Генетически модифицированный организм (ГМО)
ГМО - организм, чей геном был сконструирован в лаборатории для того, чтобы способствовать выражению желаемых физиологических признаков или образованию желаемых биологических продуктов. В обычном животноводстве, земледелии и даже разведении домашних животных уже давно практикуется селекция отдельных особей вида для получения потомства с желаемыми признаками. Генетическая модификация, однако, рекомбинантные генетические технологии используются для получения организмов, чьи геномы были точно изменены на молекулярном уровне, обычно путем включения генов от неродственных видов организмов, которые кодируют признаки, которые не могли бы быть легко получены посредством обычного селекционного размножения.
ЛУЧШИЕ ВОПРОСЫ
Что такое генетически модифицированный организм?
Почему генетически модифицированные организмы важны?
Безопасны ли генетически модифицированные организмы для окружающей среды?
Генетически модифицированные организмы (ГМО) производятся с использованием научных методов, которые включают технологию рекомбинантных ДНК и репродуктивного клонирования. При репродуктивном клонировании ядро извлекается из клетки индивидуума, подлежащего клонированию, и вставляется в энуклеированную цитоплазму яйца- хозяина (энуклеированное яйцо - это яйцеклетка, у которой удалено собственное ядро). Процесс приводит к образованию потомства, которое генетически идентично донору. Первым животным, полученным с помощью этой методики клонирования с ядром из взрослой донорской клетки (в отличие от донорского эмбриона), была овца по кличке Долли, родившаяся в 1996 году. С тех пор ряд других животных, включая свиней, лошадей и собак, были созданы с помощью технологии репродуктивного клонирования. Технология рекомбинантной ДНК, с другой стороны, включает в себя вставку одного или нескольких индивидуальных генов из организма одного вида в ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) другого. Сообщалось о замене всего генома, включающей трансплантацию одного бактериального генома в «клеточное тело» или цитоплазму другого микроорганизма, хотя эта технология все еще ограничена базовыми научными применениями.
ГМО, полученные с помощью генетических технологий, стали частью повседневной жизни, проникнув в общество через сельское хозяйство, медицину , исследования и управление окружающей средой. Однако, хотя ГМО во многом принесли пользу человеческому обществу, существуют некоторые недостатки. Таким образом, производство ГМО остается весьма спорной темой во многих частях мира.
ГМО и сельское хозяйство
Генетически модифицированные (ГМ) пищевые продукты были впервые одобрены для потребления человеком в Соединенных Штатах в 1994 году, а к 2014–15 годам около 90 процентов кукурузы, хлопока, и соевых бобов, посаженные в США, были ГМ. К концу 2014 года ГМ-культуры охватили почти 1,8 миллиона квадратных километров (695 000 квадратных миль) земли в более чем двух десятках стран мира. Большинство ГМ культур были выращены в Северной и Южной Америке.
Инженерные культуры могут значительно увеличить урожайность на единицу площади, а в некоторых случаях сократить использование химических инсектицидов. Например, применение инсектицидов широкого спектра действия сократилось во многих районах выращивания растений, таких как картофель, хлопок и кукуруза, которые были наделены геном из бактерии Bacillus thuringiensis, которая производит природный инсектицид под названием Bt токсин. Полевые исследования, проведенные в Индии, в которых Bt-хлопок сравнивался с не-Bt-хлопком, показали увеличение урожайности от ГМ-культуры на 30–80 процентов. Это увеличение было связано с заметным улучшением способности растений ГМ преодолевать заражение ястребами-червями, что было обычным явлением. Исследования производства хлопка Bt в Аризоне, США, продемонстрировали лишь небольшой прирост урожая - около 5 процентов - при предполагаемом снижении затрат на 25–65 долларов США за акр из-за снижения уровня пестицидов. В Китае, где фермеры впервые получили доступ к Bt-хлопку в 1997 году, ГМ-урожай был изначально успешным. Фермеры, которые сажали хлопок Bt, сократили использование пестицидов на 50–80 процентов и увеличили свои доходы на целых 36 процентов. Однако к 2004 году фермеры, которые выращивали хлопок Bt в течение нескольких лет, обнаружили, что польза от этой культуры уменьшилась, поскольку популяции вторичных насекомых-вредителей, таких как мириды, увеличились. Фермеры снова были вынуждены распылять пестициды широкого спектра действия в течение всего вегетационного периода, так что средний доход для производителей Bt был на 8 процентов ниже, чем у фермеров, которые выращивали обычный хлопок. Между тем, устойчивость к Bt также развилась в полевых популяциях основных вредителей хлопка, в том числе и хлопкового коробчатого червя (Helicoverpa armigera) и розового волчонка (Pectinophora gossypiella).
Другие ГМ-растения были разработаны для устойчивости к определенному химическому гербициду , а не для устойчивости к естественному хищнику или вредителю.Устойчивые к гербицидам культуры (HRC) доступны с середины 1980-х годов. Эти культуры обеспечивают эффективный химический контроль сорняков, так как только растения HRC могут выживать на полях, обработанных соответствующим гербицидом. Многие HRCs устойчивы к глифосату (Roundup), что позволяет свободно применять химическое вещество, которое очень эффективно против сорняков. Такие культуры особенно ценны для беспахотного земледелия, что помогает предотвратить эрозию почвы. Однако, поскольку HRC поощряют более широкое внесение химических веществ в почву, а не уменьшают их применение, они остаются противоречивыми в отношении их воздействия на окружающую среду. Кроме того, чтобы снизить риск отбора устойчивых к гербицидам сорняков, фермеры должны использовать различные стратегии борьбы с сорняками.
Другой пример ГМ-культуры - «золотой» рис , который первоначально предназначался для Азии и был генетически модифицирован для производства почти в 20 раз больше бета- каротина, нежели у предыдущих сортов. Золотой рис был создан путем изменения генома риса, включив в него ген нарцисса Narcissus pseudonarcissus, который продуцирует фермент, известный как phyotene synthase, и ген бактерии Erwinia uredovora, который продуцирует фермент phyotene desaturase. Введение этих генов позволило бета-каротину, который превращается в витамин А в печени человека, накапливаться в эндосперме риса (съедобная часть растения риса) тем самым увеличивая количество бета-каротина, доступного для синтеза витамина А в организме. В 2004 году те же исследователи, которые разработали оригинальное растение золотого риса, усовершенствовали модель, золотой рис 2, который показал 23-кратное увеличение производства каротиноидов.
Была создана другая форма модифицированного риса для борьбы с дефицитом железа , от которого страдает около 30 процентов населения мира. Эта генетически модифицированная культура была спроектирована путем введения в геном риса гена ферритина из обыкновенной фасоли, Phaseolus vulgaris, который продуцирует белок, способный связывать железо, а также гена из гриба Aspergillus fumigatus, который продуцирует фермент, способный переваривать соединения, которые увеличили биодоступность железа за счет переваривания фитата (ингибитор всасывания железа). Обогащенный железом ГМ-рис был сконструирован для сверхэкспрессии существующего гена риса, который продуцирует богатый цистеином металлотионеиноподобный (связывающий металл) белок, который усиливает усвоение железа.
Разнообразие других культур, модифицированных, для того чтобы выдержать экстремальные погодные условия, распространенные в других частях земного шара, также находится в производстве.
ГМО в медицине и исследованиях.
ГМО стали одной из основ биомедицинских исследований с 1980-х годов. Например, генетические модели генетических заболеваний человека на животных позволили исследователям опробовать новые методы лечения и изучить роль возможных факторов риска и модификаторов исхода заболевания. ГМ-микробы, растения и животные также произвели революцию в производстве сложных фармацевтических препаратов, позволив производить более безопасные и дешевые вакцины и терапию. Фармацевтические продукты варьируются от рекомбинантной вакцины против гепатита В, производимой пекарскими дрожжами GM, до инъецируемого инсулина (для диабетиков), вырабатываемого бактериями GM Escherichia coli, и до фактора VIII (для больных гемофилией) и активатора тканевого плазминогена (tPA, для пациентов с сердечным приступом или инсультом), из которых продуцируются в клетках ГМ млекопитающих, выращенных в лабораторной культуре. Кроме того, ГМ-растения, которые производят «съедобные вакцины», находятся в стадии разработки. Пищевая вакцина является антигенным белкомэто произведено в потребляемых частях растения (например, фрукты) и поглощено кровотоком, когда части съедены. После поглощения в организме белок стимулирует иммунную систему к выработке антител против патогена, из которого был получен антиген. Такие вакцины могли бы предложить безопасный, недорогой и безболезненный способ производства вакцин, особенно в менее развитых регионах мира, где ограниченная доступность холодильных камер и стерильных игл проблематична для некоторых традиционных вакцин. Новые ДНК- вакцины могут быть полезны в борьбе с болезнями, которые оказались устойчивыми к традиционным подходам к вакцинации, включая ВИЧ / СПИД , туберкулез и рак .
Генетическая модификация насекомых стала важной областью исследований, особенно в борьбе и профилактикой паразитарных заболеваний. Например, GMбыли разработаны комары, которые экспрессируют небольшой белок под названием SM1, который блокирует проникновение паразита малярии Plasmodium в кишечник комара. Это приводит к нарушению жизненного цикла паразита и делает его устойчивым к малярии. Введение этих ГМ комаров в дикую природу может помочь уменьшить передачу малярийного паразита. В другом примере самцы комаров Aedes aegypti, спроектированные с использованием метода, известного как метод стерильных насекомых, передают потомству ген, который заставляет его умирать до того, как он становится половозрелым. В полевых испытаниях в пригороде Бразилии популяции A. aegypti сократились на 95 процентов после продолжительного высвобождения стерильных ГМ мужчин.
Наконец, генетическая модификация человека через генную терапию становится вариантом лечения заболеваний от редких нарушений обмена веществ до рака. Соединение технологии стволовых клеток с методами рекомбинантной ДНК позволяет модифицировать стволовые клетки, полученные от пациента, в лаборатории для введения желаемого гена. Например, нормальный ген бета-глобина может быть введен в ДНК гемопоэтических стволовых клеток, полученных из костного мозга, у пациента с серповидноклеточной анемией. Введение этих ГМ- клеток в пациента может вылечить болезнь без необходимости поиска подходящего донора.
Роль ГМО в экологическом менеджменте
Другое применение ГМО заключается в управлении экологическими проблеммами. Например, некоторые бактерии могут производить биоразлагаемые пластики, и передача этой способности микробам, которые можно легко выращивать в лаборатории, может обеспечить широкомасштабное «озеленение» индустрии пластмасс. В начале 1990-х годов Британская компания Zeneca разработала биоразлагаемый пластик микробиологического производства Биопол (полигидроксиалканоат, или ПГА). Пластик был изготовлен с использованием ГМ-бактерии Ralstonia eutropha для превращения глюкозы и ряда органических кислот в гибкий полимер. ГМО, наделенные бактериально-кодируемой способностью метаболизировать нефть и тяжелые металлы, могут обеспечить эффективные стратегии биоремедиации.
Социально-политическая значимость ГМО
В то время как ГМО предлагают много потенциальных выгод для общества, потенциальные риски, связанные с ними, вызвали споры, особенно в пищевой промышленности. Многие скептики предупреждают об опасности, которую ГМ-культуры могут представлять для здоровья человека. Например, генетические манипуляции могут потенциально изменить аллергенные свойства сельскохозяйственных культур. Неясно, дают ли некоторые ГМ-культуры, такие как золотой рис, обещание улучшения здоровья. Выпуск ГМ комаров и других ГМО в окружающую среду также вызывает обеспокоенность. Более устоявшиеся риски были связаны с потенциальным распространением инженерных генов сельскохозяйственных культур в естественную флору и возможным развитием устойчивых к инсектицидам «суперпопулярных насекомых».
С конца 1990-х годов Европейский Союз (ЕС) решил эти проблемы путем применения строгих законов о маркировке ГМО. В начале 2000-х все ГМ-продукты и ГМ-корма для животных в ЕС должны были маркироваться, если они состояли или содержали ГМ-продукты в пропорции, превышающей 0,9 процента. Напротив, в Соединенных Штатах пищевые продукты, содержащие ГМ-ингредиенты, не требуют специальной маркировки, хотя этот вопрос горячо обсуждался на национальном и государственном уровнях. Многие противники продуктов ГМ сосредоточили свои аргументы на неизвестных рисках для безопасности пищевых продуктов. Однако, несмотря на обеспокоенность некоторых групп потребителей и здравоохранения, особенно в Европе, многочисленные научные группы, в том числе США, Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов пришло к выводу, что потребление ГМ-продуктов было безопасным даже в случаях, когда ГМ-продукты содержали генетический материал от очень отдаленно связанных организмов.
Строгие правила в отношении ГМ-продуктов в ЕС стали источником напряженности в торговле сельскохозяйственной продукцией. В конце 1990-х годов ЕС объявил мораторий на импорт и использование ГМ-культур. Однако запрет, который привел к торговым спорам с другими странами, особенно с Соединенными Штатами, где генетически модифицированные продукты были приняты открыто, были признаны Всемирной торговой организацией неоправданными. В результате в ЕС были введены нормативные изменения, позволившие импортировать определенные ГМ-культуры. В Европе, однако, культивируют только одну разновидность ГМ культуры, типа насекомых устойчивостью кукурузы (маиса). Некоторые страны, в том числе некоторые африканские государства, также отказались от ГМ-продуктов. В то же время в других странах, таких как Канада, Китай, Аргентина и Австралия, существует открытая политика в отношении ГМ-продуктов.
Использование ГМО в медицине и исследованиях привело к Дискуссии, которая носит более философский характер. Например, в то время как генетические исследователи считают, что они работают над излечением болезней и облегчением страданий, многие люди беспокоятся о том, что когда-нибудь современные методы генной терапии могут быть применены для производства «дизайнерских» детей или для увеличения естественной продолжительности жизни человека. Подобно многим другим технологиям, генная терапия, а также производство и применение ГМО могут использоваться для решения сложных научных, медицинских и экологических проблем, но они должны использоваться разумно.