Генная инженерия: за и против

"Генная  инженерия: за и против" 

План:

1. Генная инженерия.  История появления и развития  генной инженерии.

2.  Неоднозначность  в вопросах о пользе ГИ.

3. Генетически  модифицированный организм (ГМО).

4. Польза и  вред генномодифицированных продуктов. 

1. Генная инженерия.

Генетическая  инженерия (генная инженерия) - совокупность приёмов, методов и технологий получения  рекомбинантных РНК и ДНК, выделения  генов из организма (клеток), осуществления  манипуляций с генами и введения их в другие организмы.

Генетическая  инженерия не является наукой в широком  смысле, но является инструментом биотехнологии, используя методы таких биологических  наук, как молекулярная и клеточная  биология, цитология, генетика, микробиология, вирусология. Уже сегодня генная инженерия позволяет включать и  выключать отдельные гены, контролируя  таким образом деятельность организмов, а также - переносить генетические инструкции из одного организма в другой, в  том числе - организмы другого  вида. По мере того, как генетики всё  больше узнают о работе генов и  белков, всё более реальной становится возможность произвольным образом  программировать генотип (прежде всего, человеческий).

  Перенос генов дает возможность преодолевать межвидовые барьеры и передавать отдельные наследственные признаки одних организмов другим. Цель генной инженерии – не воплощение в реальность мифов, а получение клеток (в первую очередь бактериальных), способных  в промышленных масштабах нарабатывать некоторые «человеческие» белки.  

История появления  и развития генной инженерии:

Любое растение или животное имеет тысячи различных  признаков. За наличие каждого конкретного  признака отвечает определённый ген. Ген  представляет собой маленький отрезок  молекулы ДНК и генерирует или  порождает определённый признак  растения или животного. Если внести в организм (растение, микроорганизм, животное или даже человек) новые гены, то можно наделить его новой желательной характеристикой, которой до этого он никогда не обладал. Изменения генов прежде всего связано с преобразованием химической структуры ДНК: изменение последовательности нуклеотидов в хромосомной ДНК, выпадение одних и включение других нуклеотидов меняют состав образующихся на ДНК молекулы РНК, а это, в свою очередь, обуславливает новую последовательность аминокислот при синтезе. В результате в клетке начинает синтезироваться новый белок, что приводит к появлению у организма новых свойств.

Генная инженерия  появилась благодаря работам  многих исследователей в разных отраслях биохимии и молекулярной генетики. В 1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик создали  двуспиральную модель ДНК, на рубеже 50 – 60-х годов 20 века были выяснены свойства генетического кода, а к концу 60-х годов его универсальность  была подтверждена экспериментально. Шло интенсивное развитие молекулярной генетики, объектами которой стали E.coli, ее вирусы и плазмиды. Были разработаны  методы выделения высокоочищенных  препаратов неповрежденных молекул  ДНК, плазмид и вирусов. ДНК вирусов  и плазмид вводили в клетки в биологически активной форме, обеспечивая  ее репликацию и экспрессию соответствующих  генов. В 1970 году Г.Смитом был впервые  выделен ряд ферментов – рестриктаз, пригодных для генно-инженерных целей. Г.Смит установил, что полученный из бактерий очищенный фермент HindII сохраняет способность разрезать  молекулы нуклеиновых кислот (нуклеазная активность), характерную для живых  бактерий. Комбинирование ДНК-рестриктаз (для разрезания молекул ДНК на определенные фрагменты) и выделенных еще в 1967 г. ферментов – ДНК-лигаз (для «сшивания» фрагментов в произвольной последовательности) по праву можно  считать центральным звеном в  технологии генной инженерии.

Датой рождения генной инженерии можно считать 1972 год, когда П. Берг, С. Коэн, Х. Бойер  с сотрудниками (Стенфордский университет) создали первую рекомбинантную ДНК, содержавшую фрагменты ДНК вируса SV40, бактериофага и E. Coli.

Таким образом, к началу 70-х годов были сформулированы основные принципы функционирования нуклеиновых  кислот и белков в живом организме  и созданы теоретические предпосылки  генной инженерии

Академик А.А. Баев был первым в нашей стране ученым, который поверил в перспективность  генной инженерии и возглавил  исследования в этой области. Генетическая инженерия (по его определению) –  конструирование in vitro функционально  активных генетических структур (рекомбинантных ДНК), или иначе – создание искусственных  генетических программ. 

2.Неоднозначность  в вопросах о пользе ГИ.

Несмотря на явную пользу от генетических исследований и экспериментов, само понятие «генная  инженерия» породило различные подозрения и страхи, стало предметом озабоченности  и даже политических споров. Так  как генная инженерия появилась  совсем не давно, многие ученые еще  скептически относятся к этой панацеи от всех заболеваний. Существует масса различных мнений: некоторые  считают, что, внося изменения в  генный код растения или животного, учёные делают то же самое, что и  сама природа (абсолютно все живые  организмы от бактерии до человека - это результат мутаций и естественного  отбора), другие, напротив считают это  противоестественным вмешательством в природу.

Вот несколько  мнений против генной инженерии:

1. Генная инженерия  в корне отличается от выведения  новых сортов и пород. Искусственное  добавление чужеродных генов  сильно нарушает точно отрегулированный  генетический контроль нормальной  клетки. Манипулирование генами  коренным образом отличается  от комбинирования материнских  и отцовских хромосом, которое  происходит при естественном  скрещивании.

2. В настоящее  время генная инженерия технически  несовершенна, так как она не  в состоянии управлять процессом  встраивания нового гена. Поэтому  невозможно предвидеть место  встраивания и эффекты добавленного  гена. Даже в том случае, если  местоположение гена окажется  возможным установить после его  встраивания в геном, имеющиеся  сведения о ДНК очень неполны  для того, чтобы предсказать результаты.

3. В результате  искусственного добавления чужеродного  гена непредвиденно могут образоваться  опасные вещества. Это могут быть  токсические вещества, аллергены  или другие вредные для здоровья  вещества. Сведения о подобного  рода возможностях ещё очень  неполны.

4. Не существует  совершенно надёжных методов  проверки на безвредность. Более  10% серьёзных побочных эффектов  новых лекарств не возможно  выявить несмотря на тщательно  проводимые исследования на безвредность. Степень риска того, что опасные свойства новых, модифицированных с помощью генной инженерии продуктов питания, останутся незамеченными, вероятно, значительно больше, чем в случае лекарств.

5. Существующие  в настоящее время требования  по проверке на безвредность  крайне недостаточны. Они совершенно  явно составлены таким образом,  чтобы упростить процедуру утверждения.  Они позволяют использовать крайне  нечувствительные методы проверки  на безвредность. Поэтому существует  значительный риск того, что опасные  для здоровья продукты питания  смогут пройти проверку незамеченными.

6. Могут возникнуть  новые и опасные вирусы. Экспериментально  показано, что встроенные в геном  гены вирусов могут соединяться  с генами инфекционных вирусов  (так называемая рекомбинация). Такие  новые вирусы могут быть более  агрессивными, чем исходные. Вирусы  могут стать также менее видоспецифичными. Например, вирусы растений могут  стать вредными для полезных  насекомых, животных, а также людей.

Мнения за генную инженерию:

1. Именно применение  генноинженерной методики позволили  расшифровать геном человека  и многих других организмов, выявить  гены, отвечающие за те или  иные признаки, в том числе  тяжелые наследственные заболевания.  Последнее открывает новые пути  к лечению ранее безнадежных  недугов.

2. Весьма эффективна  генная инженерия и в фармакологии. Например, пересаживают гены, кодирующие  синтез того или иного ценного  лекарственного препарата (эритропоэтина  человека, инсулина и пр.), в молочные  железы домашних животных, и это  позволяет легко получать необходимые  лекарства в больших количествах.

3. С помощью  генной инженерии в будущем  можно будет излечить врожденные  заболевания или различные отклонения, с которыми рождаются некоторые  дети, из-за сбоя в генах. И  даже такие заболевания как  ВИЧ.

4. Население  Земли увеличивается с каждым  годом, поэтому генетически модифицированные  продукты призваны спасти растущее  население планеты от голода. Будущее за геннномодифицированными  продуктами. 

3. Генетически  модифицированный организм (ГМО).

Генетически модифицированный организм (ГМО) - живой организм, генотип  которого был искусственно изменён  при помощи методов генной инженерии. Такие изменения, как правило, производятся в научных или хозяйственных  целях. Генетическая модификация отличается целенаправленным изменением генотипа организма в отличие от случайного, характерного для естественного и искусственного мутагенеза.

История появления  ГМО-продуктов:

Всю историю  сельского хозяйства (около 10 000 лет) человек для своей пользы улучшал  животных и растения. Вначале селекция была основана на явлении естественной генетической изменчивости, позже люди научились искусственно создавать  комбинативную изменчивость (гибридизация), а в последние десятилетия - и  мутационную (мутагенез). Принцип селекции всегда оставался неизменным - отбор  ценных генотипов. Результат известен - современные виды капусты совершенно непохожи на своих далёких предков, а початки кукурузы сегодня примерно в 10 раз больше тех, что выращивались 5 тысяч лет назад. К сожалению, кпд селекции очень низок - из тысяч  и десятков тысяч исходных растений селекционер выводит всего один-два  сорта.

Началом эволюции в сельском хозяйстве же можно  считать 1983 год, когда была проведена  первая пересадка генов.

При исследовании почвенной бактерии, вырабатывающей на деревьях наросты, выяснилось, что, паразитируя, эта бактерия отдает фрагмент своей ДНК в растительную клетку дерева, где он встраивается в хромосому. После этого чужая ДНК принимается  как собственная, поэтому бактерия вынуждает дерево синтезировать  нужные ей питательные вещества. Такой  эксперимент считается стартом  генной инженерии растений.

Первым генным подопытным стал табак, устойчивый к  вредителям, затем модифицировали кукурузу, сою, рис, помидоры, огурцы, картофель, свеклу и яблоки. Растения с „чужими“ генами приобретают устойчивость к  гербицидам, вредителям и патогенам, их плоды способны долго храниться  при комнатной температуре, они  имеют повышенную питательную ценность или другой вкус, и, наконец, они способны синтезировать новые вещества -- начиная от лекарств и заканчивая пластиком.

Направленной  генетической модификации (трансформации) можно подвергать не только растения, а любые живые организмы. Первые трансгенные микроорганизмы были получены в начале 70-х, а первые трансгенные  сельскохозяйственные растения и животные появились значительно позже - в  середине 80-х. Трансгенные микроорганизмы, к примеру, широко используются в  фармацевтической и пищевой промышленности. Такие препараты, как инсулин, интерферон, интерлейкин, в основном получают генно-инженерным способом. Сегодня с применением методов генной инженерии выпускается около 25% всех лекарств в мире. Некоторые генетически модифицированные микробы эффективно перерабатывают промышленные отходы. Трансгенные животные чаще всего используются в качестве биореакторов - продуцентов нужных белков, в основном лекарственных препаратов или ферментов для пищевой промышленности. Например, в России выведена порода овец, вырабатывающих вместе с молоком и фермент, необходимый в производстве сыра. В ближайшей перспективе - использование трансгенных животных в качестве моделей для изучения наследственных заболеваний человека, а также в качестве источников органов и тканей для трансплантологии.

Генная инженерия  растений развивается очень быстрыми темпами. Первое трансгенное, или генетически  модифицированное, растение (ГМР) было получено в 1984 году, а через два  года в США и во Франции уже  проводились полевые испытания. Площади, занятые трансгенными растениями, стремительно возрастают: с 1,7 млн га в 1996 году, когда началось их возделывание в коммерческих масштабах, до 58,7 млн  га в 2002 году, что составляло около 4,5% от всех пахотных площадей в мире. Причём 99% этой площади занимают четыре культуры: соя, хлопок, кукуруза и рапс. По этим растениям картина ещё более  впечатляющая -в среднем 22% их насаждений занимают трансгенные сорта. В 2002 году в США около 75% хлопка и cои, в Аргентине -99% сои, в Канаде - 65% рапса, в Китае - 51% хлопка были трансгенными. Генетически модифицированные растения

Ввести чужеродную ДНК в растения можно различными способами.

Для двудольных растений существует естественный вектор для горизонтального переноса генов: плазмиды агробактерий. Что касается однодольных, то, хотя в последние  годы достигнуты определенные успехи в их трансформации агробактериальными векторами, все же подобный путь трансформации  встречает существенные затруднения.

Для трансформации  устойчивых к агробактериям растений разработаны приемы прямого физического  переноса ДНК в клетку они включают: бомбардировку микрочастицами или  баллистический метод; электропорацию; обработку полиэтиленгликолем; перенос  ДНК в составе липосом и  др.

После проведения тем или иным способом трансформации  растительной ткани ее помещают in vitro на специальную среду с фитогормонами, способствующую размножению клеток. Среда обычно содержит селективный агент, в отношении которого трансгенные, но не контрольные клетки приобретают устойчивость. Регенерация чаще всего проходит через стадию каллуса, после чего при правильном подборе сред начинается органогенез (побегообразование). Сформированные побеги переносят на среду укоренения, часто также содержащую селективный агент для более строгого отбора трансгенных особей.

Первые трансгенные  растения (растения табака со встроенными  генами из микроорганизмов) были получены в 1983 г. Первые успешные полевые испытания  трансгенных растений (устойчивые к  вирусной инфекции растения табака) были проведены в США уже в 1986 г.

После прохождения  всех необходимых тестов на токсичность, аллергенность, мутагенность и т.д. первые трансгенные продукты появились  в продаже в США в 1994 г. Это  были томаты Flavr Savr с замедленным  созреванием, созданные фирмой «Calgen», а также гербицид-устойчивая соя  компании «Monsanto». Уже через 1-2 года биотехнологические фирмы поставили на рынок целый  ряд генетически измененных растений: томатов, кукурузы, картофеля, табака, сои, рапса, кабачков, редиса, хлопчатника.

В РФ возможность  получения трансгенного картофеля  методом бактериальной трансформации  с использованием Agrobacterium tumefaciens была показана в 1990 г.

В настоящее  время получением и испытанием генетически  модифицированных растений занимаются сотни коммерческих фирм во всем мире с совокупным капиталом более 100 миллиардов долларов. Генно-инженерная биотехнология растений уже стала  важной отраслью производства продовольствия и других полезных продуктов, привлекающей значительные людские ресурсы и  финансовые потоки.

В России под  руководством академика К.Г. Скрябина (Центр «Биоинженерия» РАН) получены и охарактеризованы ГМ сорта картофеля  Елизавета плюс и Луговской плюс, устойчивые к колорадскому жуку. По результатам проверки Федеральной  службой по надзору в сфере  защиты прав потребителей и благополучия человека на основании экспертного  заключения ГУ НИИ питания РАМН данные сорта прошли государственную регистрацию, внесены в государственный реестр и разрешены для ввоза, изготовления и оборота на территории РФ.

Данные ГМ сорта  картофеля принципиально отличается от обычных наличием в его геноме встроенного гена, определяющего 100%-ю  защиту урожая от колорадского жука без использования каких-либо химических средств.

Первая волна  трансгенных растений, допущенных для  практического применения, содержала  дополнительные гены устойчивости (к  болезням, гербицидам, вредителям, порче  при хранении, стрессам).

Нынешний этап развития генетической инженерии растений получил название «метаболическая  инженерия». При этом ставится задача не столько улучшить те или иные имеющиеся качества растения, как  при традиционной селекции, сколько  научить растение производить совершенно новые соединения, используемые в  медицине, химическом производстве и  других областях. Этими соединениями могут быть, например, особые жирные кислоты, полезные белки с высоким  содержанием незаменимых аминокислот, модифицированные полисахариды, съедобные  вакцины, антитела, интерфероны и  другие «лекарственные» белки, новые  полимеры, не засоряющие окружающую среду  и многое, многое другое. Использование  трансгенных растений позволяет  наладить масштабное и дешевое производство таких веществ и тем самым  сделать их более доступными для  широкого потребления.

Генетически модифицированные животные:

Клетки животных существенно отличаются от бактериальных  по своей способности поглощать  чужеродную ДНК, поэтому методы и  способы способы введения генов  в эмбриональные клетки млекопитающих, мух и рыб остаются в центре внимания генных инженеров.

Наиболее изученное  в генетическом отношении млекопитающее  – мыши. Первый успех относится  к 1980 году, когда Д. Гордон с сотрудниками продемонстрировал возможность  введения и интеграции чужеродной ДНК  в геном мышей. Интеграция была стабильной и сохранялась у потомства. Трансформацию  производят микроинъекцией клонированных  генов в один или оба пронуклеуса (ядра) только что эмбриона на стадии одной клетки (зиготы). Чаще выбирают мужской пронуклеус, привнесенный сперматозоидом, так как его размеры больше. После инъекции яйцеклетку немедленно имплантируют в яйцевод приемной матери, или дают возможность развиваться  в культуре до стадии бластоцисты, после  чего имплантируют в матку.

Таким образом  были инъецированы гены интерферона  и инсулина человека, ген β-глобина  кролика, ген тимидинкиназы вируса простого герпеса и кДНК вируса лейкемии мышей. Число молекул, вводимое за одну инъекцию, колеблется от 100 до 300 000, а их размер – от 5 до 50 кб. Выживает обычно 10 – 30% яйцеклеток, а доля мышей, родившихся из трансформированных яйцеклеток варьирует от нескольких до 40%. Таким образом, реальная эффективность составляет около 10%.

Таким методом  получены генно-инженерные крысы, кролики, овцы, свиньи, козы, телята и другие млекопитающие. В нашей стране получены свиньи, несущие ген соматотропина. Они не отличались по темпам роста  от нормальных животных, но изменение  обмена веществ сказалось на содержании жира. У таких животных ингибировались процессы липогенеза и активировался  синтез белка. К изменению обмена веществ приводило и встраивание  генов инсулиноподобного фактора. ГМ свиньи были созданы для изучения цепочки биохимических превращений  гормона, а побочным эффектом явилось  укрепление иммунной системы.

Самая мощная белоксинтезирующая система находится в клетках  молочной железы. Если поставить гены чужих белков под контроль казеинового  промотора, то экспрессия этих генов  будет мощной и стабильной, а белок  будет накапливаться в молоке. С помощью животных-биореакторов (трансгенные коровы) уже получено молоко, в котором содержится человеческий белок лактоферрин. Этот белок планируется  применять для профилактики гастроэнтерологических заболеваний у людей с низкой иммунорезистентностью: больные СПИДом, недоношенные младенцы, больные раком, прошедшие радиотерапию.

Важное направление  трансгеноза – получение устойчивых к болезням животных. Ген интерферона, относящийся к защитным белкам, встраивали различным животным. Трансгенные  мыши получили устойчивость – они  не болели или болели мало, а вот  у свиней такого эффекта не обнаружено. 

4. Польза и вред генномодифицированных продуктов.

Прежде чем  рьяно отвергать или фанатично  принимать любое нововведение, нужно  вспомнить, что у любой медали все же две стороны. Для этого  нужно изучить все положительные  и все отрицательные стороны  новшества.

Генетически модифицированные организмы способны не только расти, как их предшественники, но и выживать там, где старые сорта погибали из-за различных погодных условий. Многим из них не страшны неожиданные  заморозки, наводнения или засуха. Некоторые  растения стали обладать такой развитой корневой системой, которая позволяет им удерживать максимальное количество влаги. А те сорта, которые ранее были чувствительны к пониженным температурам, стали устойчивее к ним, а это, в свою очередь, повлияло на то, что растения теперь раньше вступают в весенний период активного роста. Также были созданы новые быстрорастущие сорта зерновых культур.

Генные изменения  проводят для того, чтобы придать  растению полезные свойства:

* устойчивость  к вредителям, морозостойкость, урожайность  и т.д.;

* население Земли  увеличивается с каждым годом,  генетически модифицированные продукты  призваны спасти растущее население  планеты от голода;

* генетически  модифицированные продукты, способные  защитить себя от насекомых  и сорняков, обладающие высокой  урожайностью, снижают и себестоимость  продукции;

* устойчивость  к действию различных вредителей  позволяет использовать меньше  пестицидов, чем это принято в  традиционных технологиях;

* появились такие  овощи и фрукты, которые способны  противостоять вирусам, бактериям,  грибкам;

* ученые работают  над выведением сортов помидор  и картофеля, содержащих вакцины  и лекарства для стран третьего  мира, где они будут выращиваться  и не будут нуждаться в специальных  методах хранения;

* некоторые виды  деревьев выведены специально  для уничтожения загрязнений.

Ну и другая сторона медали... Почему многие выступают  против ГМ-продуктов?

* Большинство  стран не имеет законов, регулирующих  производство и потребление ГМ-продуктов.

* Потребители  не знают, что покупают, не знают,  как это отражается на их  здоровье. Например, ген из подснежника,  внедренный в картофель для  устойчивости к колорадскому  жуку, вызывает повышенное содержание  растительных лектинов, что неблагоприятно  для млекопитающих. От такого  продукта страдают иммунная система,  кишечник, возникают болезни почек,  печени и головного мозга.

* На товарах  отсутствуют сведения о содержащихся  в продуктах веществах, их количестве.

* Опасения экологов  заключаются в том, что может  наступить экологическая катастрофа, если генетически измененные  формы проникнут в дикую природу.  Например, при перекрестном опылении  сорняки получат ген устойчивости  к пестицидам и вредителям, и  их размножение станет неконтролируемым.

* Кроме экологического  риска существует и пищевой.  Некоторые продукты могут вызывать  аллергическую реакцию. Обычный  продукт, тот же помидор, содержащий  невидимый глазу ген рыбы, может  спровоцировать аллергическую реакцию  у человека, которому рыба противопоказана.

Пока ученые разных стран спорят о влиянии  ГМО на здоровье, руководители государств считают необходимым информировать  покупателей о наличии трансгенов в продуктах и давать им таким  образом право выбора. В странах  Евросоюза правила таковы: если в  килограмме колбасы, содержащем, к примеру, 100 граммов сои, будет хотя бы один грамм генно-модифицированного ее сорта (более 0,9 процента), маркировка должна быть обязательно.

В Омске существует лаборатория, в которой проверяются  продукты на наличие ГМО. Предел допустимых значений составляет 0,9% (величина погрешности  прибора), что говорит об отсутствии ГМО в продукции .

 Достижения и перспективы развития

Генная инженерия  в медицине:

Потребности здравоохранения, необходимость решения проблем  старения населения формируют устойчивый спрос на генно-инженерные фармпрепараты (с годовым объемом продаж в 26 млрд. долл. США) и лечебно-косметические  средства из растительного и животного  сырья (с годовым объемом продаж около 40 млрд. долл. США).

Среди многих достижений генной инженерии, получивших применение в медицине, наиболее значительное – получение человеческого инсулина в промышленных масштабах.

В настоящее  время по данным ВОЗ в мире насчитывается  около 110 млн. людей, страдающих диабетом. Инсулин, инъекции которого показаны больным  этим заболеванием, уже давно получают из органов животных и используют в медицинской практике. Однако многолетнее  применение животного инсулина ведет  к необратимому поражению многих органов пациента из-за иммунологических реакций, вызываемых инъекцией чужеродного  человеческому организму животного  инсулина. Но даже потребности в животном инсулине до недавнего времени удовлетворялись всего на 60 – 70%. Генные инженеры в качестве первой практической задачи клонировали ген инсулина. Клонированные гены человеческого инсулина были введены с плазмидой в бактериальную клетку, где начался синтез гормона, который природные микробные штаммы никогда не синтезировали. Начиная с 1982 года фирмы США, Японии, Великобритании и других стран производят генно-инженерный инсулин. В России получение генно-инженерного человеческого инсулина – Инсурана ведется в Институте биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН. Сегодня отечественный инсулин производится в объеме, достаточном для обеспечения больных диабетом г. Москвы. Вместе с тем, потребность всего российского рынка в генно-инженерном инсулине удовлетворяется, в основном, импортными поставками. Мировой рынок инсулина составляет в настоящее время более 400 млн. долларов, ежегодное потребление около 2500 кг.