Кризис аграрной цивилизации и генетически модифицированные организмы

До появления технологии рекомбинантных ДНК многие лекарственные препараты на основе белков человека удавалось получать только в небольших количествах, их производство обходилось очень дорого, а механизм биологического действия иногда был недостаточно изучен. С помощью новой технологии получают весь спектр таких препаратов в количествах, достаточных как для их эффективного тестирования, так и для применения в клинике. На сегодняшний день клонировано более 400 генов (в основном в виде кДНК) различных белков человека, которые могут стать лекарственными препаратами. Большинство этих генов уже экспрессированы в клетках-хозяевах, и сейчас их продукты применяют для лечения различных заболеваний человека. Как обычно, сначала их проверяют на животных, а потом проводят тщательные клинические испытания. Ежегодный объем мирового рынка лекарственных препаратов на основе белков человека составляет около 150 млрд. долларов и постоянно растет. Объем мирового рынка лекарственных средств на основе рекомбинантных белков увеличивается на 12-14% в год и в 2000 г. составил примерно 20 млрд. долларов.

С другой стороны, перспективно применение в качестве терапевтических средств специфических антител. Их используют для нейтрализации токсинов, борьбы с бактериями, вирусами, для лечения раковых заболеваний. Антитело либо нейтрализует «нарушителя» — чужеродный агент, либо, разрушает специфическую клетку-мишень. Несмотря на многообещающие возможности, антитела пока редко применяют для профилактики и лечения болезней. И лишь с развитием технологии рекомбинантных ДНК и разработкой методов получения моноклональных антител и с расшифровкой молекулярной структуры и функции иммуноглобулинов снова возник коммерческий интерес к применению специфических антител для лечения различных заболеваний.

Разработка новых методов профилактики и лечения многих заболеваний человека внесла огромный вклад в рост благосостояния людей в XX в. Однако этот процесс нельзя считать завершенным. Так называемые «старые» заболевания, например, малярия, туберкулез и др., могут дать о себе знать вновь, как только будут ослаблены профилактические меры, или появятся резистентные штаммы. Типичная ситуация в этом отношении в Украине и России.

Первые продукты из ГМО — антибиотики

К антибиотикам относятся низкомолекулярные вещества, различающиеся по химической структуре. Общее для этих соединений то, что, являясь продуктами жизнедеятельности микроорганизмов, они в ничтожных концентрациях специфически нарушают рост других микроорганизмов.

Большинство антибиотиков относится к вторичным метаболитам. Их, как и токсины и алкалоиды, нельзя отнести к строго необходимым для обеспечения роста и развития микроорганизмов веществам. По этому признаку вторичные метаболиты отличаются от первичных, в присутствии которых наступает гибель микроорганизма.

Биосинтез антибиотиков, как и других вторичных метаболитов, как правило, происходит в клетках, прекративших рост (идиофаза). Биологическая роль их в обеспечении жизнедеятельности клеток-продуцентов остается до конца не исследованной. Специалисты, изучающие перспективы биотехнологии в области микробиологического производства антибиотиков, считают, что они в неблагоприятных условиях подавляют рост конкурирующих микроорганизмов, обеспечивая тем самым более благоприятные условия для выживания микроба-продуцента того или иного антибиотика. Значение процесса антибиотикообразования в жизнедеятельности микробной клетки подтверждается тем, что у стрептомицетов около 1% геномной ДНК приходится на долю генов, кодирующих ферменты биосинтеза антибиотиков, которые в течение продолжительного времени могут не экспрессироваться. Продуцентами известных антибиотиков в основном являются шесть родов нитчатых грибов, три рода актиномицетов (почти 4000 различных антибиотиков) и два рода истинных бактерий (примерно 500 антибиотиков). Из нитчатых грибов особое внимание следует обратить на плесневые грибы родов Cephalosporium и Penicillium, являющиеся продуцентами так называемых бета-лактамных антибиотиков — пенициллинов и цефалоспоринов. Большая часть актиномицетов, синтезирующих антибиотические вещества, включая тетрациклины, относится к роду Streptomyces.

Из известных 5000-6000 природных антибиотических веществ для реализации потребителям производится только около 1000. В то время, когда установили антибактериальное действие пенициллина и возможность его использования в качестве лекарственного препарата (Х.У. Флори, Э.Б. Чейн и др., 1941), продуктивность лабораторного штамма плесени — 2 мг препарата на 1 л культуральной жидкости — была явно недостаточной для промышленного производства антибиотика. Многократными систематическими воздействиями на исходный штамм Penicillium chrisogenum такими мутагенами, как рентгеновское и ультрафиолетовое облучение, азотистый иприт в сочетании со спонтанными мутациями и отбором наилучших продуцентов, удалось увеличить продуктивность гриба в 10 000 раз и довести концентрацию пенициллина в культуральной жидкости до 2%.

Путь повышения эффективности штаммов-продуцентов антибиотиков, основанный на беспорядочных мутациях и ставших классическим, несмотря на колоссальные затраты труда, используется до настоящего времени. Создавшееся положение является следствием того, что антибиотик, в отличие от белка, не является продуктом конкретного гена; биосинтез антибиотика происходит в результате совместного действия 10-30 разных ферментов, кодируемых соответствующим количеством разных генов. Кроме того, для многих антибиотиков, микробиологическое производство которых налажено, молекулярные механизмы их биосинтеза до сих пор не изучены. Полигенный механизм, лежащий в основе биосинтеза антибиотиков, является причиной того, что изменения отдельных генов не приводят к успеху. Автоматизация рутинных приемов анализа продуктивности мутантов позволяет изучить десятки тысяч функционирующих штаммов и тем самым ускоряет процедуру отбора при использовании классического генетического приема.

Новая биотехнология, основанная на использовании штаммов-суперпродуцентов антибиотиков, предполагает совершенствование механизмов защиты продуцента от синтезируемого им антибиотика.

Высокую продуктивность проявляют штаммы, устойчивые к действию высоких концентраций антибиотиков в культурной среде. Это свойство также учитывается при конструировании клеток-суперпродуцентов. Со времени открытия пенициллина в конце 1920-х годов из различных микроорганизмов были выделены более 6000 антибиотиков, обладающих разной специфичностью и разным механизмом действия. Их широкое применение для лечения инфекционных заболеваний помогло сохранить миллионы жизней. Подавляющее большинство основных антибиотиков было выделено из грамположительной почвенной бактерии Streptomyces, хотя их продуцируют также грибы и другие грамположительные и грамотрицательные бактерии. Ежегодно во всем мире производится 100 000 т антибиотиков на сумму примерно S млрд. долларов, в том числе более 100 млн. долларов приходится на долю антибиотиков, добавляемых в корм скоту в качестве добавок или ускорителей роста.

По оценкам, каждый год ученые обнаруживают от 100 до 200 новых антибиотиков, прежде всего в рамках обширных исследовательских программ по поиску среди тысяч различных микроорганизмов таких, которые синтезировали бы уникальные антибиотики. Получение и клинические испытания новых препаратов обходятся очень дорого, и в продажу поступают только те из них, которые имеют большую терапевтическую ценность и представляют экономический интерес. На их долю приходится 1-2% всех обнаруживаемых антибиотиков. Большой эффект здесь дает технология рекомбинантных ДНК. Во-первых, с ее помощью можно создавать новые антибиотики с уникальной структурой, оказывающие более мощное воздействие на определенные микроорганизмы и обладающие минимальными побочными эффектами. Во-вторых, генноинженерные подходы могут использоваться для увеличения выхода антибиотиков и соответственно для снижения стоимости их производства.

Можно считать, что клиническая биотехнология зародилась с началом промышленного производства пенициллина в 40-х гг. и его использования в терапии. По-видимому, применение этого первого природного пенициллина повлияло на снижение заболеваемости и смертности больше, чем какого-либо другого препарата, но, с другой стороны, поставило ряд новых проблем, которые удалось решить опять-таки с помощью биотехнологии.

Во-первых, успешное применение пенициллина вызвало большую потребность в этом лекарственном препарате, и для ее удовлетворения нужно было резко повысить выход пенициллина при его производстве. Во-вторых, первый пенициллин — С(бензилпенициллин) — действовал главным образом на грамположительные бактерии (например, Streptococci и Staphylococci), а нужно было получить антибиотики с более широким спектром действия и/или активностью, поражающие и грамотрицательные бактерии типа E.coli и Pseudomonas. В-третьих, поскольку антибиотики вызывали аллергические реакции (чаще всего незначительные, вроде сыпи на коже, но иногда и тяжелее, угрожающие жизни проявления анафилаксии), необходимо было иметь целый набор антибактериальных средств, с тем чтобы можно было выбрать из равноэффективных препаратов такой, который не вызывал бы у больного аллергию. В- четвертых, пенициллин нестабилен в кислой среде желудка, и его нельзя назначать для приема внутрь. Наконец, многие бактерии приобретают устойчивость к антибиотикам. Классический пример тому — образование стафилококками фермента пенициллиназы (правильнее, бета-лактамазы), который гидролизует амидную связь в бета-лактамном кольце пенициллина с образованием фармакологически неактивной пенициллоиновой кислоты. Увеличить выход пенициллина при его производстве удалось в основном благодаря последовательному использованию серии мутантов исходного штамма Penicillium chrysogenum, а также путем изменения условий выращивания.

Процесс биосинтеза одного антибиотика может состоять из десятков ферментативных реакций, так что клонирование всех генов его биосинтеза — задача не из легких. Один из подходов к выделению полного набора таких генов основан на трансформации одного или нескольких мутантных штаммов, не способных синтезировать данный антибиотик, банком клонов, созданным из хромосомной ДНК штамма дикого типа. После введения банка клонов в мутантные клетки проводят отбор транс формантов, способных синтезировать антибиотик. Затем выделяют плазмидную ДНК клона, содержащего функциональный экс премирующийся ген антибиотика (т.е. ген, восстанавливающий утраченную мутантным штаммом функцию), и используют ее в качестве зонда для скрининга другого банка клонов хромосомной ДНК штамма дикого типа, из которого отбирают клоны, содержащие нуклеотидные последовательности, которые перекрываются с последовательностью зонда. Таким образом идентифицируют, а затем клонируют элементы ДНК, примыкающие к комплементирующей последовательности, и воссоздают полный кластер генов биосинтеза антибиотика. Описанная процедура относится к случаю, когда эти гены сгруппированы в одном сайте хромосомной ДНК. Если же гены биосинтеза разбросаны в виде небольших кластеров по разным сайтам, то нужно иметь, по крайней мере, по одному мутанту на кластер, чтобы получить клоны ДНК, с помощью которых можно идентифицировать остальные гены кластеров.

С помощью генетических или биохимических экспериментов можно идентифицировать, а затем выделить один или несколько ключевых ферментов биосинтеза, определить их N-концевые аминокислотные последовательности и, исходя из этих данных, синтезировать олигонуклеотидные зонды. Этот подход использовался для выделения из Penicillium chrysogenum гена синтетазы изопенициллина N. Этот фермент катализирует окислительную конденсацию 5-(1_-а-аминоадипилН— цистеинил-Р-валина в изопенициллин N, ключевое промежуточное звено в биосинтезе пенициллинов, цефалоспоринов и цефамицинов.

Новые антибиотики с уникальными свойствами и специфичностью можно получить, проводя генно-инженерные манипуляции с генами, участвующими в биосинтезе уже известных антибиотиков. Один из первых экспериментов, в ходе которого был получен новый антибиотик, состоял в объединении в одном микроорганизме двух немного различающихся путей биосинтеза антибиотика.

Одна из плазмид Streptomyces, plJ2303, несущая фрагмент хромосомной ДНК S.coelicoior длиной 32,5 т.п.н., содержит все гены ферментов, ответственных за биосинтез из ацетата антибиотика актинородина, представителя семейства изохроманхиноновых антибиотиков. Целую плазмиду и различные субклоны, несущие части 32,5 т.п.н.-фрагмента (например, plJ2315), вводили либо в штамм АМ-7161 Streptomyces sp.T синтезирующий родственный антибиотик медермицин, либо в штамм В1140 или Tu22 S.violaceoruber, синтезирующие родственные антибиотики гранатицин и дигидрогранатицин.

Все указанные антибиотики являются кислотно-щелочными индикаторами, которые придают растущей культуре характерный цвет, зависящий от рН среды. В свою очередь рН (и цвет) среды зависят от того, какое соединение синтезируется. Мутанты родительского штамма S.coelicoior, не способные синтезировать актино родин, бесцветные. Появление окраски после трансформации штамма АМ-7161 Streptomyces sp. либо штаммов B1J40 или Tu22 S.violaceoruber плазмидой, несущей все или несколько генов, кодирующих ферменты биосинтеза актинородина, свидетельствует о синтезе нового антибиотика Трансформанты штамма АМ-7161 Streptomyces sp. и штамма-6 1140 S.violaceoruber, содержащие плазмиду рМ2303, синтезируют антибиотики, кодируемые и плазмидой, и хромосомной ДНК.

Однако при трансформации штамма Tu22 S.violaceoruber плазмидой plJ2303 наряду с актинородином синтезируется новый антибиотик — дигидрогранатиродин, а при трансформации штамма АМ-7161 Streptomyces sp. плазмидой plJ2315 синтезируется еще один новый антибиотик — медерродин А.

В структурном отношении эти новые антибиотики мало отличаются от актинородина, медермицина, гранатицина и гидрогранатицина и, вероятно, образуются в том случае, когда промежуточный продукт одного пути биосинтеза служит субстратом для фермента другого пути. Когда будут детально изучены биохимические свойства различных путей биосинтеза антибиотиков, появится возможность создавать новые уникальные высокоспецифичные антибиотики, манипулируя генами, которые кодируют соответствующие ферменты.

Термин «поликетидные» относится к классу антибиотиков, которые образуются в результате последовательной ферментативной конденсации карбоновых кислот типа ацетата, пропионата и бутирата. Некоторые поликетидные антибиотики синтезируются растениями и грибами, но большая их часть образуется актиномицетами в виде вторичных метаболитов. Прежде чем проводить манипуляции с генами, кодирующими ферменты биосинтеза поликетидных антибиотиков, необходимо было выяснить механизм действия этих ферментов.

Детально изучив генетические и биохимические составляющие биосинтеза эритромицина в клетках Saccharopolyspora erythraea, удалось внести специфические изменения в гены, ассоциированные с биосинтезом этого антибиотика, и синтезировать производные эритромицина с другими свойствами. Вначале была определена первичная структура фрагмента ДНК S.erythraea длинен! 56 т.п.н., содержащего кластер генов егу, затем двумя разными способами модифицирована эритромицинполикетидсинтаза. Для этого 1) удаляли участок ДНК, кодирующий бета-кеторедуктазу, либо 2) вносили изменение в участок ДНК, кодирующий еноилредуктазу. Эти эксперименты позволили экспериментально показать, что если идентифицировать и охарактеризовать кластер генов, кодирующих ферменты биосинтеза определенного поликетидного антибиотика, то, внося в них специфические изменения, можно будет направленно изменять структуру антибиотика.

Кроме того, вырезая и соединяя те или иные участки ДНК, можно перемещать домены поликетидсинтазы и получать новые поликетидные антибиотики.

С помощью генной инженерии можно не только создавать новые антибиотики, но и увеличивать эффективность синтеза уже известных. Лимитирующим фактором в промышленном производстве антибиотиков с помощью Streptomyces spp. часто является количество доступного клеткам кислорода. Вследствие плохой растворимости кислорода в воде и высокой плотности культуры Streptomyces его часто оказывается недостаточно, рост клеток замедляется, и выход антибиотика снижается. Чтобы решить эту проблему, можно, во-первых, изменить конструкцию биореакторов, в которых выращивается культура Streptomyces, а во-вторых, используя методы генной инженерии, создать штаммы Streptomyces, более эффективно использующие имеющийся кислород. Эти два подхода не исключают друг друга.

Одна из стратегий, используемых некоторыми аэробными микроорганизмами для выживания в условиях недостатка кислорода, состоит в синтезе гемоглобинподобного продукта, способного аккумулировать кислород и доставлять его в клетки. Например, аэробная бактерия Vitreoscilla sp. синтезирует гомодимерный гемсодержащий белок, функционально подобный эукариотическому гемоглобину. Ген «гемоглобина» Vitreoscilla был выделен, встроен в плазмидный вектор Streptomyces и введен в клетки этого микроорганизма. После его экспрессии на долю гемоглобина Vitreoscilla приходилось примерно 0,1% всех клеточных белков S.coelicoior даже в том случае, когда экспрессия осуществлялась под контролем собственного промотора гена гемоглобина Vitreoscilla, а не промотора Streptomyces. Трансформированные клетки S.coelicoior, растущие при низком содержании растворенного кислорода (примерно 5% от насыщающей концентрации), синтезировали в 10 раз больше актинородина на 1 г сухой клеточной массы и имели большую скорость роста, чем нетранс формированные. Этот подход можно использовать и для обеспечения кислородом других микроорганизмов, растущих в условиях недостатка кислорода.

Исходным материалом при химическом синтезе некоторых цефалоспоринов — антибиотиков, обладающих незначительным побочным эффектом и активных в отношении множества бактерий, — является 7-аминоцефалоспорановая кислота (7АСА), которая в свою очередь синтезируется из антибиотика цефалоспорина С. К сожалению, природных микроорганизмов, способных синтезировать 7АСА, до сих пор не выявлено.

Новый путь биосинтеза 7АСА был сконструирован включением специфических генов в плазмиду гриба Acremonium chrysogenum, который обычно синтезирует только цефалоспорин-С. Один из этих генов был представлен кДНК гриба Fusarium solani, кодирующей оксидазу D-аминокислот, а другой происходил из геномной ДНК Pseudomonas diminuta и кодировал цефалоспоринацилазу. В плазмиде гены находились под контролем промотора A.chrysogenum. На первом этапе нового биосинтетического пути цефалоспорин-С превращается в 7-р-(5-карбокси-5-оксопентанамид) цефалоспорановую кислоту (кето-АО-7АСА) при помощи оксидазы аминокислот. Часть этого продукта, вступая в реакцию с пероксидом водорода, одним из побочных продуктов, превращается в 7-бета-(4-карбоксибутанамид)-цефалоспорановую кислоту (GL-7ACA). И цефалоспорин-С, и кето-А0-7АСА, и GL-7ACA могут подвергаться гидролизу цефалоспоринацилазой с образованием 7АСА, однако только 5% цефалоспорина-С напрямую гидролизуется до 7АСА. Следовательно, для образования 7АСА с высоким выходом необходимы оба фермента.

Интерфероны

В конце 70-х — начале 80-х г.г. XX века ДНК-технология впервые стала привлекать к себе внимание общественности и крупных инвесторов. Одним из перспективных биотехнологических продуктов был интерферон, на который в то время возлагали надежды как на чудодейственное средство против множества вирусных заболеваний и рака. О выделении кДНК интерферона человека и его последующей экспрессии в Escherichia coll сообщали все заинтересованные издания мира.

Для выделения генов или белков человека используют разные подходы. Обычно выделяют нужный белок и определяют аминокислотную последовательность соответствующего участка молекулы. Исходя из этого, находят кодирующую его нуклеотидную последовательность, синтезируют соответствующий олигонуклеотид и используют его в качестве гибридизационного зонда для выделения нужного гена или кДНК из геномных или кДНК-библиотек. Другой подход состоит в выработке антител к очищенному белку и использовании их для скрининга библиотек, в которых происходит экспрессия определенных генов. Для белков человека, синтезируемых преимущественно в какой-то одной ткани, кДНК-библиотека, полученная на основе мРНК, выделенной из этой ткани, будет обогащена последовательностью ДНК-мишени. Например, основным белком, синтезируемым клетками островков Лангерганса поджелудочной железы, является инсулин, и 70% мРНК, выделенных из этих клеток, кодируют именно его.

Однако принцип обогащения кДНК неприменим для тех белков человека, количество которых очень мало или место синтеза которых неизвестно. В этом случае могут понадобиться другие экспериментальные подходы. Например, интерфероны (ИФ) человека, включающие альфа, бета- и гамма-интерфероны, — это природные белки, каждый из которых может найти свое терапевтическое применение. Первый ген интерферона был выделен в начале 80-х г.г. XX века. С тех пор было обнаружено несколько разных интерферонов. Полипептид, обладающий действием лейкоцитарного интерферона человека, синтезирован в E.coli.

Некоторые особенности интерферона сделали выделение его кДНК особенно сложным. Во-первых, несмотря на то что интерферон был очищен более чем в 80 ООО раз, его удавалось получать лишь в очень небольших количествах, т.к. в то время не была известна его точная молекулярная масса. Во-вторых, в отличие от многих других белков, интерферон не обладает легко идентифицируемой химической или биологической активностью: ее оценивали только по снижению цитопатического действия вируса животных на культуру клеток, а это сложный и длительный процесс. В-третьих, в отличие от инсулина, было неизвестно, есть ли клетки человека, способные вырабатывать интерферон в достаточно больших количествах, т.е. существует ли источник мРНК интерферона. Несмотря на все эти трудности, в конце концов была выделена и охарактеризована кДНК, кодирующая интерферон. При выделении их кДНК пришлось разработать специальный подход, позволяющий преодолеть трудности, связанные с недостаточным содержанием соответствующих мРНК и белков. Теперь такая процедура выделения ДНК обычна и стандартна и для интерферонов состоит в следующем.

1. Из лейкоцитов человека выделили мРНК и фракционировали ее по размерам; провели обратную транскрипцию и встроили в сайт Psti плазмиды pBR322.

2. Полученным продуктом трансформировали Escherichia соli. Образовавшиеся клонов подразделили на группы. Тестирование проводили на фуппе клонов, что позволило ускорить процесс их идентификации.

3. Каждую фуппу клонов гибридизовали с неочищенным препаратом ИФ-мРНК.

4. Из образовавшихся гибридов, содержащих клонированную ДНК и мРНК, выделили мРНК и провели ее трансляцию в бесклеточной системе синтеза белка.

5. Определили имтерфероикую противовирусную активность каждой смеси, полученной в результате трансляции. Группы, проявившие интерферонную активность, содержали клон с кДНК, гибридизовавшейся с ИФ-мРНК.

6. Позитивные группы разбили на подгруппы, содержащие по несколько клонов, и вновь провели тестирование. Разбиение на подгруппы повторяли до тех пор, пока не идентифицировали клон, содержащий полноразмерную ИФ-кДНК человека.

С тех пор было обнаружено несколько разных типов интерферонов. Были выделены гены нескольких интерферонов и показана их эффективность при лечении различных вирусных заболеваний, но, к сожалению, интерферон не стал панацеей.

Исходя из химических и биологических свойств интерферона, можно выделить три фуппы: ИФ-альфа, ИФ-бета и ИФ-гамма. ИФ-альфа и ИФ-бета синтезируются клетками, обработанными препаратами вирусов или вирусной РНК, а ИФ-гамма вырабатывается в ответ на действие веществ, стимулирующих рост клеток. ИФ-альфа кодируется семейством генов, включающим как минимум 15 неаллельных генов, в то время как ИФ-бета и ИФ-гамма кодируются одним геном каждый. Подтипы ИФ-альфа проявляют разную специфичность. Например, при проверке эффективности ИФ-эльфа-1 и ИФ-альфа-2 на обработанной вирусом линии клеток быка эти интерфероны проявляют сходную противовирусную активность, в случае же обработанных вирусом клеток человека ИФ-альфа-2 оказывается в семь раз активнее, чем ИФ-альфа-1. Если противовирусная активность проверяется на клетках мыши, то ИФ-альфа-2 оказывается в 30 раз менее эффективным, чем ИФ-альфа-1.

В связи с тем, что существует семейство интерферонов, было предпринято несколько попыток создать ИФ с комбинированными свойствами, используя тот факт, что разные члены семейства ИФ-альфа различаются по степени и специфичности своей противовирусной активности. Теоретически этого можно достичь, соединив части последовательностей генов разных ИФ-альфа. Это приведет к образованию гибридного белка с другими свойствами, чем у каждого из исходных белков. Сравнение последовательностей кДНК ИФ-альфа-1 и ИФ-альфа-2, показало, что они содержат одинаковые сайты рестрикции в позициях 60, 92 и 150. После расщепления обеих кДНК в этих сайтах и последующего лигирования фрагментов было получено несколько гибридных генов. Эти гены экспрессировали в E.coli, синтезированные белки очистили и исследовали их биологические функции. Проверка защитных свойств гибридных ИФ на культуре клеток млекопитающих показала, что некоторые из них проявляют большую активность, чем родительские молекулы. Кроме того, многие гибридные ИФ индуцировали образование 2'-5'-олигоизоаденилат-синтетазы в контрольных клетках. Этот фермент участвует в синтезе 2'-5'-связанных олигонуклеотидов, которые в свою очередь активируют латентную клеточную эндорибонуклеазу, расщепляющую вирусную мРНК. Другие гибридные ИФ проявляли большую, чем родительские молекулы, антипролиферативную активность в культурах различных раковых клеток человека.

Гормон роста

Стратегию конструирования новых белков путем замены функциональных доменов или с помощью направленного мутагенеза можно использовать для усиления или ослабления биологического свойства белка. Например, нативный гормон роста человека (ГРЧ) связывается в разных типах клеток как с рецептором гормона роста, так и с пролактиновым рецептором. Чтобы избежать нежелательных побочных эффектов в процессе лечения, нужно исключить присоединение ГРЧ к пролактиновому рецептору. Поскольку участок молекулы гормона роста, связывающийся с этим рецептором, по своей аминокислотной последовательности лишь частично совпадает с участком молекулы, который взаимодействует с пролактиновым рецептором, удалось избирательно снизить связывание гормона с последним. Для этого использовали сайт-специфический мутагенез, в результате которого произошли определенные изменения в боковых группах некоторых аминокислот (His-18, His-21 и Glu-174) — лигандов для ионов Zn²⁺, необходимых для высокоаффинного связывания ГРЧ с пролактиновым рецептором. Модифицированный гормон роста связывается только со «своим» рецептором. Полученные результаты представляют несомненный интерес, но смогут ли модифицированные ГРЧ найти применение в клинике, пока неясно.

Муковисцидоз

Наиболее частым летальным наследственным заболеванием среди европеоидов является муковисцидоз. В США выявлено 30 ООО случаев этого заболевания, в Канаде и странах Европы — 23 000. Пациенты с муковисцидозом часто страдают инфекционными заболеваниями, поражающими легкие. Лечение рецидивирующих инфекций антибиотиками в конце концов приводит к появлению резистентных штаммов патогенных бактерий. Бактерии и продукты их лизиса вызывают накопление в легких вязкой слизи, затрудняющей дыхание. Одним из компонентов слизи является высокомолекулярная ДНК, которая высвобождается из бактериальных клеток при лизисе. Ученые из биотехнологической компании Genentech (США) выделили и экспреccировали ген ДНКазы — фермента, который расщепляет высокомолекулярную ДНК на более короткие фрагменты. Очищенный фермент вводят в составе аэрозоля в легкие больных муковисцидозом, он расщепляет ДНК, вязкость слизи снижается, что облегчает дыхание. Хотя эти меры и не излечивают муковисцидоз, они облегчают состояние больного. Применение данного фермента было недавно одобрено Департаментом по контролю качества пищевых продуктов, медикаментов и косметических средств (США), и объем его продаж составил в 2000 г. примерно 100 млн. долларов.

Другой биотехнологический продукт, помогающий больным — альгинат-лиаза. Альгинат — это полисахарид, синтезируемый целым рядом морских водорослей, а также почвенными и морскими бактериями. Его мономерными единицами являются два сахарида — бета-D-маннуронат и альфа-1-гулуронат, относительное содержание и распределение которых и определяют свойства конкретного альгината. Так, остатки a-L-гулуроната образуют межцепочечные и внутрицепочечные сшивки путем связывания ионов кальция; остатки бета-D-маннуроната связывают ионы других металлов. Альгинат, содержащий такие сшивки, образует эластичный гель, вязкость которого прямо пропорциональна размеру полисахаридных молекул.

Выделение альгината слизистыми штаммами Pseudomonas aeruginosa существенно повышает вязкость слизи у больных муковисцидозом. Чтобы очистить дыхательные пути и облегчить состояние больных, в дополнение к обработке ДНКазой следует провести деполимеризацию альгината с помощью альгинат-лиазы.

Ген альгинат-лиазы был выделен из Flavobacterium sp., грамотрицательной почвенной бактерии, активно вырабатывающей этот фермент. На основе E.coli был создан банк клонов Flavobacterium и проведен скрининг тех из них, которые синтезируют альгинат-лиазу, путем высевания всех клонов на твердую среду, содержащую альгинат, с добавлением ионов кальция. В таких условиях весь альгинат, находящийся в среде, за исключением того, который окружает продуцирующие альгинат-лиазу колонии, образует сшивки и становится мутным. Гидролизованный альгинат теряет способность к формированию сшивок, поэтому среда вокруг синтезирующих альгинат-лиазу колоний остается прозрачной. Анализ клонированного фрагмента ДНК, присутствующего в одной из положительных колоний, показал наличие открытой рамки считывания, кодирующей полипептид молекулярной массой около 69 000. Более детальные биохимические и генетические исследования показали, что этот полипептид, по-видимому, является предшественником трех альгинат-лиаз, вырабатываемых Flavobacterium sp. Сначала какой-то протеолитический фермент отрезает от него N-концевой пептид массой около 6000. Оставшийся белок молекулярной массой 63 000 способен деполимеризовать альгинат, вырабатываемый как бактериями, так и морскими водорослями. При его последующем разрезании образуется продукт молекулярной массой 23 000, деполимеризующий альгинат морских водорослей, и фермент молекулярной массой 40 000, разрушающий альгинат бактерий. Для получения больших количеств фермента молекулярной массой 40 000 кодирующую его ДНК амплифицировали методом полимеразной цепной реакции (ПЦР), а затем встраивали в выделенный из B.subrjlis плазмидный вектор, несущий ген, кодирующий сигнальный пептид а-амилазы B.subrjlis. Транскрипцию контролировали при помощи системы экспрессии гена пенициллиназы. При трансформации клеток B.subrjlis полученной плазмидой и высевании их на содержащую альгинат твердую среду с добавлением ионов кальция образовались колонии с большим ореолом. Когда такие колонии выращивали в жидкой среде, рекомбинантная альгинат-лиаза выделялась в культуральную среду. Последующие тесты показали, что этот фермент способен эффективно разжижать альгинаты, синтезируемые слизистыми штаммами P.aeruginosa, которые были выделены из легких больных муковисцидозом. Для того чтобы определить, целесообразно ли проводить клиническое тестирование рекомбинантной альгинат-лиазы, нужны дополнительные исследования.

Профилактика отторжения трансплантированных органов

В 1970-х гг. были пересмотрены взгляды на пассивную иммунизацию: ее стали считать профилактическим средством борьбы с отторжением трансплантированных органов. Предлагалось вводить пациентам специфические антитела, которые будут связываться с лимфоцитами определенного типа, уменьшая иммунный ответ, направленный против пересаженного органа.

Первыми веществами, рекомендованными Департаментом по контролю качества пищевых продуктов, медикаментов и косметических средств (США), для использования в качестве иммуносупрессоров при пересадке органов у человека, были моноклональные антитела мыши ОКТЗ. За отторжение органов отвечают так называемые Т-клетки — лимфоциты, дифференцирующиеся в тимусе. ОКТЗ связываются с рецептором, находящимся на поверхности любой Т-клетки, который называется CD3. Это предупреждает развитие полного иммунного ответа и отторжение трансплантированного органа. Подобная иммуносупрессия весьма эффективна, хотя и оказывает некоторые побочные действия, например, вызывает лихорадку и приводит к появлению сыпи.

Были разработаны приемы по производству антител с помощью E.coli. Гибридомы, подобно большинству других клеточных культур животных, растут относительно медленно, не достигают высокой плотности и требуют сложных и дорогих сред. Получаемые таким образом моноклональные антитела очень дороги, что не позволяет широко использовать их в клинике.

Чтобы решить эту проблему, были предприняты попытки создания своего рода «биореакторов» на основе генетически модифицированных бактерий, растений и животных. В этих целях в геном хозяина вводили генные конструкции, способные кодировать отдельные участки антител. Для эффективной доставки и функционирования некоторых иммунотерапевтических средств зачастую достаточно одной антигенcвязывающей области антитела (Fab- или Fv-фрагмента), т.е. присутствие Fc-фрагмента антитела необязательно.

ГМ растения — продуценты фармакологических препаратов

Сегодня все реальнее выглядят перспективы сельскохозяйственной биотехнологии предоставить такие растения, которые будут использоваться как лекарства или вакцины. Трудно даже представить, какое значение это может иметь для бедных стран, где обычные фармацевтические средства все еще в диковинку, а традиционные программы вакцинации по линии ВОЗ оказываются слишком дорогими и трудно выполнимыми. Это направление исследований необходимо всемерно поддерживать, в том числе и через сотрудничество государственного и частного секторов экономики.

Среди генов, экспрессия которых в растениях считается экзотической, наиболее важными являются гены, кодирующие синтез полипептидов, имеющих медицинское значение. Очевидно, первым выполненным исследованием в этой области следует считать патент фирмы Calgene об экспрессии интерферона мыши в клетках растений. Позже был показан синтез иммуноглобулинов в листьях растений.

Кроме этого, возможно введение в геном растения гена, кодирующего оболочечный белок (белки) какого-либо вируса. Потребляя растение в пищу, люди постепенно приобретут иммунитет к этому вирусу. По сути это — создание растений-лекарств.

Трансгенные растения обладают рядом преимуществ по сравнению с культурой клеток микроорганизмов, животных и человека для производства рекомбинантных белков. Среди преимуществ трансгенных растений отметим основные: возможность широкомасштабного получения, дешевизна, легкость очистки, отсутствие примесей, имеющих аллергенное, иммунносупрессивное, канцерогенное, тератогенное и прочие воздействия на человека. Растения могут синтезировать, гликозилировать и собирать из субъединиц белки млекопитающих. При поедании сырых овощей и фруктов, несущих гены, кодирующие синтез белков-вакцин, происходит оральная иммунизация.

Одним из путей уменьшения риска утечки генов в окружающую среду, применяемый, в частности, при создании съедобных вакцин, состоит во введении чужеродных генов в хлоропласты, а не в ядерные хромосомы, как обычно. Считается, что этот способ позволит расширить область применения ГМ растений. Несмотря на то, что ввести нужные гены в хлоропласты гораздо труднее, этот способ имеет ряд преимуществ. Одно из них заключается в том, что чужеродная ДНК из хлоропластов не может попасть в пыльцу. Это полностью исключает возможность неконтролируемого переноса ГМ материала.

Использование ДНК-технологий для разработки вакцин

Перспективным направлением является создание трансгенных растений, несущих гены белков, характерных для бактерий и вирусов, вызывающих инфекционные заболевания. При потреблении сырых плодов и овощей, несущих такие гены, или их сублимированных соков происходит вакцинация организма. Например, при введении гена нетоксичной субъединицы энтеротоксина холеры в растения картофеля и скармливании сырых клубней подопытным мышам в их организме образовывались антитела к возбудителям холеры. Очевидно, что такие съедобные вакцины могут стать эффективным простым и недорогим методом защиты людей и обеспечения безопасности питания в целом.

Развитие в последние десятилетия ДНК-технологий совершило революцию и в деле разработки и производства новых вакцин. При помощи методов молекулярной биологии и генетической инженерии были идентифицированы антигенные детерминанты многих инфекционных агентов, клонированы гены, кодирующие соответствующие белки и, в ряде случаев, налажено производство вакцин на основе белковых субъединиц этих антигенов. Диарея, вызываемая инфекцией холерным вибрионом или энтеротоксигенной кишечной палочкой (Escherichia coli), является одной из опаснейших болезней с высоким процентом летальных исходов, особенно у детей. Общее количество заболеваний холерой на земном шаре превышает 5 миллионов случаев ежегодно, в результате чего умирает около 200 тысяч человек. Поэтому Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) уделяет внимание профилактике заболевания диарейными инфекциями, всячески стимулируя создание разнообразных вакцин против этих заболеваний. Вспышки заболевания холерой встречаются и в нашей стране, особенно в южных регионах.

Диарейные бактериальные заболевания также широко распространены и у сельскохозяйственных животных и птицы, в первую очередь у молодняка, что является причиной больших убытков в хозяйствах в результате потери веса и смертности поголовья.

Классическим примером рекомбинантной вакцины, полученной с помощью микроорганизмов, служит производство поверхностного антигена гепатита В. Вирусный ген HBsAg был встроен в дрожжевую плазмиду, в результате чего в дрожжах в больших количествах стал синтезироваться вирусный белок, который после очистки используется для инъекций в качестве эффективной вакцины против гепатита (Pelre et al., 1992).

Многие южные страны с высоким процентом заболевания гепатитом проводят всеобщую вакцинацию населения, включая детей, против этой болезни. К сожалению, стоимость такой вакцины относительно высока, что препятствует широкому распространению программ всеобщей вакцинации населения в странах с невысоким уровнем жизни. В связи с таким положением в начале 90-х годов ВОЗ выступила с инициативой создания новых технологий для производства недорогих вакцин против инфекционных болезней, доступных для всех стран мира.

Десять лет назад выдвинута концепция использования трансгенных растений для производства так называемых «съедобных» вакцин (edible vaccines). Действительно, если какой-либо съедобный орган растения будет синтезировать белок-антиген, обладающий сильными оральными иммуногенными свойствами, то при употреблении этих растений в пищу параллельно будет усваиваться и белок-антиген с выработкой соответствующих антител.

Получены растения табака, несущие ген, кодирующий антиген оболочки вируса гепатита В под растительным промотором. Наличие антигена в листьях трансгенных растений подтверждено иммуноферментным анализом. Показано сходство физико-химического строения и иммунологических свойств образующегося рекомбинантного антигена и антигена сыворотки человека.

Идентификация антител, продуцируемых в растениях, показала возможность сборки двух рекомбинантных генных продуктов в одну белковую молекулу, что невозможно в прокариотических клетках. Сборка антител происходила, когда обе цепи были синтезированы с сигнальной последовательностью. При этом, наряду с возможностью введения двух генов в одно растение, возможно также соединение индивидуальных полипептидных цепей, синтезируемых в разных трансгенных растениях, в полноценный белок при гибридизации этих двух растений. Возможно введение нескольких генов на одной плазмиде.

Трансгенные растения-продуценты аутоантигенов могут использоваться также при других аутоиммунных болезнях, таких как множественный склероз, ревматический артрит, инсулинозависимый диабет и даже отторжения при трансплантации органов. Инсулинозависимый диабет является аутоиммунным заболеванием, при котором продуцирующие инсулин клетки поджелудочной железы разрушаются собственными цитотоксичными Т-лимфоцитами. Оральное профилактическое потребление значительных количеств иммуногенных белков может привести к предохранению и значительной задержке появления симптомов аутоиммунных болезней. Однако оно возможно только при наличии значительного количества аутоантигенов. Белки инсулин и панкреатическая декарбоксилаза глютаминовой кислоты (GAD65) рассматриваются в качестве оральных вакцин для предотвращения инсулинозависимого диабета. Недавно канадские биотехнологи получили трансгенные растения картофеля, синтезирующие панкреатическую декарбоксилазу глютаминовой кислоты. При скармливании предрасположенным к диабету мышам отмечено как снижение встречаемости диабета, так и величины аутоиммунного ответа.

Приведенные выше результаты генноннженерных разработок убедительно свидетельствуют о возможности создания «съедобных» вакцин на основе трансгенных растений. Учитывая тот факт, что разработка вакцин для человека потребует гораздо больше времени и более тщательной проверки на безвредность для здоровья, следует ожидать, что первые съедобные вакцины будут разработаны для животных. Исследования на животных помогут раскрыть механизмы действия «съедобных» вакцин и только потом, после длительного изучения и всесторонней оценки, такие вакцины можно будет использовать в клинической практике. Тем не менее, работы в этом направлении активно продолжаются, а идея использования растений для производства вакцин уже запатентована в США, что свидетельствует о коммерческом интересе к этим разработкам.

Несмотря на столь обнадеживающие результаты, проблема создания коммерческих «съедобных» вакцин против диареи требует дальнейших исследований. В патогенезе энтеротоксической формы бактериальных и холерных диарей первичным является обеспечение возможности бактериям размножаться в тонком отделе кишечника. Этот процесс зависит от способности Escherichia coli к адгезии, что обусловлено наличием на поверхности бактериальных клеток специальных нитевидных образовании белковой природы — фимбрий. На стенках тонкого кишечника больных диареей обнаруживается значительно больше бактерий, чем в просвете того же участка кишечника, что связано с наличием у Escherichia coli фимбриальных адгезинов — белков, обеспечивающих связывание с рецепторами на поверхности кишечного эпителия.

Даже непатогенные штаммы Escherichia coll, которые содержали плазмиду, кодирующую синтез адгезина, были способны колонизировать кишечник и вызывать диарею, не вырабатывая при этом энтеротоксинов. В связи с этим вполне вероятно, что иммунности только против токсинов будет недостаточно для предотвращения патогенных эффектов, вызываемых холерным вибрионом или кишечной палочкой. Возможно, что для преодоления этих эффектов в добавление к антигенам энтеротоксинов необходимо будет экспрессировать нейтрализующие эпитопы структурных антигенов, таких как липополисахариды, белки внешней мембраны бактерий или адгезинов, ассоциированных с фимбриями этих бактерий, ответственных за связывание со слизистой оболочкой кишечника. Недавно один из таких адгезинов — FimH — был успешно использован для иммунизации мышей против бактериальной диареи.

Еще одна важная проблема, связанная с разработкой «съедобных» вакцин — уровень экспрессии гетерологичного антигена в растениях. Поскольку при пероральном введении вакцины требуются большие количества антигена, чем при парентеральном, количество синтезируемого в растениях антигена,которое сейчас составляет не более 0,3% от общего растворимого белка, должно быть увеличено. В то же время уровень экспрессии должен быть достаточно высоким для того, чтобы вызывать иммунный ответ, но быть меньше уровня, который вызывает толерантность к антигену, как это происходит с веществами, потребляемыми с обычной пищей. А так как иммунный ответ (иммуногенность против толерантности) может быть антиген-специфичным, то уровни экспрессии для каждого потенциального антигена надо будет подбирать индивидуально.

Как показывают эксперименты, уровень экспрессии гетерологичного антигена в растениях может быть увеличен путем использования тканеспецифичных промоторов и энхансеров, энхансеров транскрипции и трансляции, добавлением транспортирующих пептидов, а также путем изменения нуклеотидной последовательности соответствующих генов с использованием кодонов, предпочтительных для растений. Однако, вопрос о том, какие растения лучше использовать и в каком съедобном органе лучше экспрессировать антиген, требует дальнейших исследований, так как в различных растениях могут содержаться вещества, блокирующие или замедляющие иммунный ответ или просто токсичные для человека и животных, как, например, алкалоиды в клетках табака.

Достижения научно-технического прогресса затронуло все сферы человеческой деятельности, начиная от производства и кончая повседневным бытом. Столетиями люди стремились освободиться от физических нагрузок, автоматизируя производство, создавая бытовую технику и т.д. И, в общем, освободились. В результате суточные энерготраты человека к концу XX века по сравнению с его началом снизились в 1,5-2 раза.

Здоровье человека определяется, в основном, наследственной предрасположенностью (генетикой) и питанием. Во все времена создание продовольственной базы было залогом и основой процветания любого государства. Поэтому любое государство заинтересовано в проектах профилактики и оздоровительных программах, улучшении структуры питания, повышении качества жизни, снижении заболеваемости и смертности. Именно питание тесно связывает нас с окружающей средой, а пища — это материал, из которого строится человеческий организм. Поэтому знание законов оптимального питания позволяют обеспечивать здоровье человека. Эти знания просты и заключаются в следующем: потребляйте столько энергии, сколько тратите. Энергетическая ценность (калорийность) суточного рациона должна соответствовать суточным энерготратам. Другое — максимальное разнообразие пищи, что обеспечит разнообразие химического состава питания физиологическим потребностям человека в пищевых веществах (около 600 наименований). Потребляемая пища должна содержать белки, жиры, углеводы, витамины, минеральные соли, воду, клетчатку, ферменты, вкусовые и экстрактивные вещества, минорные компоненты — биофлавоноиды, индолы, антоцианиды, изофлавоны и многие другие. В случае недостаточности хотя бы одного из этих компонентов возможны серьезные нарушения здоровья. И, чтобы этого не случилось, суточный рацион человека должен включать примерно 32 наименования различных пищевых продуктов.

Оптимальное соотношение поступающих в организм пищевых веществ способствует сохранению здоровья и долголетия. Но, к сожалению, для большинства населения Земли характерен дефицит следующих пищевых веществ: полноценных (животных) белков; полиненасыщенных жирных кислот; витаминов С, В, В2, Е, фолиевой кислоты, ретинола, бета-каротина и других; макро- и микроэлементов: Са, Fe, Zn, F, Se, I и других; пищевых волокон. И избыточное потребление таких животных жиров и легкоусвояемых углеводов.

Дефицит потребления белка для большинства населения составляет в среднем 20%, содержание большинства витаминов и микроэлементов на 15-55% меньше расчетных величин потребности в них, а пищевых волокон — на 30% ниже. Нарушение пищевого статуса неминуемо ведет к ухудшению здоровья и как следствие — к развитию заболеваний. Если принять все население Российской Федерации за 100%, здоровых окажется только 20%, людей в состоянии маладаптации (с пониженной адаптационной резистентностью) — 40%, а в состоянии предболезни и болезни — по 20% соответственно.

Среди наиболее распространенных алиментарно зависимых заболеваний можно выделить такие: атеросклероз; гипертоническая болезнь; гиперлипидемия; ожирение; сахарный диабет; остеопороз; подагра; некоторые злокачественные новообразования.

Динамика демографических показателей в Российской Федерации и в Украине за последние 10 лет также характеризуется исключительно негативными тенденциями. Смертность почти вдвое превышает рождаемость, продолжительность жизни значительно уступает не только развитым государствам...

В структуре причин смертности ведущее место занимают патологии сердечно-сосудистой системы и онкологические заболевания — болезни, риск возникновения которых, в числе прочих причин, зависит и от нарушений питания.

Следует учесть и дефицит пищевых продуктов в мире. За XX век численность населения Земли увеличилась с 1,5 до 6 млрд человек. Предполагается, что к 2020 году она вырастет до 8 млрд и более — в зависимости от того, кто и как считает. Ясно, что основной вопрос — вопрос питания такого числа людей. Несмотря на то, что производство сельскохозяйственной продукции за последние 40 лет благодаря селекции и усовершенствованию агрономических методов выросло в среднем в 2,5 раза, дальнейший его рост представляется маловероятным. А значит, темпы производства сельскохозяйственной пищевой продукции в дальнейшем будут все более отставать от темпов роста населения.

Современный человек в сутки потребляет около 800 г пищи и 2 л воды. Таким образом, всего лишь за сутки люди съедают более 4 млн тонн пищи. Уже сейчас дефицит пищевых продуктов в мире превышает 60 млн тонн, и прогнозы неутешительны...

Решение проблемы увеличения производства пищевых продуктов старыми методами уже невозможно. Кроме того, традиционные сельскохозяйственные технологии не возобновляемы: в течение последних 20 лет человечеством потеряно свыше 15% плодородного почвенного слоя, а большая часть пригодных к возделыванию почв уже вовлечена в сельскохозяйственное производство.

Анализ ситуации, сложившейся за последние годы в агропромышленном комплексе России, указывает на снижение проживающего населения и падение производства всех видов сельскохозяйственной продукции более чем в 1,5 раза. При сохранившихся общих объемах природных и трудовых ресурсов кризис вызвал резкое ухудшение использования пахотных земель, снижение продуктивности агроэкосистем, из оборота выведено более 30 млн га высокопродуктивных агроценозов.

Меры, принимавшиеся до сих пор для стабилизации положения на рынке сельскохозяйственной продукции, оказались неэффективными и недостаточными. И импорт продовольствия превысил все разумные пределы и поставил под вопрос продовольственную безопасность.

Исходя из значимости оптимизации структуры питания для здоровья нации, развития и безопасности страны, разработаны приоритетное направление для улучшения питания населения России: ликвидация дефицита полноценного белка; ликвидация дефицита микронутриентов; создание условий для оптимального физического и умственного развития детей; обеспечение безопасности отечественных и импортных пищевых продуктов; повышение уровня знаний населения в вопросах здорового питания. Научной основой современной стратегии производства пищи служит изыскание новых ресурсов, обеспечивающих оптимальное для организма человека соотношение химических компонентов пищи. Решение этой проблемы в первую очередь состоит в поиске новых источников белка и витаминов.

Например, растение, содержащее полноценный белок, который по набору аминокислот не уступает животным белкам, — соя. Введение в рацион продуктов из нее позволяет восполнить дефицит белка, а также различных минорных компонентов, в частности, изофлавонов.

Одно из решений продовольственной проблемы — химический синтез пищевых продуктов и их компонентов, причем определенные успехи уже достигнуты в области производства витаминных препаратов. Очень перспективен и уже применяется такой способ получения полноценных пищевых продуктов, как обогащение их белком и витаминами в процессе технологической обработки, то есть производство пищи с заданным химическим составом.

Другой путь — использование микроорганизмов в качестве отдельных компонентов пищевых продуктов, ведь скорость роста микроорганизмов в тысячу раз превышает скорость роста сельскохозяйственных животных и в 500 раз — растений.

Важно то, что имеется возможность направленного генетического предопределения у микроорганизмов их химического состава, его совершенствования, что непосредственно определяет их пищевую ценность и перспективу применения.

Таким образом, в наступившем столетии производство пищевых продуктов не сможет обойтись без применения высоких современных технологий и, в частности, без использования биотехнологий, использования микроорганизмов для получения пищевых продуктов

С ростом понимания важности здорового образа жизни увеличился спрос на продукты питания, не содержащие вредных веществ. И здесь ДНК-технологи не смогли не поучаствовать.

Выше мы уже упоминали сахарную свеклу, продуцирующую фруктан — низкокалорийный заменитель сахарозы. Получить такой результат удалось путем встройки в геном свеклы гена из иерусалимского артишока, который кодирует фермент, превращающий сахарозу в фруктан. Таким образом, 90% накопленной сахарозы у трансгенных растений свеклы превращается в фруктан.

Еще одним примером работ по созданию продуктов «функционального питания» может служить попытка создания безкофеинного кофе. Группой ученых на Гавайях был выделен ген фермента ксантозин-N7-метилтрансферазы, который катализирует критический первый шаг синтеза кофеина в листьях и зернах кофе. С помощью агробактерии в клетки культуры тканей кофе Арабика была встроена антисмысловая версия данного гена. Исследования трансформированных клеток показали, что уровень кофеина в них составляет всего 2% от нормального. Если работы по регенерации и размножению трансформированных растений пройдут успешно, то их использование позволит избежать процесса химической декофеинизации кофе, что позволит не только сэкономить по $2.00 на килограмме кофе (стоимость процесса), но и сохранить вкус испорченного таким образом напитка, который частично утрачивается при декофеинезации.

Развивающиеся страны, в которых голодают сотни миллионов людей, особенно нуждаются в повышении качества пищи. Например, в бобовых растениях, выращиваемых повсеместно, не хватает некоторых серосодержащих аминокислот, в том числе метионина. Сейчас предпринимаются активные попытки повысить концентрацию метионина в бобовых растениях. В ГМ растениях удается на 25% увеличить содержание запасного белка (это сделано пока для некоторых сортов фасоли). Другой, уже упоминавшийся пример — обогащенный бета-каротином «золотой рис», полученный профессором Потрикусом из Технического университета в Цюрихе. Получение промышленного сорта будет выдающимся достижением. Предпринимаются также попытки обогатить рис витамином В, недостаток которого ведет к малокровию и другим заболеваниям.

Работа по повышению качественных характеристик растениеводческой продукции хорошо иллюстрирует возможности современных ДНК-технологий в решении самых разнообразных задач.

Пища как лекарство

Термином «биотехнология» обозначают совокупность промышленных методов, использующих для производства живые организмы и биологические процессы. Биотехнологические приемы стары как мир — виноделие, хлебопечение, пивоварение, сыроварение основаны на использовании микроорганизмов и тоже относятся к биотехнологиям.

Современная биотехнология базируется на клеточной и генетической инженерии, что дает возможность получать ценные биологически активные вещества — антибиотики, гормоны, ферменты, иммуномодуляторы, синтетические вакцины, аминокислоты, а также пищевые белки, создавать новые сорта растений и породы животных. Основное преимущество применения новых подходов — уменьшение зависимости производства от природных ресурсов, использование экологически и экономически наиболее выгодных способов ведения хозяйства.

Создание генетически модифицированных растений позволяет многократно ускорять процесс селекции культурных сортов, а также получать культуры с такими свойствами, которые не могут быть выведены с использованием традиционных методов. Генетическая модификация сельскохозяйственных культур придает им устойчивость к пестицидам, вредителям, болезням, обеспечивая снижение потерь при выращивании, хранении и улучшении качества продукции.

Что характерно для второго поколения трансгенных культур, производящихся уже сейчас в промышленных объемах? Они обладают более высокими агротехническими характеристиками, то есть большей устойчивостью к вредителям и сорнякам, а следовательно, и более высокой урожайностью.

С точки зрения медицины немаловажные преимущества трансгенных продуктов состоят в том, что удалось, во-первых, значительно снизить остаточное количество пестицидов, благодаря чему появилась реальная возможность уменьшить химическую нагрузку на организм человека в условиях неблагоприятной экологической обстановки. Во-вторых, придать инсектицидные свойства растениям, что ведет к уменьшению их поражения насекомыми, а это многократно снижает пораженность зерновых культур плесневыми грибами. Известно, что они продуцируют микотоксины (в частности, фумонизины — природные контаминанты злаковых культур), токсичные для человека.

Таким образом, ГМ продукты как первого поколения, так и второго оказывают положительное влияние на здоровье людей не только опосредованно — через улучшение состояния окружающей среды, но и прямо — через снижение остаточного количества пестицидов и содержания микотоксинов. Неудивительно, что площади, занятые трансгенными культурами, год от года увеличиваются.

Но сейчас наибольшее внимание будет обращено на создание продуктов третьего поколения, с улучшенной или измененной пищевой ценностью, устойчивых к воздействию климатических факторов, засолению почв, а также имеющих пролонгированный срок хранения и улучшенные вкусовые свойства, характеризующихся отсутствием аллергенов.

Для культур четвертого поколения помимо вышеперечисленных качеств будут характерны изменение архитектуры растений (например, низкорослость), изменение времени цветения и плодоношения, что даст возможность выращивать тропические фрукты в условиях средней полосы, изменение размера, формы и количества плодов, повышение эффективности фотосинтеза, продуцирование пищевых веществ с повышенным уровнем ассимиляции, то есть лучше усваивающихся организмом.

Совершенствование методов генетической модификации, а также углубление знаний о функциях пищи и об обмене веществ в организме человека дадут возможность производить продукты, предназначенные не только для обеспечения полноценного питания, но и для дополнительного укрепления здоровья и профилактики заболеваний.

Растения-биореакторы

Одним из перспективных направлений ДНК-технологий растений является создание растений-биореакторов, способных продуцировать белки, необходимые в медицине, фармакологии и др. К достоинствам растений-биореакторов относится отсутствие необходимости в кормлении и содержании, относительная простота создания и размножения, высокая продуктивность. Кроме того, чужеродные белки не вызывают иммунных реакций у растений, чего трудно добиться у животных.

Существует потребность в получении целого набора биологически активных белков, которые, из-за очень низкого уровня синтеза в специфических тканях или продуктах, недоступны для изучения по механизму действия, широкого использования или определения областей дополнительного применения. К таким белкам относится, например, лактоферрин, который находится в небольшом количестве в молоке млекопитающих, лейкоцитах крови.

Лактоферрин человека (hLF) перспективно использовать в качестве пищевой добавки и лечебного препарата для профилактики и лечения инфекционных заболеваний желудочно-кишечного тракта детей раннего возраста, повышения иммунного ответа организма при злокачественных и ряде вирусных (СПИД) заболеваний. Получение лактоферрина из молока крупного рогатого скота, вследствие его низкого содержания, приводит к высокой стоимости препарата. При введении кДНК гена лактоферрина в клетки табака получен ряд каллусных тканей, синтезирующих укороченный лактоферрин, антибактериальные свойства которого были значительно сильнее антибактериальных свойств нативного лактоферрина. Концентрация этого укороченного лактоферрина в клетках табака составляла 0,6-2,5%.

В геном растений встраиваются гены, продукты которых индуцируют у человека и животных иммунный ответ, например, на оболочечные белки возбудителей различных заболеваний, в частности, холеры, гепатита, диареи, а также на антигены плазматических мембран некоторых опухолей.

Создаются трансгенные растения, несущие гены, продуцирующие некоторые гормоны, необходимые для гормонотерапии людей и так далее.

Примером использования растений для создания вакцин являются работы, выполненные в Стенфордском университете. В работе были получены антитела к одной из форм рака с помощью модернизированного вируса табачной мозаики, в который был встроен гипервариабельный участок иммуноглобулина лимфомы. Растения, зараженные модернизированным вирусом, продуцировали антитела правильной конформации в достаточном для клинического применения количестве. 80% мышей, получавших антитела, пережили лимфому, в то время как все мыши, не получавшие вакцины, погибли. Предложенный метод позволяет быстро получать специфичные для пациента антитела в достаточном для клинического применения количестве.

Велики перспективы использования растений для производства антител. Кевин Узил с сотрудниками показал, что антитела, продуцируемые соей, эффективно защищали мышей от инфекции вирусом герпеса. В сравнении с антителами, продуцируемыми в культурах клеток млекопитающих, антитела, продуцируемые растениями, имели сходные физические свойства, оставались стабильными в человеческих клетках и не имели отличий в способности связывать и нейтрализовать вирус. Клинические испытания показали, что использование антител, продуцируемых табаком, эффективно препятствовало размножению мутантных стрептококков, вызывающих кариес.

Было проведено создание вакцины, продуцируемой картофелем, против инсулинозависимого диабета. В клубнях картофеля накапливался химерный белок, состоящий из субъединицы В токсина холеры и проинсулина. Наличие субъединицы В облегчает потребление данного продукта клетками, что делает вакцину в 100 раз более эффективной. Скармливание клубней с микрограммовыми количествами инсулина мышам, больным диабетом, позволяло затормозить прогрессирование болезни.

Генные технологии в борьбе с загрязнением окружающей среды. Фиторемедиация

Своими действиями человек вмешался в ход эволюционного развития жизни на Земле и разрушил независимое от человека существование биосферы. Но он не сумел отменить управляющие биосферой фундаментальные законы и освободиться от их влияния.

Возрождаясь после очередного катаклизма из сохранившихся очагов, приспосабливаясь и эволюционируя, жизнь, тем не менее, во все времена имела основное направление развития. Оно определялось законом исторического развития Рулье, согласно которому в рамках прогресса жизни и необратимости эволюции все стремится к независимости от условий среды. В историческом процессе такое стремление реализуется путем усложнения организации, выражающейся в нарастании дифференциации структуры и функций. Таким образом, на каждом очередном витке спирали эволюции появляются организмы с усложняющейся нервной системой и ее центром — головным мозгом. Ученые-эволюционисты XIX в. назвали это направление эволюции «цефализацией» (от греческого «цефалон» — мозг) Однако цефализация приматов и усложнение их организма в конечном итоге поставили человечество как биологический вид на грань исчезновения согласно биологическому правилу ускорения эволюции, по которому усложнение биологической системы означает сокращение средней продолжительности существования вида и возрастание темпов его эволюции. Например, средняя продолжительность существования вида птиц составляет 2 млн. лет, млекопитающих — 800 тыс. лет, предковых форм человека — 200-500 тыс. лет. Современный подвид человека существует, по некоторым представлениям, всего от 50 до 100 тыс. лет, но многие ученые считают, что его генетические возможности и резервы исчерпаны (Длексеенко, Кейсевич, 1997).

На путь, усиливающий конфронтацию с биосферой и ведущий к катастрофе, предки современного человека ступили примерно 1.5-3 млн. лет тому назад, когда впервые начали пользоваться огнем. С этого момента пути человека и биосферы разошлись, началось их противостояние, итогом которого может явиться коллапс биосферы или исчезновение человека как вида.

Отказаться от чего-либо из достижений цивилизации, даже если они гибельны, человечество не может: в отличие от животных, использующих лишь возобновляемые источники энергии, причем в количествах, адекватных способности биосферы к самовоспроизведению биомассы, человечество может существовать, используя не столько возобновляемые, сколько не возобновляемые энергоносители и источники энергии. Новые изобретения в данной области только усиливают это противостояние.

Одним из новейших направлений использования трансгенных растений является их применение для фиторемедиации — очистки почв, фунтовых вод и т.п. — от загрязнителей: тяжелых металлов, радионуклидов и других вредных соединений.

Загрязнение окружающей среды природными веществами (нефтью, тяжелыми металлами и т.д.) и синтетическими соединениями (ксенобиотиками), часто токсичными для всего живого, год от года усиливается. Как предотвратить дальнейшее зафязнение биосферы и ликвидировать его существующие очаги? Один из выходов — использование генных технологий. Например, живые организмы, прежде всего микроорганизмы. Этот подход получил название «биоремедиация» — биотехнология, направленная на защиту окружающей среды. В отличие от промышленных биотехнологий, главная цель которых — получить полезные метаболиты микроорганизмов, борьба с загрязнениями неизбежно связана с «выпуском» микроорганизмов в окружающую среду, что требует углубленного понимания их взаимодействия с нею. Микроорганизмы производят биодеградацию — разрушение опасных соединений, не являющихся для большинства из них обычным субстратом. Биохимические пути деградации сложных органических соединений могут быть весьма протяженными (например, нафталин и его производные разрушаются под действием дюжины разных ферментов).

Деградацию органических соединений у бактерий чаще всего контролируют плазмиды. Их называют плазмидами деградации, или D-плазмидами. Они разлагают такие соединения, как салицилат, нафталин, камфора, октан, толуол, ксилол, бифенил и тд. Большинство D-плазмид выделено в почвенных штаммах бактерий рода псевдомонад (Pseudomonas). Но есть они и у других бактерий: Alcalkjenes, Flavobacterium, Artrobacter и тд. У многих псевдомонад обнаружены плазмиды, контролирующие устойчивость к тяжелым металлам. Почти все D-плазмиды, как говорят специалисты, конъюгативны, т.е. способны самостоятельно переноситься в клетки потенциального реципиента.

D-плазмиды могут контролировать как начальные этапы разрушения органического соединения, так и полное его разложение. К первому типу относится плазмида ОСТ, контролирующая окисление алифатических углеводородов до альдегидов. Содержащиеся в ней гены управляют экспрессией двух ферментов: гидроксилазы, переводящей углеводород в спирт, и алкогольдегидрогеназы, окисляющей спирт в альдегид. Дальнейшее окисление осуществляют ферменты, за синтез которых «отвечают» гены хромосом. Впрочем, большинство D-плазмид принадлежат ко второму типу.

Устойчивые к ртути бактерии экспрессируют ген mеr А, кодирующий белок переноса и детоксикации ртути. Модифицированную конструкцию гена mеr А использовали для трансформации табака, рапса, тополя, арабидопсиса. В гидропонной культуре растения с этим геном извлекали из водной среды до 80% ионов ртути. При этом рост и метаболизм трансгенных растений не подавлялись. Устойчивость к ртути передавалась в семенных поколениях.

При интродукции трех модифицированных конструкций гена mеr А в тюльпанное дерево (Liriodendron tulipifera) растения одной из полученных линий характеризовались быстрым темпом роста в присутствии опасных для контрольных растений концентраций хлорида ртути (HgCI₂). Растения этой линии поглощали и превращали в менее токсичную элементарную форму ртути и испаряли до 10 раз больше ионной ртути, чем контрольные растения. Ученые полагают, что элементарная ртуть, испаряемая трансгенными деревьями этого вида, будет тут же рассеиваться в воздухе.

Тяжелые металлы — составная часть загрязнителей земель, используемых в сельскохозяйственном производстве. В случае с кадмием известно, что большинство растений накапливают его в корнях, тогда как некоторые растения, такие как салат-латук и табак, накапливают его в основном в листьях. Кадмий поступает в почву главным образом из промышленных выбросов и как примесь в фосфорных удобрениях.

Одним из подходов к снижению поступления кадмия в организм человека и животных может быть получение трансгенных растений, накапливающих меньшее количества этого металла в листьях. Данный подход представляет ценность для тех видов растений, листья которых используют в пищу или для корма животным.

Можно также использовать металлотионеины — небольшие богатые цистеином белки, способные связывать тяжелые металлы. Показано, что металлотионеин млекопитающих является функциональным в растениях. Получены трансгенные растения, экспрессирующие гены металлотионеинов, и показано, что эти растения были более устойчивыми к кадмию, чем контрольные.

Трансгенные растения с hMTII геном млекопитающих имели на 60-70% ниже концентрацию кадмия в стеблях по сравнению с контролем, и перенос кадмия из корней в стебли также был снижен — только 20% поглощенного кадмия было транспортировано в стебли.

Известно, что растения аккумулируют тяжелые металлы, извлекая их из почвы или воды. На этом свойстве основана фиторемедиация, подразделяемая на фитоэкстракцию и ризофильтрацию. Под фитоэкстракцией понимают использование быстрорастущих растений для извлечения тяжелых металлов из почвы. Ризофильтрация — это абсорбция и концентрация корнями растений токсичных металлов из воды. Растения, вобравшие в себя металлы, компостируют либо сжигают. Растения заметно различаются по аккумулирующей способности. Так, брюссельская капуста может накапливать до 3,5% свинца (от сухого веса растений), а ее корни — до 20%. Это растение успешно аккумулирует также медь, никель, хром, цинк и тд. Фиторемедиация перспективна и для очистки почвы и воды от радионуклидов. А вот токсичные органические соединения растениями не разлагаются, здесь перспективнее использовать микроорганизмы. Хотя некоторые авторы настаивают на снижении концентрации органических загрязнений при фиторемедиации, разрушают их в основном не растения, а микроорганизмы, обитающие в их ризосфере.

Симбиотическому азотфиксатору люцерны Rhlzobium melitotj был встроен ряд генов, осуществляющих разложение бензина, толуина и ксилена, содержащихся в горючем. Глубокая корневая система люцерны позволяет очищать почву, загрязненную нефтепродуктами, на глубину до 2-2.5 метров.

Следует помнить, что большая часть ксенобиотиков появилась в окружающей среде в последние 50 лет. Но в природе уже существуют микроорганизмы, способные к их утилизации. Это говорит о том, что в популяциях микроорганизмов достаточно быстро происходят генетические события, определяющие их эволюцию точнее, микроэволюцию. Поскольку ксенобиотиков в связи с нашей техногенной цивилизацией становится все больше, важно иметь общее представление о метаболизме микроорганизмов, и об их метаболических возможностях. Все это потребовало развитие новой науки — метаболомики. Основана она на том, что бактерии могут приобретать способность к переработке новых соединений в результате мутаций. Как правило, для этого требуется несколько последовательных мутаций или встройка новых генных систем из уже существующих у других видов микроорганизмов. Например, для разложения устойчивого галогенорганического соединения нужна генетическая информация, находящаяся в клетках разных микроорганизмов. В природе такой обмен информацией происходит за счет горизонтального переноса генов, а в лабораториях используются методы ДНК-технологий, взятые из природы.

Дальнейшее развитие фито- и биоремедиации — это комплексная проблема, связанная, в частности, с использованием растений и ризосферных микроорганизмов. Растения будут с успехом извлекать из почвы тяжелые металлы, а ризосферные бактерии — разлагать органические соединения, повышая эффективность фиторемедиации, способствуя росту растений, а растения — развитию обитающих на их корнях микроорганизмов.

Загрязнение окружающей среды можно считать заболеванием экосистем, а биоремедиацию — лечением. Ее следует рассматривать и как профилактику многочисленных заболеваний человека, вызываемых загрязнением среды. По сравнению с другими методами очистки, этот гораздо дешевле. При рассеянных загрязнениях (пестициды, нефть и нефтепродукты, тринитротолуол, которым загрязнены многочисленные земли), ему нет альтернативы. В очистке окружающей среды от загрязнений важно правильно выделить приоритеты, минимизируя риски, связанные с тем или иным загрязнением, и учитывая свойства конкретного соединения и его влияние прежде всего на здоровье человека. Необходимы законодательные акты и правила, регламентирующие интродукцию в окружающую среду ГМ микроорганизмов, с которыми связаны особые надежды на очистку от любых загрязнителей. В отличие от промышленной биотехнологии, где можно строго контролировать все параметры технологического процесса, биоремедиация проводится в открытой системе, где такой контроль затруднен. В известной мере это всегда «ноу-хау», своего рода искусство.

В полной мере преимущество микроорганизмов при очистке от нефтепродуктов удалось продемонстрировать, когда после катастрофы танкера 5000 м³ нефти вылилось в море у берегов Аляски. Около 1,5 тыс. км береговой линии оказалось загрязнено нефтью. К механической очистке привлекли 11 тыс. рабочих и разнообразное оборудование (это обходилось в 1 млн долл. в день). Но был и другой путь: параллельно для очистки берега в почву вносили азотное удобрение, что ускорило развитие природных микробных сообществ. Это в 3-5 раз ускорило разложение нефти. В итоге загрязнение, последствия которого, по расчетам, могли сказываться и через 10 лет, полностью устранили за 2 года, затратив на биоремедиацию менее 1 млн долл.

Развитие биоремедиации, технологий и способов ее применения требуют междисциплинарного подхода и сотрудничества специалистов в области генетики и молекулярной биологии, экологии, и других дисциплин. Таким образом, направления использования генной инженерии очень разнообразны и обширны, а некоторые из них фантастичны и в то же время весьма перспективны по достижимости результатов.

Исследование реакции живых организмов на изменения окружающей среды чрезвычайно важно для оценки влияния этих изменений, особенно имеющих антропогенное происхождение, на биоразнообразие, сохранение которого является важнейшей задачей человеческой цивилизации.

По данным Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР), потенциальный рынок биоремедиации составляет более 75 млрд долл. Ускоренное внедрение биотехнологий для защиты окружающей среды вызвано, в частности, тем, что они гораздо дешевле других технологий очистки. По мнению ОЭСР, биоремедиация имеет локальное, региональное и глобальное значение, и для очистки будут все шире применять как природные организмы, так и ГМО.

Биотопливо

С учетом ограниченных запасов ископаемой энергии особое внимание в настоящее время должно быть уделено возможности использования новых видов топлива — метана, водорода, и др., а также возобновляемых источников энергии. Однако в общем энергетическом балансе такие экологически безопасные источники энергии, как энергия Солнца, морских течений, воды, ветра и др., могут составить не более 20% от их общего производства. В этой ситуации одним из наиболее перспективных возобновляемых источников энергии становится биомасса, методы использования которой постоянно совершенствуются. При этом наряду с непосредственным сжиганием широкое применение получают процессы биоконверсии, например, спиртовая и анаэробная ферментация, термоконверсии, газификация, пиролиз и пр. Так, например, в Бразилии, в бассейне Амазонки, расширяются площади под культурой маниоки и сахарного тростника для производства спирта, используемого в качестве добавки к топливу, взамен импортируемой нефти. С этой же целью начата эксплуатация естественных зарослей черного лозняка, занимающего в северо-восточных районах страны около 6 млн. га.

Если в Индии, Китае и некоторых других странах сельскохозяйственные отходы утилизируются с целью получения биогаза, то в Швеции, Германии, Бразилии, США, Канаде сельскохозяйственные культуры специально выращивают для производства топливного спирта этанола. Эффективным заменителем ископаемого топлива является масло рапса и сурепицы, яровые формы которых удается возделывать в России вплоть до Полярного круга. Источником растительных масел для получения биотоплива могут быть также соя, подсолнечник и другие культуры. Для получения топливного этанола в Бразилии все шире используют сахарный тростник, а в США — кукурузу.

Коэффициент энергоотдачи (отношение суммарного энергетического эквивалента полезной продукции ко всем энергетическим затратам на ее производство) составляет для сахарной свеклы — 1,3; кормовых трав — 2,1; рапса — 2,6; пшеничной соломы — 2,9. При этом за счет использования в качестве исходного сырья 60 ц соломы пшеницы с каждого гектара можно получить 10 тыс. м³ генераторного газа, или 57,1 ГДж.

В связи с быстрым истощением природных ресурсов нефти, газа и угля во многих странах особое внимание уделяется так называемым нефтеносным растениям — Euphorbia lathyris (молочай масличный) и E.tirucallii из семейства молочайных (Kupharbiacea), содержащих латекс, состав терпенов которого приближается по своим характеристикам к высококачественной нефти. При этом урожайность сухой массы указанных растений составляет около 20 т/га, а выход нефтеподобного продукта в условиях Северной Калифорнии (т.е. в зоне 200-400 мм осадков в год) может достичь 65 баррелей сырья с 1 га. Следовательно, более выгодно выращивать растительные заменители ископаемого топлива, поскольку с каждого гектара можно получать более 3600 нефтедолларов, что в зерновом эквиваленте составит 460 ц/га, т.е. в 20 раз больше средней урожайности пшеницы в США и Канаде. Если вспомнить известный лозунг США «за каждый баррель нефти бушель зерна», то при сегодняшних ценах на нефть, газ и зерно это означает обмен — 1 зернодоллар приблизительно на 25 нефтедоллара. Конечно, баррель нефти не заменит бушель зерна в прямом смысле, и далеко не в каждой зоне удастся возделывать указанные виды растений. Но получение альтернативных видов топлива за счет целенаправленной селекции растений превращает и техногенно-энергетический компонент высокопродуктивных агрофитоценозов в воспроизводимый и экологически безопасный фактор интенсификации растениеводства, и, конечно, это один из самых безболезненных выходов для таких государств как Украина — все в больших масштабах использовать растения в качестве возобновляемых ресурсов, в том числе энергии (биодизельное топливо, смазочные материалы и пр.). К примеру, производство озимого рапса уже обеспечивает соотношение расхода и выхода энергии 1:5.

ГМО и биоразнообразие

Принципиальным моментом современного этапа селекции является отчетливое понимание того, что базой для ее развития, в том числе и с использованием генно-инженерных приемов, является биоразнообразие.

Эволюция растительного царства шла по пути умножения числа видов и их «экологической специализации». Этот факт указывает на опасность снижения биологического (генетического) разнообразия в биосфере в целом и в агроэкосистемах в частности. Резкое сужение видового и генетического разнообразия уменьшило не только устойчивость растениеводства к капризам погоды и изменениям климата, но и возможность с большей эффективностью утилизировать солнечную энергию и другие неисчерпаемые ресурсы природной среды (углерод, кислород, водород, азот и другие биофильные элементы), которые, как известно, составляют 90-95% сухих веществ фитомассы. Кроме того, это приводит к исчезновению генов и генных комбинаций, которые могли бы быть использованы в селекционной работе будущего.

Одна и та же площадь, подчеркивал Ч. Дарвин (1859), может обеспечить тем больше жизни, чем разнообразнее населяющие ее формы. Для каждого культивируемого вида растений, в связи со своей эволюционной историей и специфичной работой селекционера, характерен свой «агроэкологический паспорт», т.е. приуроченность величины и качества урожая к определенному сочетанию температуры, влажности, освещения, содержания элементов минерального питания, а также их неравномерное распределение во времени и пространстве. Поэтому снижение биологического разнообразия в агроландшафтах уменьшает в том числе и возможность дифференцированного использования ресурсов природной среды, а, следовательно, и реализации дифференциальной земельной ренты I и II типа. Одновременно ослабляется и экологическая устойчивость агроэкосистем, особенно в неблагоприятных почвенно-климатических и погодных условиях.

Известны масштабы бедствия, вызванные поражением картофеля фитофторой и нематодой, катастрофические потери пшеницы из-за поражения ржавчиной, кукурузы в связи с эпифитотией гельминтоспориоза, уничтожением плантаций тростника из-за вирусов и тд.

О резком снижении генетического разнообразия культивируемых в начале XXI столетия видов растений наглядно свидетельствует тот факт, что из 250 тыс. видов цветковых растений за последние 10 тыс. лет человек ввел в культуру 5-7 тыс. видов, из которых всего лишь 20 культур (14 из них относятся к зерновым и бобовым) составляют основу современного рациона населения Земли. В целом же к настоящему времени около 60% продуктов питания производится благодаря возделыванию нескольких зерновых культур, а свыше 90% нужд человека в продовольствии обеспечивается за счет 15 видов сельскохозяйственных растений и 8 одомашненных видов животных. Так, из 1940 млн. т производства зерновых почти 98% приходится на пшеницу (589 млн. т), рис (563 млн. т), кукурузу (604 млн. т) и ячмень (138 млн. т). Из 22 известных видов риса (род Oryza) широко возделывают лишь два (Oryza glaberrima и O.sativa). Аналогичная ситуация сложилась и с бобовыми культурами, валовое производство 25 наиболее важных видов которых составляет всего лишь около 200 млн. т. Причем большая часть из них приходится на сою и арахис, возделываемых в основном в качестве масличных культур. По этой причине в рационе человека значительно уменьшилось разнообразие органических соединений. Можно предположить, что для Homo sapiens как одного из биологических видов в эволюционной «памяти» зафиксирована потребность в высокой биохимической вариабельности пищи. Поэтому тенденция к росту ее однообразия может иметь самые негативные последствия для здоровья. В связи с широким распространением онкозаболеваний, атеросклероза, депрессии и других болезней обращается внимание на недостаток витаминов, тонизирующих веществ, полиненасыщенных жиров и других биологически ценных веществ.

Очевидно, что важным фактором распространения той или иной ценной культуры являются масштабы ее использования. Так, быстрое наращивание площади сои и кукурузы в США и других странах обусловлено производством сотен наименований соответствующей продукции. Задача диверсификации весьма актуальна и для других культур (из сорго, например, стали получать высококачественное пиво, из ржи — виски и т.д.).

Большего внимания в плане решения взаимосвязанных проблем здоровой пищи и повышения видового разнообразия агроэкосистем заслуживает и увеличение площади под посевами таких ценнейших культур, как гречиха (Fagopyrum), обладающая высокими адаптивными возможностями в различных, в том числе неблагоприятных условиях внешней среды, амарант (Amaranthus), лебеда (Chenopodium quinoa), рапс, горчица и даже картофель.

С развитием географических открытий и мировой торговли получила широкое распространение и интродукция новых видов растений. Письменные памятники свидетельствуют, например, о том, что еще в 1500 г. до н.э. египетский фараон Хатшепсут отправил корабли в Восточную Африку с целью сбора растений, используемых при религиозных обрядах. В Японии установлен памятник Taji Mamori, который по приказу императора ездил в Китай для сбора цитрусовых растений. Особую роль в мобилизации генетических ресурсов растений сыграло развитие сельского хозяйства. Из истории США известно, что уже в 1897 г. Niels Hansen прибыл в Сибирь в поисках люцерны и других кормовых растений, способных успешно произрастать в засушливых и холодных условиях прерий Северной Америки. Считается, что именно из России в тот период были интродуцированы в США такие важнейшие кормовые культуры, как костер, свинорой, овсяница, ежа сборная, полевица белая, люцерна, клевер и многие другие. Примерно тогда же Mark Carleton собирал в России сорта пшеницы, из которых харьковский сортотип в течение длительного периода занимал ежегодно в США более 21 млн. акров и стал основой производства твердой пшеницы в зоне Северных равнин (Жученко, 2004).

Введение в культуру новых видов растений продолжается и в настоящее время. В Перуанских Андах обнаружена разновидность люпина (тарви), употреблявшегося в пищу предками современных индейцев, который по содержанию белка превосходит даже сою. Кроме того, тарви устойчив к пониженным температурам, нетребователен к плодородию почвы. Селекционерам удалось получить формы тарви, содержащие менее 0,025% алкалоидов против 3,3% в исходном материале. К числу видов, представляющих экономическую ценность, можно отнести также австралийскую траву (Echinochloa lurnerana), которая может оказаться отличной, не уступающей просу зерновой культурой для очень засушливых зон. Среди перспективных культур заслуживает внимания и вид Bauhinia esculenta, который, как и Psophocarpus tetragonolobus, образует клубни, а его семена содержат более 30% белка и жира. В очень засушливых условиях может быть использован вид Voandzeia subterranea, который не только богат белком, но и более засухоустойчив по сравнению с арахисом, а также лучше противостоит болезням и вредителям. Для засушливых и неплодородных земель из масличных культур перспективным считается вид Cucurbita foetidissima из семейства Cucurbitaceae, а для засоленных пастбищных земель — некоторые виды лебеды рода Atriplex из семейства Chenopodiaceae, которые выделяют избыточную соль через листья.

В настоящее время во многих странах мира ведется активная селекционная работа с щирицей (Amaranthus), забытой культурой инков, в семенах которой по сравнению с используемыми зерновыми колосовыми видами растений содержится вдвое больше белка, в том числе в 2-3 раза больше лизина и метионина, в 2-4 раза больше жира и тд. Обнаружены линии кукурузы, фиксирующие, благодаря присутствию на их корнях бактерий Spirillum lipoferum, атмосферный азот в таком же количестве, как и растения сои. Было установлено, что азотфиксирующие бактерии функционируют и на корнях целого ряда видов тропических трав, усваивая при этом азот не менее активно, чем бактерии рода Rhizobium у бобовых. Так, удалось обнаружить виды тропических трав, способные фиксировать до 1,7 кг азота в день на 1 га, т.е. 620 кг/год.

Во многих странах, в том числе европейских, картофель является основным источником витамина С, поскольку его потребляют в большом количестве. Известно, что производство картофеля в мире составляет около 300 млн. т.

В то же время из 154 известных видов картофеля повсеместное распространение получил лишь один — Solanum tuberosum. Очевидно, что в связи с возросшими возможностями селекции по увеличению потенциальной продуктивности растений, а также потребностями в повышении экологической устойчивости агроценозов и освоении малопригодных для растениеводства территорий масштабы деятельности человека по введению в культуру новых видов растений значительно увеличатся. В конечном счете, «бессознательный» (термин Дарвина) и сознательный отбор привели к тому, что адаптивный потенциал культурных растений существенно отличается от такового их диких предков не только в силу различий самих критериев адаптивности, но и по основным его компонентам: потенциальной продуктивности, устойчивости к абиотическим и биотическим стрессам, содержанию хозяйственно ценных веществ.

Наряду с сохранением растительного генофонда в заповедниках, заказниках и национальных экопарках, т.е. в условиях in situ, в предстоящий период все более важную роль будет играть создание «банков генов», или «банков зародышевой плазмы», обеспечивающих безопасное сохранение коллекций ex situ. Инициатором организации последних был Н.И. Вавилов, собравший в ВИРе самый большой в мире на то время банк растительных ресурсов, послуживший примером и основой для всех последующих банков, а самое главное — не раз спасавший ряд стран от опустошения и голода (например, благодаря наличию в генбанке ВИР генов устойчивости).

Благодаря продолжению идеологии Н.И. Вавилова, к концу 90-х годов национальные и международные коллекции растений насчитывали свыше 6 млн. образцов, в том числе более 1,2 млн. зерновых, 400 тыс. продовольственных бобовых, 215 тыс. кормовых, 140 тыс. овощных, свыше 70 тыс. корнеплодов. При этом 32% образцов сохраняется в Европе, 25% — в Азии, 12% — в Северной Америке, по 10% — в Латинской Америке и Международных центрах, 6% — в Африке, 5% — на Ближнем Востоке.

Держателями наиболее крупных по количеству и качеству образцов генетических коллекций являются США (550 тыс.), КНР (440 тыс.), Индия (345 тыс.) и Россия (320 тыс.). Наряду с сохранением растительных ресурсов в генбанках все большее распространение получает создание естественных заповедников флоры и фауны. Благодаря резко возросшей интеграции мирового рынка продовольствия, между странами значительно увеличился и обмен генетическими ресурсами растений. В основе этих процессов лежит понимание того, что ни одна страна или регион не являются самодостаточными в плане обеспечения генетическими ресурсами. Мобилизации генетических ресурсов во многом способствовали создание в ряде стран национальных ботанических садов. В их числе, например ботанический сад, созданный в Лондоне в 1760 г. и постоянно завозивший экзотические виды растений из колониальных стран.

В настоящее время координацию работ по сохранению растительного генофонда в мире осуществляет Международный совет по генетическим ресурсам растений (IBPGR). С 1980 г. реализуется Европейская программа сотрудничества в области генетических ресурсов. Важную роль в этом играют также Комиссия ФАО по генетическим ресурсам растений, решения международных конференций, принятая в 1992 г. Конвенция по биологическому разнообразию. При этом функционируют генные банки разных типов. Некоторые из них поддерживают только одну культуру и ее диких сородичей, другие — несколько культур определенной почвенно-климатической зоны; если одни содержат базовые коллекции длительного хранения, то другие ориентированы на удовлетворение нужд селекцентров и научно-исследовательских учреждений. Так, в генном банке в Kew Gardens (Англия) хранятся исключительно дикорастущие растения (около 5000 видов).

Адаптивная стратегия интенсификации сельского хозяйства выдвигает качественно новые требования к мобилизации мировых растительных ресурсов в плане сбора, хранения и использования генофонда, в том числе введения в культуру новых видов растений. В настоящее время под угрозой полного уничтожения в мире находится свыше 25 тыс. видов высших растений, в том числе в Европе — каждый третий из 11,5 тыс. видов. Уже навсегда потеряны многие примитивные формы пшеницы, ячменя, ржи, чечевицы и других культур. Особенно быстро исчезают местные сорта и сорные виды. Так, если в Китае и Индии в начале 50-х гг. XX в. использовались тысячи сортов пшеницы, то уже в 70-е — лишь десятки. В то же время каждый вид, экотип, местный сорт — это уникальный, созданный в течение длительного естественного или искусственного отбора комплекс коадаптированных блоков генов, обеспечивающих, в конечном счете, наиболее эффективную утилизацию природных и антропогенных ресурсов в той или иной экологической нише.

Понимание ретроспективной природы эволюционной «памяти» высших растений со всей определенностью указывает на необходимость сохранения видового разнообразия флоры не только в генных банках и центрах генетических ресурсов, но и в естественных условиях, т.е. в состоянии постоянно эволюционирующей динамичной системы. Одновременно значительно большего внимания заслуживает создание генетических коллекций генетических систем преобразования генетической информации, включающих rес-системы, mei-мутанты, гаметоцидные гены, полиплоидные структуры, разные типы рекомбинационных систем, систем репродуктивной изоляции и др. Понятно, что именно они могут быть существенны для развития селекции будущего с использованием генно-инженерных технологий. Важно также выявлять и сохранять генетические детерминанты формирования устойчивых гомеостатических систем, синергетических, кумулятивных, компенсаторных и других ценотических реакций, обеспечивающих экологическую «буферность» и динамическое равновесие биоценотической среды. Большего внимания заслуживают и такие генетически детерминированные признаки растений, как конкурентоспособность, аллелопатические и симбиотические взаимодействия и другие средообразующие эффекты, реализуемые на биоценотическом уровне. Особое внимание должно быть уделено видам растений, обладающих конститутивной устойчивостью к экологическим стрессорам. Известно, что во второй половине XX в. в ряде стран значительно (порой в 60-80 раз) возросли площади под такого типа культурами.

В настоящее время в мире функционирует свыше 1460 национальных генных банков, в том числе около 300 крупных, в которых в условиях ex situ обеспечивается гарантированное хранение образцов культурных растений и их диких сородичей. Хранителями коллекций ex situ являются и ботанические сады, которых в мире насчитывается около 2 тыс. (около 80 тыс. видов растении, 4 млн. образцов и 600 банков семян). Их наличие — это признак национального суверенитета, уровня культуры, заботы о будущем страны и мира. К 2002 г. в международных центрах, находящиеся под контролем консультативной группы ФДО, сохранилось свыше 532 тыс. образцов растений, из которых 73% принадлежит к традиционным и староместным сортам, а также диким сородичам культурных растений. Как отмечает Длексанян (2003), следует различать понятия «генбанк» и «коллекции ex silu». Если первое — это гарантированное хранение генофонда в специально оборудованных помещениях, то «коллекции ех situ» включают образцы, которые представляют интерес для их держателей.

В начале 50-х гг. XX века был получен первый полукарликовый сорт риса за счет использования гена карликовости китайского сорта Fee-geo-woo, а сорт пшеницы Gaines на орошаемых землях тихоокеанского Северо-Запада США дал рекордный урожай — 141 ц/га. В 1966 г. был создан сорт IR 8, получивший прозвище «чудо-рис». При высокой агротехнике эти сорта давали 80 и даже 130 ц/га. Аналогичные результаты удалось получить и на просе. Если у старых сортов индекс урожая составлял 30-40%, то у новых — 50-60% и выше.

Дальнейшие возможности увеличения урожайности за счет роста индекса урожая ограничены. Поэтому значительно большее внимание должно быть уделено повышению величины чистого фотосинтеза. Необходима ориентация на широкую видовую и сортовую гетерогенность агроэкосистем и агроландшафтов в условиях полевого растениеводства, наряду с подбором страховых культур, а также культур и сортов-взаимострахователей, включает и дифференцированный подход к реализации адаптивного потенциала каждого из них. Высокая потенциальная продуктивность сорта и агроэкосистемы, достигаемая путем (а иногда и за счет) снижения их экологической устойчивости к лимитирующим величину и качество урожая факторам внешней среды, так же как и функционирование избыточно биоэнергозатратной экологической устойчивости, не могут рассматриваться в качестве адаптивных, поскольку для культивируемых растений основным показателем адаптивности в конечном счете является обеспечение высокой величины и качества урожая. Источником для научно обоснованной селекции по созданию необходимых сортов могут быть генофонды, накопленные в генбанках.

Следует подчеркнуть, что в мировых генбанках культурных растений собраны миллионы образцов, однако до сих пор только 1% из них исследован в отношении их потенциальных свойств (Жученко, 2004). В то же время ведущее значение для создания устойчивых агросистем имеет контроль и совершенствование их генетической компоненты — генофондов сельскохозяйственных видов, определяющее особенности локальных агросистем.