В Париже проходит конкурс генетиков. Третье место заняли французы с гибридом дыни и земляники:
размер, как у дыни, вкус — как у земляники.
Второе место заняли американцы с гибридом груши и огурца: вид, как у огурца, а вкус — как у груши.
Первое место заняли российские генетики. — Мы скрестили арбуз с тараканами, — заявили они на пресс-конференции. — Его разрезаешь, а косточки сами разбегаются!
В последнее время все большую и большую популярность приобретает тема генетически модифицированных (ГМ) продуктов. Потребителю интересно узнать, что это такое и вредны или полезны ГМ-продукты для здоровья. Короткие и малоинформативные обзоры только запутывают читателя и создают трудную для понимания картину происходящего — к сожалению, газетные публикации не всегда точны в анализе научных данных. Основная информация исходит, как правило, от лидеров общественных организаций или экологических движений, которые охотно излагают свою точку зрения, но занимают при этом в высшей степени агрессивную позицию по всем вопросам, касающимся ГМ-продуктов, и отличаются полным отсутствием профессионализма.
Эта статья — попытка навести относительный порядок в том потоке информации, который льется на наши с вами головы. Я постараюсь, насколько возможно, рассказать о том, что сейчас происходит в генной инженерии с научной точки зрения, а это нелегко — простым языком изложить в двух словах то, чему долго учатся в институте. Думаю, специалист по квантовой физике, к которому обратились с просьбой по-быстрому объяснить народу за чайком о хиггсовом бозоне, меня бы понял...
Арбуз с тараканами... Или тараканы в голове?
Так или примерно так (см. эпиграф) людям представляется работа специалистов в области молекулярной биологии и генной инженерии. Ученый в белом халате, в очках и со всклокоченными волосами капает что-то в пробирку, откуда идет белый дым. За плечами Ученого стоит Злой Босс, который кричит: «Быстрее работай! Быстрее! Мне нужны деньги! Я хочу заработать много денег!» Вдруг из пробирки выпрыгивает зеленый Бушрут (Реджинальд Бушрут — это селезень, ставший агрессивным растением-мутантом в результате неудачного эксперимента. Герой диснеевского мультсериала «Черный плащ») и душит Ученого и Злого Босса, затем вылезает в окно и принимается за женщин и детей. Потом он проникает в цех №5 Энского мясокомбината, отрывает от себя листочек, подмешивает его в колбасную массу, люди съедают эту колбасу и становятся Бушрутами.
Или вот еще анекдот.
— Вы будете есть помидор? — Да. — А трансгенный помидор? — Нет! — А почему? — Потому что в обычном помидоре генов нет, а в трансгенном есть!
Смешно? Мне нет. Выйду, пожалуй, на площадь, весь в белом, и громко скажу: «Все не так просто, ребята». Все действительно гораздо, гораздо сложнее.
Гены есть везде. В любой живой клетке. Гены хранят информацию о строении организма, для каждого — свою. С помощью этой информации синтезируются белки, из которых и строится живой организм. Животные поедают растения, растения умирают и разлагаются бактериями, мы поедаем и тех, и других, и третьих. Однако растения остаются растениями, кошки не превращаются в мышей, а мы — в коров или картошку. Почему?
Откуда живые организмы берут энергию?
Для начала вспомним, каким образом живые организмы планеты Земля обеспечивают свое существование. Растение получает энергию от Солнца. С помощью энергии кванта света из минеральных веществ, воды и углекислого газа, находящегося в атмосфере, оно синтезирует сахар — глюкозу, из нее — сложные углеводы, в которых запасает полученную энергию и пускает ее на синтез собственных аминокислот (из которых потом будут построены белки растения) и других необходимых молекул — например, жиров. Животный же организм поглощает сложные вещества из растений или других животных и расщепляет их с помощью пищеварительных ферментов до простых — например, белки до аминокислот, а углеводы — до простых сахаров, а выделяемую при этом энергию использует для своих нужд. Из полученных аминокислот он строит свои собственные белки. Некоторые аминокислоты он также способен синтезировать самостоятельно.
Животный организм не может взять готовый белок из пищи (растения или другого животного) и «встроить» в себя. Поглощенные белки и другие молекулы обязательно расщепляются на строительные кирпичики, из которых и собираются новые конструкции.
Что такое гены
Итак, каждая клетка состоит из нескольких основных компонентов: белков, жиров и углеводов. Какими они должны быть? Как должны взаимодействовать друг с другом? Это определяет состав ДНК — дезоксирибонуклеиновой кислоты, находящейся в ядре клетки. Отдельный участок ДНК, в котором закодирована последовательность сборки определенного белка, — это и есть ген. Белки, в свою очередь, определяют строение клетки, регулируют синтез всех остальных веществ, воспринимают и передают сигналы, заставляющие клетку менять работу внутренних систем. Совокупность генов организма называется генотипом. Во всех клетках одного организма генотип одинаков.
Конечно, генотип не может быть абсолютно идентичным у всех организмов, принадлежащих к одному виду, — иначе мы были бы на одно лицо. Исключение составляют лишь однояйцевые близнецы. Многие гены существуют в виде нескольких вариантов, и у организма может оказаться тот или иной. Некоторые гены проявляют себя по-разному в разных условиях окружающей среды. Это позволяет поддерживать разнообразие организмов, необходимое для выживания вида в целом.
Зачем нужна селекция
Человек давно заметил, что некоторые признаки проявляются у похожих организмов по-разному. Он выискивал растения или животных, которые обладали нужными ему свойствами, и искусственно выращивал их в своем хозяйстве. Для скрещивания и получения потомства выбирались самые сильные или самые вкусные — то есть организмы с определенным генотипом. Так появилась селекция. О генах, которые и обуславливают проявление тех или иных свойств, люди не знали очень долго, однако продолжали скрещивать, выбирать, опять скрещивать и подмечать закономерности проявления тех или иных признаков.
Традиционная селекция — длительный процесс, на создание одного сорта растения или породы животных многие люди тратят годы и годы, и зачастую новый сорт лишь незначительно превосходит по качеству предыдущие варианты.
С развитием генетики и молекулярной биологии появилась возможность ускорить процесс создания новых сортов. Изучение ДНК, работы генов, их строения и функций позволило узнать, какие именно гены контролируют проявление интересных нам признаков. Используя методы генной инженерии, ученые могут управлять некоторыми из них.
Что такое генная инженерия
Генная инженерия — технология, позволяющая с помощью молекулярно-биологических методов изменить строение генов или внести в организм чужеродные гены с заданными функциями. При этом в организм переносится только один ген, а остальной генотип остается неизменным; кроме того, мы можем придать организму признаки, которые нельзя перенести путем скрещивания с близкородственными видами. А это как раз то, о чем всегда мечтали традиционные селекционеры! Занятие это довольно дорогостоящее и трудоемкое.
С помощью методов генной инженерии появилась возможность создать организмы с новыми свойствами. Например, неприхотливые и дешевые в содержании, чрезвычайно быстро размножающиеся бактерии могут синтезировать нужный белок со встроенного в их генотип чужого гена. Так, с использованием генетически модифицированных (рекомбинантных, или трансгенных) бактерий, дешево, быстро и в больших количествах получают интерферон, инсулин, некоторые другие лекарственные препараты. ГМ-растения тоже могут вырабатывать лекарственные вещества.
Большинство генных модификаций сортов растений направлено на развитие устойчивости к сельскохозяйственным вредителям или вирусам, выживание при обработке полей гербицидами, улучшение вкусовых и технических свойств.
Конечно, повышения качества и срока хранения пищевой продукции добиваются и другими, традиционными способами — например, выращивают растения с использованием большого количества химических удобрений или растительных гормонов или обрабатывают плоды специальными сохраняющими составами. В продукты растительного и животного происхождения добавляют химические вещества — ароматизаторы, улучшители вкуса и консерванты.
Оговорюсь сразу: генетический состав исходного организма при этом не изменяется, и к генной инженерии подобные методы повышения качества продукции не имеют никакого отношения. Более того, порой недостаточно хорошо протестированные химические вещества, полученные с помощью ГМ-организмов, выпускаются на рынок и зарекомендовывают себя не лучшим образом. Известна, например, история с аминокислотой триптофан, «трансгенную» версию которой поторопились выпустить на рынок, что привело к человеческим жертвам (история старая, произошла еще в 1980-х годах, когда работа в этой области только начиналась).
Ошибки системы контроля продукции остаются незамеченными, и, как только потребитель слышит слова «получено с помощью ГМ-организмов», во всем становится виновата генная инженерия: ах, генетически модифицированных? Ну тогда все ясно — использовать нельзя. А ведь по сути неважно, каким именно образом был получен продукт — химическим синтезом или синтезирован ГМ-организмом, все равно он должен тщательно проверяться, и ответственность за его безопасность лежит на системе контроля за качеством продукции.
Как создают ГМ-организмы
Регуляцией работы генов в клетке занимаются специальные белки — особые ферменты. Группа таких ферментов может разрезать и сшивать ДНК в определенных местах — в природе это происходит при осуществлении большого количества генетических процессов. Молекулярный биолог, имея в арсенале набор таких ферментов, может в пробирке «разрезать» и «сшить» куски ДНК в заданном районе, встраивая туда при этом нужный ген. При использовании классического метода рядом со встраиваемым геном, как правило, вставляется кассета устойчивости к антибиотику (кассета устойчивости к антибиотику — генетическая конструкция, кодирующая белок, с помощью которого организм может обезвреживать конкретный антибиотик). Конструкция из гена и кассеты переносится в клетку хозяина, где встраивается в ДНК. Клетка получает новый ген и одновременно становится устойчивой к антибиотику — по этому легко определяемому признаку (маркеру) ее можно отличить от остальных клеток, в которые перенос генетической конструкции по каким-то причинам не состоялся.
Сейчас конструкции создают таким образом, что работу гена и кассеты можно регулировать — «включать» и «выключать», впоследствии удалять кассеты антибиотиковой устойчивости из ДНК или обходиться вообще без них: например, в качестве маркеров можно использовать гены-кассеты флуоресцирующих белков, свечение которых заметно под ультрафиолетом.
Перенос генетической конструкции в бактерии несложен — обработанные по специальной технологии бактерии сами поглощают ее из среды.
Встраивание конструкции в растения производится с помощью так называемых агробактерий. В дикой природе они инфицируют растения, вызывая рост опухолей. При этом агробактерии переносят в растительную ДНК свои гены, которые регулируют рост опухоли. Для создания ГМ-растения молекулярные биологи используют специальный штамм этих бактерий — вместо опухолевых генов агробактерии переносят в растительную клетку гены, необходимые ученому.
Для генетической модификации некоторых растений, нечувствительных к агробактериям, применяют другие методы, например биобаллистический. С помощью специальных установок микрочастицы золота или вольфрама с нанесенной на них ДНК ускоряют при помощи сжатого гелия, и они проникают в ДНК клеток-мишеней, а затем трансгенная конструкция встраивается в заданный участок.
Полученное трансгенное растение выращивают сначала в лаборатории, затем на опытных делянках и после серий обязательных тестов на безопасность, длящихся несколько лет, рекомендуют для выпуска на рынок.
Сейчас в США, Канаде, Китае и других странах выращивается около двух десятков трансгенных растительных культур. Это картофель и кукуруза, устойчивые к насекомым-вредителям; сорт томата и сорт дыни с увеличенным сроком хранения плодов; хлопок, соя и рапс устойчивые к гербициду, уничтожающему сорняки.
Кроме того, разработан и практически готов к внедрению трансгенный рис — «золотой рис», генетически улучшенный с помощью бета-каротина, который в организме человека превращается в витамин А. Выведена еще одна разновидность риса, отличающаяся повышенным содержанием усваиваемого железа. Нехватка витамина А и железа может вызывать сильную анемию, отставание в умственном развитии, слепоту и даже смерть. «Золотой рис» способен сыграть свою роль в решении проблемы дефицита этих микроэлементов у населения стран Азии, где эта культура является основным продуктом питания.
Ведутся успешные разработки по внедрению свинье гена, отвечающего за синтез жирных кислот растительного типа. Таким образом, свиное сало будет иметь состав, близкий к растительным жирам («кошерное сало» (Saeki K., Matsumoto K. et al. Functional expression of a Delta12 fatty acid desaturase gene from spinach in transgenic pigs. Proc Natl Acad Sci U S A. 2004, Apr 27;101(17):6361-6)).
Безопасность ГМ-продуктов
Безопасны ли для употребления в пищу трансгенные растения? Дискуссии по этому поводу не утихают. Потенциальный риск использования ГМ-продуктов сводится в основном к следующему:
*
опасность пищи, приготовленной из ГМ-организмов, связанная с вероятным влиянием введенных генов на здоровье человека;
*
разрушение природных экосистем и нарушение экологического равновесия при массовом культивировании трансгенных растений.
К сожалению, противники ГМ-технологий не могут обосновать свои опасения на сколько-нибудь приемлемом научном уровне, поскольку количество корректных научных работ, затрагивающих тему безопасности ГМ-организмов, весьма ограничено. Связано это с трудностями объективной и корректной постановки экспериментов по исследованию безопасности. Защитники ГМО обычно говорят: «Докажите, что это вредно!», потому что в публикациях в научных журналах превалируют данные, подтверждающие безопасность (по крайней мере, в условиях экспериментов) использования ГМ-растений на полях и в пищу, но эти данные часто игнорируются и замалчиваются при вынесении вопросов безопасности биотехнологий на широкое публичное обсуждение.
Биохимики, физиологи и молекулярные биологи растений Национальной Академии наук США и еще одиннадцати научных сообществ из разных стран мира утверждают, что с научной точки зрения не существует никакого различия между растениями, полученными с помощью генной инженерии, и растениями, выведенными традиционными методами селекции, при культивировании их на полях и использовании в производстве, поскольку сам метод получения трансгенных растений не вызывает никаких опасений. Именно поэтому проблемы безопасности и применения ГМ-растений должны решаться на уровне конкретного продукта — путем проведения различных тестов, подтверждающих соответствие исследуемой продукции существующим стандартам и нормам.
Опасность употребления ГМ-продуктов в пищу: проблема аллергии
Иногда приходится слышать, что ГМ-продукты могут вызвать аллергию. Попробуем сначала разобраться, что такое аллергия.
Вся пища, которую мы едим, раскладывается до простых составляющих, основных молекул, из которых и с помощью энергии, полученной при разрушении сложных молекул, мы и строим свой организм. Конечно, чужеродные белки, употребляемые в пищу, не могут расщепиться на составные части мгновенно — процесс идет постепенно, по мере движения съеденного по пищеварительному тракту. Некоторые крупные белки, содержащиеся в пище, способны вызвать аллергическую реакцию у чувствительных к ним людей.
Аллергия — это сбой в работе иммунной системы, призванной распознавать чужеродные белки из оболочек болезнетворных бактерий и вирусов, а также некоторые токсины. В норме, если в организм через слизистые оболочки или ранки в коже внедряются «чужие» белки (антигены), иммунная система вырабатывает специальные антитела, а также некоторые вещества, например гистамин. В результате антигены нейтрализуются и выводятся из организма — таким образом мы защищаемся от болезнетворных микроорганизмов и токсинов.
Обычно иммунная система не распознает белки, содержащиеся, допустим, в пище, как опасные и чужие. Однако у некоторых людей иммунная система гиперчувствительна и отвечает на контакт организма не с болезнетворными организмами, а с белками, находящимися в пище, пыльцой или пылью. Подобный ответ называется аллергией, а если он спровоцирован приемом продуктов питания — пищевой аллергией.
Пищевую аллергию могут вызывать самые разные продукты, не только незнакомые и экзотические для нашего организма, как, скажем, относительно недавно завезенное в Европу киви, но и широко употребляемые — например, очень популярная в Японии соя или арахис в США — аллергия на него столь сильна, что если чан, в котором обрабатывался арахис, не очистили и обрабатывали в нем позже какие-нибудь конфеты, то люди с аллергией на арахис могут отреагировать на эти конфеты. Видели надпись «может содержать следы ореха» на упаковке чистого горького шоколада? Рискну предположить, что это производитель-кондитер, у которого один чан на все сладости, предупреждает покупателей, гиперчувствительных к ореху, о возможной аллергии.
Известен случай, когда создаваемый ГМ-продукт мог вызвать аллергию. В 1993 году компания Pioneer Hi-Bred International пыталась создать трансгенную сою со встроенным геном «бразильского ореха» — растения бертолетии высокой. Дело в том, что соя сравнительно бедна аминокислотой метионином, и ради повышения питательных свойств бобов в нее был встроен ген богатого метионином белка из бертолетии. Этот белок оказался сильным аллергеном и, синтезируемый в ГМ-сое, мог вызвать аллергическую реакцию у чувствительных к «бразильскому ореху» людей. И хотя новый сорт был предназначен для кормления животных, производитель прекратил разработку, опасаясь, что кормовую сою могут перепутать с продовольственной. Ведь совершенно не важно, какого происхождения белок «ореха». То, что он синтезировался в ГМ-сое, а не в родной бертолетии, для развития аллергической реакции не имеет никакого значения.
Человек, знающий об особенности своего организма, стремится избегать продуктов, на которые у него аллергия. Но аллергик может запросто встретиться с незнакомым доселе белком и в самых обычных, не ГМ-продуктах: сейчас в Россию импортируются экзотические фрукты, дары моря и т. д.
Вся ГМ-продукция, выпускаемая на рынок, проходит обязательные тесты на пригодность, в их числе — тест на аллергенность, в котором проверяется максимально доступное количество белков-аллергенов, известных на данный момент. Остается лишь надеяться, что новые пищевые продукты, полученные без применения ГМ-технологий, исследуются столь же тщательным образом.
Нужно ли бояться ГМ-продуктов как потенциальных аллергенов? Противники ГМО любят приводить пример с вышеупомянутым белком «бразильского ореха», представляя все таким образом, что человеку кажется, будто вся ГМ-продукция не проходит проверок и мы можем встретиться с неизвестными аллергенными белками в продуктах, выпущенных на рынок. Но все указывает на то, что генетически модифицированные продукты не опаснее обыкновенных, полученных в результате селекции, и даже менее опасны, — например, показано, что содержание аллергенного белка риса в нескольких трансгенных сортах существенно ниже, чем в традиционных (Nakamura R., Matsuda T. Rice allergenic protein and molecular-genetic approach for hypoallergenic rice. Biosci Biotechnol Biochem. 1996, Aug; 60(8):1215-21).
Разумеется, аллергику важно знать белковый состав продукта, а не генетическое происхождение белков. Вот если бы на упаковке с ГМ-продуктом было указано, какие белки в нем содержатся, нет ли среди них нехарактерных... Однако такие сведения зачастую не указываются и на традиционной продукции, полученной без применения техники ГМ, — а вы всегда уверены, что при изготовлении торта не использовался порошок арахиса или что в состав «крабовых» палочек не входит мясо рыбы, на которую у вас аллергия?
Опасность употребления ГМ-продуктов в пищу: проблема токсичности
Очень часто ГМ-продукты обвиняют в возможной токсичности. Истории о том, что «сто крыс накормили трансгенной картошкой и они умерли от рака», кочуют из одной газетной публикации в другую, при этом никаких ссылок на научные исследования обычно не дается, что всегда закономерности.
Ученые работали, работают и будут работать — и будут ошибаться, и будут случайно делать открытия, и будут делать их в результате долгого труда. Будут проверять безопасность своих изобретений, и год за годом системы проверки будут совершенствоваться. Генная инженерия — очень мощный инструмент, только-только освоенный человечеством, и призыв не использовать его вовсе — равен призыву остановить прогресс.
Нужно аккуратно относиться к вынесению кардинальных решений по поводу разрешения или запрета экспериментов с ГМ-организмами. Почему? Потому что рано или поздно людей на планете Земля станет слишком много — их уже много, — а еды станет слишком мало. И ученых спросят: «А где же ваши новые разработки? Кто будет планету спасать, мы вас спрашиваем?» «Как где? Вы же сами остановили нашу работу два века назад!»
Константин Иночкин, «Компьютерра»