиях.

2. Устойчивые к насекомым-вредителям. Для получения растений, устойчивых к насекомым из генома Bacillus thuringiensis был выделен ген токсина bt 2, который, попадая в кишечник под действием протеаз распадается до активного токсина. При введении такого гена растение пиобретает устойчивость к насекомым-вредителям. Таким способом в 1994-1995 годах были получены и прошли полевые испытания сорта томата, картофеля, хлопчатника (фирма «Monsanto»), кукуруза (фирма «Novartis»), А в 1998 году был получен картофель с тройной устойчивостью, который помимо bt 2-гена, содержал ген устойчивости к скручиванию листьев и ген устойчивости к гербициду глифосфату. В 2000 году в мире было растениями устойчивыми к насекомым было засеяно около 380 тыс. га, из них: 230 тыс.га – трансгенным хлопчатником, 144 тыс.га – трансгенной кукурузой, 5 тыс.га – трансгенным картофелем. Это привело к резкому сокращению применения инсектицидов и повышению урожайности культур.

3. Устойчивые к грибной, бактериальной и вирусной инфекции. Фунгицидным и избирательным антибактериальным эффектом обладают ферментативные белки хитиназы и глюканазы, поэтому одиночные гены, кодирующие их синтез, были использованы для получения трансгенных растений табака, хлопчатника, кукурузы, рапса, томата, риса, картофеля, люцерны, турнепса и др., устойчивых к фитопатогенам.

Кроме того, для создания растений, устойчивых как к грибам, бактериям и к вирусам, были использованы гены, кодирующие синтез цистеиновых белков, ингибиторов галактуроназ, MF-белков, которые неспецифически повышают устойчивость растений к грибам, бактериям и вирусам.

Устойчивость к вирусам также обеспечивается введением в геном растений генов, кодирующих синтез белков вирусной оболочки. Таким способом были получены табак, устойчивый к вирусам ВТМ и вирусу тыквенной мозаики, картофель и кукуруза, устойчивые к вирусам скручивания листьев, ячмень, резистентный к вирусу карликовости и др.

Введение в генетический аппарат растений генов, отвечающих за синтез фитоалекинов (проявляющих фунгицидное и антимикробное действие), значительно повысило устойчивость трансгенных томатов и картофеля к фитофторозу и фузариозу, а табака – к серой гнили.

В настоящее время получены четыре трансгенных коммерческих сорта картофеля, устойчивых к Y вирусу (PVY) и вирусам скручивания листьев (HLRV), сорт тыквы, устойчивый одновременно к трем различным вирусам, сорт папайи, устойчивый к круговому вирусу папайи (PRV).

4. Устойчивые к стрессовым воздействиям. Из генома Е. coli были выделены два гена proBosm и proA, кодирующие биосинтез пролина, накопление которого происходит в ответ на осмотический стресс. Экспрессия (функционирование) этих генов в растениях приводит к повышенному синтезу пролина. Так, трансгенный табак, несущий эти гены, может расти при концентрации соли в среде 20 г/л.

Устойчивость к высоким температурам связана с геном Fad 7, белок которого влияет на метаболизм жирных кислот. Инактивация такого гена в трансгенных растениях риса привела к тому, что растения могли расти при повышенных температурах и выдерживать в течение 2 часов температуру +47ºС.

5. Растения с повышенной продуктивностью. Одной из основных задач улучшения растений является повышение качества синтезируемых продуктов: белков, жиров, полисахаридов и др. веществ, определяющих их питательную ценность.

У злаков основной интерес представляют запасные белки эндосперма. Чаще всего они имеют несбалансированный для питания человека и животных аминокислотный состав. Так, запасные белки бобовых – легумины – имеют низкое содержание аминокислоты метионина, а запасные белки злаков – проламины – бедны лизином, триптофаном и треонином. Дефицит этих аминокислот снижает питательную и кормовую ценность семян.

Введение в геном растений модифицированных генов, отвечающих за синтез белков: α-зеина (кукуруза), глютенина (пшеница), легумина (бобовые), гордеина (ячмень), пататина (картофель) позволяет целенаправленно повышать синтез недостающих питательных веществ.

Помимо этого, растения могут быть производителями «съедобных» вакцин. Уже получены растения табака и картофеля, синтезирующие иммуноглобулины А-G, В-токсин холеры, энтеротоксины, белок поверхностного антигена гепатита В. Белок, полученный из трансгенных растений, обладает такими же антигенными и физиологическими свойствами, как и белок, полученный из животных клеток.

Кроме того, ведется работа по улучшению состава жирных кислот ряда масличных культур, и в первую очередь рапса. В семенах рапса высокое содержание масла, но из-за большого количества длинноцепочечной эруковой кислоты, а также глюкозинолатов вкусовые и питательные качества рапсового масла резко снижаются. Методами генетической инженерии были получены сорта рапса, содержащие гены, контролирующие длину молекулы жирных кислот, что привело к снижению доли эруковой кислоты и улучшению качества рапсового масла. К 2001 году уже прошли полевые испытания сорта трансгенных растений сои, рапса и кукурузы с модифицированным составом жирных кислот.

В целом можно говорить о том, что получение трансгенных растений является одним из наиболее бурно развивающихся направлений биотехнологии. К настоящему времени в различных странах были проведены испытания и разрешены к коммерческому использованию более 150 сортов трансгенных растений.

Быстрые темпы развития генетической инженерии растений приводит к стремительному росту возделываемых площадей, занятых трансгенными растениями, 1,6 млн.га в 1996 году, когда началось их возделывание в коммерческих масштабах, до более 80 млн.га в 2005 году, что составило около 5 % всех пахотных площадей в мире. 99 % всех этих площадей занимают четыре основные трансгенные культуры: соя, кукуруза, рапс и хлопчатник. В 2004 году трансгенными были в США около 75 % хлопка и сои, в Китае – 53 % хлопка. В Аргентине – 99 % сои, в Канаде – 63 % рапса. В 2003 году 75 % всех выращиваемых трансгенных растений содержали ген устойчивости к гербицидам, 21 % - ген устойчивости к вредителям и почти 8 % - более одного гена устойчивости.