Трансгенные животные и растения польза или вред

ГМО — наверное, это слово из трех букв не видел и не слышал только тот, кто «не читает до обеда советских газет». Остальные же более-менее представляют, какие слова скрываются за этой аббревиатурой. Отношение у человечества к генетически модифицированным организмам неоднозначное. Противники ГМО говорят, что они создаются для увеличения прибыли компаний. Защитники — что ГМО помогут нам производить больше продовольствия на меньших площадях. А что же говорят биологи? Пока они могут однозначно сказать следующее: ГМО не опасны для здоровья, их можно употреблять в пищу, и они способны повышать урожайность. Таковы результаты последнего масштабного исследования нескольких академий США, результатами которого мы хотим поделиться с вами.

Существует два подхода для получения новой сельскохозяйственной продукции — традиционное разведение (селекция) и получение новых сортов/пород с помощью генной инженерии. В первом случае различные сорта растений или породы животных просто скрещивают — для того, чтобы получить и отобрать организм с нужными свойствами. Человечество занимается этим уже тысячи лет. Во втором случае тем же целям служит иная стратегия: «оригинал» намеренно изменяют при помощи генно-инженерных методов, в результате чего получают трансгенный организм [1, 2, 3]. Животные и растения, полученные таким способом, у многих людей вызывают беспричинный страх. Однако ученые утверждают: бояться нечего! По крайней мере, так говорят исследователи из Академий США, которым нет оснований не доверять. Академии — это мощное профессиональное сообщество США, объединяющее Национальную академию наук, Национальную инженерную академию и Национальную медицинскую академию.

Академический комитет провел масштабное исследование, в рамках которого анализировались научные данные за последние 20 лет [4, 5]. Для того чтобы оценить предполагаемые выгоды и риски, связанные с ныне существующими трансгенными сельскохозяйственными растениями, исследователи тщательно изучили почти 900 научных публикаций. В основном в них говорилось о разработке, использовании и эффектах генетически модифицированных кукурузы, сои и хлопка. Так много публикаций посвящено именно этим растениям потому, что сейчас они составляют бóльшую часть коммерческих ГМ-культур.

Каков же итог? В первую очередь, ученые открыто признают: на данный момент довольно трудно выявить тонкие или отсроченные последствия влияния ГМ-организмов на здоровье человека и окружающую среду. Однако исследовательский комитет смотрит в будущее с оптимизмом: разницы в рисках для здоровья человека между коммерчески доступными ГМ-культурами и теми растениями, которые разводятся традиционным способом, обнаружено не было. Опыты на животных и изучение химического состава трансгенных продуктов не выявили различий между «ГМОшками» и их немодифицированными собратьями.

В сфере безопасности пищевых продуктов существует такое понятие, как принцип эквивалентности. Оно предполагает, что надежность нового продукта питания, особенно генетически модифицированного, можно оценить путем его сравнения с аналогичной традиционной пищей, которая считается однозначно безопасной. Согласно принципу эквивалентности оценивают агрономические, морфологические и химические характеристики ГМО-продукции, изучают ее макро- и микроэлементный состав, а также содержание питательных веществ и токсичных молекул. Все полученные по ГМО данные сравнивают с такими же показателями у немодифицированных культур. Если разница в вышеназванных характеристиках находится в пределах нормы, то продукция безопасна. Такая оценка существующих генетически модифицированных культур показала, что по всем характеристикам они эквивалентны «натуральным» сородичам, а значит, их следует считать безопасными [6].

Ранее существовали опасения, что употребление в пищу генно-модифицированных продуктов может приводить к повышению заболеваемости раком и ожирением, а также к нарушениям работы желудочно-кишечного тракта и почек. Для изучения такой зависимости долгосрочные и контролируемые исследования проводить довольно сложно. Поэтому для анализа опасности трансгенной пищи для человека комитет сделал следующее: сравнил заболеваемость в США и Канаде с заболеваемостью теми же недугами в странах Центральной Европы и Великобритании. Всё дело в том, что жители США и Канады начали употреблять в пищу ГМО еще в 1990-х, тогда как в Центральной Европе и Великобритании ГМ-продукты до сих пор широко не распространены. Поэтому кажется логичным, что если трансгенная еда опасна для человека, то показатели здоровья американцев и канадцев относительно европейцев за последние 20 лет резко ухудшилось бы. Однако сравнение уровней заболеваемости между первыми и вторыми не выявило различий в изменении здоровья людей после вывода ГМ-продуктов на рынок в 1990-х годах.

Ученые полагают, что ГМ-растения могут быть даже безопаснее и полезнее обычных. Уже есть некоторые данные о том, что трансгенные растения, устойчивые к вредоносным насекомым, уменьшают вероятность отравления человека инсектицидами. Кроме того, в разработке находится ряд ГМ-культур, предназначенных для непосредственного улучшения здоровья. В первую очередь это рис с повышенным содержанием бета-каротина [1]. У жителей развивающихся стран он должен предотвращать последствия дефицита витамина А — слепоту, а в тяжелых случаях и смертельный исход.

Не нашли исследователи и убедительных признаков экологических проблем, связанных с культивированием генетически модифицированных зерновых. Многие противники ГМО боялись такого явления, как поток генов, то есть процесса передачи генетического материала ГМ-растения дикому родственному виду. Теоретически это может вести к генетическому загрязнению, в результате которого возникает риск полного исчезновения некоторых видов. Да, действительно, члены комитета не отрицают, что поток генов существует. Однако фактически использование устойчивых к насекомым и гербицидам растений не уменьшило общего биологического разнообразия на фермах, где разводили ГМО. Более того, иногда наличие подобных культур приводило к увеличению разнообразия насекомых!

Также хочется отметить, что до последнего времени ни одна из широко распространенных ГМ-культур не предназначалась для непосредственного повышения урожайности. Но скоро это досадное упущение можно будет исправить — ученые уже работают над этим. Например, группе исследователей из Великобритании удалось получить генетически модифицированную пшеницу с повышенной эффективностью фотосинтеза [7]. В результате такой модификации растения, выращиваемые в теплицах, увеличивают урожайность на 15–20%. Если культуры смогут сохранить подобные показатели прироста урожайности и в полевых условиях, это будет впечатляющим результатом. Ведь получение большего количества пшеницы с одного и того же участка земли будет иметь не только экономические, но и экологические преимущества. Например, появится возможность использовать освободившиеся от сельскохозяйственных культур территории для сохранения и восстановления дикой природы.

Можно использовать ГМО и для менее высоких, но тоже полезных целей. Все мы знаем о вкусе томатов из супермаркета — вернее, о его отсутствии. Недавние исследования показали, что в ходе традиционной селекции помидоры утратили гены, отвечающие за их вкус. Вернуть утерянное можно, но как раз таки с помощью методов генной инженерии [8]. Вот такой получается парадокс: ароматные и вкусные ГМ-помидоры могут оказаться более «натуральными», чем их традиционно выведенные собратья.

Возможно, споры о вреде и пользе ГМО будут идти еще не один год. Хочется верить, что со временем появится больше исследований, подобных этому, которые расскажут нам о новых позитивных сторонах использования ГМ-технологий и их важном значении для окружающей среды и здоровья человека.

1. Трансгенные растения — спасители планеты или бомбы замедленного действия?;
2. Про ГМО;
3. Еще раз про ГМО;
4. Genetically Engineered Crops: Experiences and Prospects. (2016). Report of the National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine. The National Academies Press;
5. Genetically engineered crops: Experiences and prospects. (2016). Science daily;
6. Alessandro Nicolia, Alberto Manzo, Fabio Veronesi, Daniele Rosellini. (2014). An overview of the last 10 years of genetically engineered crop safety research. Critical Reviews in Biotechnology. 34, 77-88;
7. Trials planned for GM superwheat that boosts harvest by 20%. (2016). New scientist;
8. Denise Tieman, Guangtao Zhu, Marcio F. R. Resende, Tao Lin, Cuong Nguyen, Dawn Bies, et al.. (2017). A chemical genetic roadmap to improved tomato flavor. Science. 355, 391-394..

Трансгенные животные, примеры которых будут приведены ниже, были получены экспериментальным путем. Они содержат во всех своих клетках дополнительную ДНК-трансген, внедренную в клетки животного с хромосомами и там реализующуюся. Трансген наследуется, согласно законам Менделя.

Причины создания

Трансгенные растения и животные различаются степенью сложности своего создания. Животные используются для решения теоретических задач в биомедицине и сельском хозяйстве. Среди причин создания трансгенных организмов можно обозначить следующие:

• животные с геном гормона роста в равных условиях содержания выдают повышенные темпы роста;
• для усиления иммунитета к инфекциям;
• для получения биологически активных веществ;
• для получения человеческого белка от трансгенных животных;
• использование животных как биореакторов для получения медпрепаратов.

Первые такие животные были получены в 1974 году в Кембридже ученым по имени Рудольф Яниш. Он в эмбрион мыши ввел ДНК-вирус обезьяны. В России первые трансгенные животные были выведены в 1982 году.

Получение

Зачем нужны трансгенные животные? Их созданиепроисходит путем переноса клонированных ДНК в ядра оплодотворенных яйцеклеток, называемых зиготами, или стволовых эмбриональных клеток. После чего в органы репродуктивности пересаживаются измененные зиготы или яйцеклетки.

Если не вдаваться в подробности, то весь процесс заключается в следующем:

1. В ядро яйцеклетки, предварительно оплодотворенной, вводится клонированный ген.
2. Оплодотворенные яйцеклетки с внедренной ДНК помещаются в выбранную заранее женскую особь для дальнейшего вынашивания трансгенного плода.
3. Проводится отбор потомства, родившегося при помощи внедрения чужеродной ДНК, с таким расчетом, чтобы клонированный ген содержался в каждой клетке полученного организма.
4. Скрещиваются животные, которые в клетках зародышевой линии несут клонированный ген.
5. Таким образом получают новую генетическую линию.

Подобные эксперименты весьма затратны в плане необходимого для этого времени. Несмотря на это, трансгенез становится мощнейшим инструментом для исследования заболеваний человека. При помощи трансгенеза проводится работа над генетической модификацией молочных желез животных для получения из молока белка, идентичного человеческому, а также для изготовления фармацевтических препаратов.

Методы трансгенеза животных

Для чего они нужны? Трансгенные животные – это отдельные особи, геном которых отличается искусственно дополненной генетической информацией. Трансген представляет собой в одном случае самостоятельный участок ДНК с собственными регуляторными последовательностями. В другом – это созданный из различных молекул ДНК-гибридный (рекомбинантный) ген.

Трансген – это введенный искусственно и закрепившийся в ДНК животного чужеродный ген. А трансгенез – это процесс интеграции и переноса в геном животного чужеродной генетической информации.

Существуют определенные методы получения трансгенных животных. Среди них выделяют:

1. Микроинъекционный метод.
2. Метод использования ретровирусных векторов.
3. Пересадка ядер клеток, которые культивируются in vitro.
4. Метод липосом – переносчиков ДНК.
5. Метод использования половых клеток семенников.

Метод микроинъекции

Впервые для получения трансгенных животных был использован именно метод микроинъекции. Это произошло в 1985 году одновременно в двух исследовательских лабораториях. Одна из них принадлежала США, другая находилась в Германии. В настоящее время этот метод является наиболее часто используемым.

Способ микроинъекции основан на введении раствора генных конструкций в мужской пронуклеус (предшественник ядра) зигот. При оплодотворении в яйцеклетке образуются два ядра, одно из которых мужское (мужской пронуклеус), другое – женское (женский пронуклеус). Мужской и женский пронуклеусы после сближения объединяются в общее ядро с соединением отцовских и материнских хромосом в один генотип эмбриона.

Об успешности микроинъекции можно судить по увеличению объема пронуклеуса в 1,5 раза. Когда процедура завершается, получившиеся эмбрионы несколько часов культивируются, а затем подсаживаются в матку одновременно нескольким самкам.

После рождения потомства производится анализ на интеграцию трансгена путем отбора проб. Число трансгенных малышей от общего числа родившегося при помощи данного метода потомства весьма незначительно. У испытуемых мышей это примерно 15 %, у свиней – от 10 до 15 %, у овец, коз и крупного рогатого скота этот показатель лавируется от 5 до 10 %. Над улучшением данного соотношения ученые работают по сей день.

Метод использования ретровирусных векторов

Перенос ДНК в эмбриональные линии животных при помощи ретровирусных векторов – это довольно результативный метод. Ретровирусы являются ядросодержащими вирусами. Их генетический материал – это одноцепочечная рибонуклеиновая кислота (РНК).

Ретровирусы могут быть экотропными, то есть способными воспроизводиться в клетках одного вида животных или нескольких близкородственных видов. Например, вирус лейкимии мыши может размножаться только в клетках мыши или крысы. Амфотропные же вирусы способны к распространению во многих видах животных.

Ретровирус проникает в клетку при помощи микропиноцитоза – транспорта небольших по размеру молекул. У одних вирусов транскрипция происходит в ядре клетки, у других – в цитоплазме. Если интеграция случается в геноме генеративных клеток, то ретровирусы передаются потомству по наследству. Здесь идет речь об эндогенных ретровирусах.

Впервые вирусная ДНК была обнаружена в клетках взрослой мыши в 1974 году. Инфекция зигот в большинстве случаев приводит к получению трансгенных животных, так как интеграция возможна, если клетка вступает в непрямое деление после репликации ДНК.

Преимущества использования ретровирусных векторов:

1. Почти 100 % эмбрионов, обработанных ретровирусом, могут быть инфицированы.
2. Становится возможным проведение генной терапией наследственных заболеваний.
3. Ретровирусы делают возможной трансформацию отдельных органов (например, молочных желез для повышения удоя).

Недостатки использования ретровирусных векторов:

1. Ограниченная емкость.
2. Подавление экспрессии трансгенов in vivo.
3. Низкий титр (решена при помощи псевдотипирования).
4. Возможность клеточных онкогенов.
5. Невозможность передачи по наследству трансформации отдельных органов.

Метод пересадки ядер клеток

Особенностью метода является использование трансформированных клеточных линий для получения трансгенных особей при помощи генных конструкций. Для этого берутся стволовые линии, а также соматические клетки, которые культивируются in vitro, то есть в пробирке.

Одним из методов пересадки ядер является метод микроманипуляции, и заключается он в следующем:

1. При помощи микропипетки происходит извлечение пронуклеусов после того, как произошло прокалывание зон пеллюцида и зон плазматической мембраны.
2. Пипеткой с большим диаметром в тот же прокол вводится ядро с полным набором хромосом от донора.

При помощи такого метода цитоплазма зиготы травмируется намного меньше, как и донорское ядро.

Существует еще один способ трансплантации ядра. Этот метод заключается в использовании для этой цели цитохалазинов, то есть веществ, которые синтезированы при помощи грибов. Структура микроферментов (нитей, состоящих из молекул глобулярного белка актина) разрушается цитохалазином В, после чего ядро может быть расположено уникальным образом.

Ядро при помощи тоненькой нити цитоплазмы остается соединенным с клеткой. Затем эта связь искусственно разрывается при помощи центрифугирования. Образуются цитопласты (клетки без ядра) и кариопласты (ядра, окруженные цитоплазмой). В градиенте плотности цитопласты отделяются от интактных клеток, и могут быть использованы для соединения с кариопластами других клеток, чтобы получилась жизнеспособная клетка.

Метод липосом – переносчиков ДНК

Это самый безвредный метод трансгенеза. Его особенность заключается в использовании липосом для сохранения и переноса в них генов. Липосомы создаются с различными свойствами. Они не иммуногены и не обладают токсичностью.

Однако данный метод не является эффективным, потому что ДНК, транспортированная таким образом в клетку, сразу же захватывается лизосомами и разрушается ими.

Метод использования половых клеток семенников

Сперматозоиды – это природный вектор, который транспортирует ДНК в клетку. Но проводимые в этой области исследования показали неоднозначные результаты метода. В экспериментах М. Lavitrano в 1989 году 30 % опытных мышей, которые были получены при помощи инъекций измененных сперматозоидов в неоплодотворенные яйцеклетки мыши, оказались трансгенными и могли передавать трансген по наследству.

В другом случае множество попыток повторить этот результат в других лабораториях не увенчались успехом, при сходных условиях были получены разные результаты. Из всего этого можно сделать предположение, что удачная трансформация ДНК наблюдается только на определенной стадии клеточного цикла. До сих пор ведутся исследования в области определения механизма встраивания экзогенной ДНК в геном сперматозоида.

Возможность использования после криоконсервации сперматозоидов является положительным моментом данного метода. Отрицательной же стороной считается большое количество микроманипуляций, необходимых при трансгенезе при помощи этого способа.

Но все же сперматозоиды имеют способность поглощать ДНК и накапливать ее в ядре. Для достижения большего эффекта соединения ДНК со сперматозоидом существует несколько методов: липосомный, инъекция в семенники, в семенные канальцы при помощи создания пор в липидной мембране под действием электрического поля.

Выключенные гены

Выключение гена – это подавление экспрессии генов, то есть сайленсинг генов или генный нокаут. При этом процессе экспрессия необходимого гена прекращается, но последовательность нуклеотидов остается неизменной.

Выключение гена может происходить при переносе информации с ДНК на РНК, то есть транскрипции, и после нее. Механизмы выключения генов защищают организм от вирусов и прыгающих генов. Поэтому сайленсинг является частью иммунной системы, которая защищает от чужеродной ДНК. Трансгенные животные с выключенными генами и их создание называются генным таргетингом.

Наследование генов, согласно законам Менделя

Законы Менделя описывают особенности передачи от организма родителя к организму детеныша характеристик, несущих наследственность. Данные принципы находятся в основе классической генетики. В основном во всех научных статьях раскрывается одно из правил Менделя и пара законов.

Правило первого поколения гибридов и их единообразие гласит о том, что данные гибриды всегда наследуют один из признаков родителя.

Закон расщепления признаков является первым законом Менделя. В нем говорится о том, что у ¾ подопытных животных выявились доминантные признаки, а у ¼ – рецессивные.

Закон независимого наследования признаков является вторым законом. Здесь Менделем описывается распределение признаков при скрещивании полигибридном и дигибридном.

Полезные свойства

Создание трансгенных животных с новыми полезными свойствами – это процесс непрекращающийся.

Трансгенные животные, примеры которых приведены ниже, уже существуют в современном мире:

• В Великобритании при помощи трансгенеза были выведены овцы. Молоко этих животных содержит в себе фактор, способствующий свертыванию крови.

• У трансгенных свиней, созданных в России, был изменен обмен веществ посредством введения гена соматотропина, что позволило снизить жирность мяса.
• Американцы работают над созданием коров, в чьем молоке содержится человеческий альбумин, который используется для поддержания нормального давления крови.

Перспективы использования трансгенных животных

В ближайшем будущем предполагается создание таких животных, одни гены которых нокаутированы, а другие введены в состав их генома.

• Получение модифицированного молока.

Предполагается, что такое молоко в своем составе будет максимально приближено к составу материнского молока человека. В этом направлении проводится работа с эмбриональными стволовыми клетками.

• Использование трансгенных животных для получения органов, которые пересаживаются человеку.

Не секрет, что человечество нуждается в донорских органах. Сейчас генетики ведут работу над выращиванием таких органов в теле животных. Например, органы свиней вполне могли бы подойти по своему размеру и составу. Но они будут незамедлительно отторгнуты человеческой иммунной системой. Чтобы этого не происходило, создается трансгенная свинья, у которой выключены гены гистосовместимости, а вместо них внедрены гены гистосовместимости человека.

• Клонирование трансгенных животных.

Создание трансгенных животных – трудозатратный процесс. Согласно статистике, на 100 инъецированных зигот овцы, 40 мышиных зигот и 1500 зигот коровы приходится менее 50% особей, экспрессирующих трансгенный белок. При удачной попытке получения трансгенного животного совсем необязательно, что его потомками будет наследован трансген. Поэтому клонирование животного с необходимыми генетическими параметрами – есть оптимальный выход из положения.