Журнал «Вокруг Света» №10 за 2006 год
Шрифт:
1988 — в США утвержден план испытаний генной терапии с использованием человеческих клеток; официально начаты работы над всемирным проектом «Геном человека»
1994 — получено первое разрешение на возделывание трансгенного растения (помидора сорта FlavrSavr)
1996 — началось массовое выращивание трансгенных растений
1998 — Европейский союз ввел мораторий на регистрацию новых ГМ-культур, действовавший до 2002 года
2000 — принят Картахенский протокол по биобезопасности (вступил в силу в 2003 году), установивший наиболее общие международные нормы обращения с трансгенными организмами
2003 — опубликована предварительная генетическая карта человека, что ознаменовало формальное завершение проекта «Геном человека». Были секвенированы фрагменты генома, содержащие 99% генов человека
2006 — ученые, работающие над расшифровкой
Игрушки и инструменты
Сегодня в разных лабораториях мира «собрано» уже огромное количество генетически модифицированных организмов (ГМО) с самыми разными признаками. Некоторые из них выглядят просто живыми курьезами, шуткой экспериментатора. Скажем, если светящиеся орхидеи сингапурца Чья Тет Фатта привлекают внимание своей красотой (правда, в основном на фотографиях — увидеть их свечение простым глазом почти невозможно), то трансгенные поросята американского профессора Рэнди Пратера со светящимися же пятачками и копытцами откровенно смешны — хотя и те, и другие создавались во вполне практических целях: блеск маркировал те ткани, где работал пересаженный участок ДНК. Примерно из таких же соображений были «выведены» зеленые мыши и обезьянки, картошка «полей меня!», начинающая сверкать при нехватке влаги и в иных стрессовых для растения ситуациях, а также многие другие странные организмы. Кажется, только флуоресцирующая зеленым светом крольчиха Альба была «придумана» бразильским художником Эдуарду Кацем как чисто художественное произведение. Все остальные служат инструментами для добычи новых знаний. Они помогают ученым понять, как организм управляет генами и как сам ген узнает, когда ему начинать и когда прекращать работу.
Разумеется, для того, чтобы стать средством научного поиска, ГМ-организму не обязательно светиться. Более того, самый мощный вклад в исследования последних лет внесли существа, отличающиеся от нормальных сородичей не лишними, а, наоборот, недостающими генами. Технологии генной инженерии позволяют не только пересадить зародышу чужой ген, но и избирательно вырезать или лишить активности его собственный, причем вполне определенный. Такие животные получили название «нокаутных». Понятно, что метод «нокаутирования» позволяет прямо выяснять функции выбитой «детали», ее роль в тех или иных физиологических процессах. Особенным успехом у современных экспериментаторов пользуются «нокаутные» мыши, сыгравшие в функциональной генетике примерно ту же роль, что мушки-дрозофилы в генетике классической. Из всех быстро размножающихся и хорошо изученных животных мышь ближе всего к человеку: подавляющее большинство наших генов есть и у нее. Так вот, «нокаутные» мыши позволили нащупать молекулярные механизмы огромного числа нормальных и патологических процессов — от запоминания и поведения до канцерогенеза и старения. Последовательные «отключения» одного гена за другим позволили ученым поставить вопрос о «минимальном геноме»: каков критический набор генов, позволяющий тому или иному существу жить и выполнять свои функции?
Некоторые специалисты, правда, критиковали исследования на «нокаутных» животных, справедливо напоминая, что организм — система гибкая. Развиваясь без «штатного» гена, он может обеспечить необходимые ему функции другими путями, а мы, наблюдая результат, сочтем, что данный ген для данной функции не нужен. Ответом на эти замечания стало усовершенствование техники «нокаутирования»: теперь она позволяет выключать исследуемый участок молекулы ДНК уже у взрослого организма, причем временно или только в определенных тканях. Впрочем, такие организмы, строго говоря, уже нельзя назвать трансгенными.
Для создания нового сорта или вида с заданными качествами генетики обрабатывают, анализируют и обобщают огромное количество данных исходного материала
Курсы кройки и шитья
«Ножницами», разрезающими нить ДНК по строго определенному сочетанию букв-нуклеотидов, служат обычно специальные ферменты-рестриктазы. Среди нарезанных ими кусочков есть и такие, которые содержат нужный ген целиком, причем если и будут в тексте лишние буквы, их можно убрать экзонуклеазами — ферментами, откусывающими по одному нуклеотиду с конца нити ДНК. Но хотя этот метод выкраивания гена сам по себе достаточно удобен, в последнее время чаще применяют способ копирования нужного участка, который называется полимеразной цепной реакцией. Достаточно маленького кусочка ДНК, соответствующего началу искомого гена, чтобы фермент полимеразы нашел и снял копию с гена, начинающегося этим фрагментом. После того как копия будет готова, полимеразы примутся снимать дальнейшие «оттиски» и с нее, и с участка, послужившего для нее образцом. Работа продолжится до тех пор, пока не исчерпается запас свободных нуклеотидов. Это выглядит примерно так, как если бы в томике стихов «рассыпали» в беспорядке печатные буквы, а также клочок бумаги с единственной строкой — и через короткое время получили бы несколько сот экземпляров полного текста стихотворения. Чтобы доставить нужный ген внутрь чужой клетки, обычно используют природных переносчиков генетической информации — вирусы и плазмиды. Последние представляют собой небольшие кольцевые молекулы ДНК, существующие в бактериальных клетках отдельно от основного генома. Они могут проникать из одной клетки в другую и служат бактериям чем-то вроде почтовых голубей, позволяя им передавать друг другу полезные признаки. Особенно удобны так называемые Ti-плазмиды, получаемые из микроорганизма агробактерии Agrobacterium tumifaciens, поражающей стебли и листья некоторых растений. Для биологов агрессивная активность Ti-плазмид особенно ценна именно тем, что они умеют не просто доставлять нужные гены в растительную клетку, но и встраивать их внутрь ее родных хромосом, вследствие чего клетки реципиента начинают бурно делиться, превращаясь в разрастание рыхлой ткани, а также вырабатывать вещества, которыми и питаются агробактерии (для прочих почвенных микроорганизмов они несъедобны). Однако вирусы и плазмиды почти никогда не применяются в биотехнологии в своем натуральном виде. Перед использованием из них вырезается все лишнее, оставляются только гены, обеспечивающие доставку «груза» по назначению. Такие искусственные конструкции биотехнологи называют векторами. Однако мало перенести нужный ген в другую клетку — надо еще, чтобы он там начал действовать. Как известно, в каждой клетке каждого организма работают лишь те гены, продукт которых необходим в данный момент. Эти функции выполняют так называемые промоторы — участки ДНК, которые ферменты клетки воспринимают как команду начать считывание. Открывая и закрывая их промоторы для считывающих ферментов, клетка регулирует активность генов. Однако у вирусов и Tiплазмид есть свои промоторы, которые не подчиняются клеточным регуляторам и всегда открыты для ферментов, заставляя клетку считывать целый ряд примыкающих к нему генов. Закладка «письма» в «конверт» происходит так: вектор, представляющий кольцевую молекулу ДНК, разрезают в нужном месте рестриктазами, приводят в контакт с копией выделенного гена и добавляют сшивающий фермент — лигазу, которая соединяет ген и вектор снова в колечко. После чего остается внедрить полученную рекомбинантную ДНК в клетку-мишень. Как мы уже знаем, векторы делают это сами, но им можно помочь, повысив проницаемость клеточной мембраны с помощью некоторых солей или электрического тока. Надо сказать, что ни одна операция не имеет стопроцентного выхода, и в итоге далеко не все клетки-мишени получают донорский ген. Поэтому следующий этап работы — выявление трансгенных клеток, которые нужно отделить от неизмененных. Для этого в вектор вместе с нужным геном встраивают ген устойчивости к какому-нибудь антибиотику. Затем происходит естественный отбор. Клетки высевают на питательную среду, содержащую этот антибиотик, и те, в которые вектор не внедрился или в которых он не работает, погибнут, и останутся только трансгенные. Если объектом были микроорганизмы, то задача выполнена: создана популяция трансгенных клеток. С растениями сложнее: из культуры клеток надо еще вырастить целостный организм. Наибольшую сложность представляют опыты с животными, ведь у них генной модификации приходится подвергать оплодотворенные яйцеклетки, более того, если речь идет о млекопитающих, их надо еще имплантировать суррогатной матери. Именно поэтому и трансгенных животных немного. А до массового разведения, в отличие от растений и микроорганизмов, пока не дошло ни одно. Это все единичные экземпляры.
И в поле, и в аптеке
Уже в 1992 году ГМ-организмы вышли «на широкий оперативный простор»: в Китае началось выращивание трансгенного табака, устойчивого к вредителям. С 1996 года публикуется мировая статистика по трансгенным сельскохозяйственным культурам. В 2004 году общая площадь, которую они занимают на полях планеты, превысила 80 миллионов га. Общее число таких сортов исчисляется сотнями, к промышленному «применению» разрешены десятки. ГМ-кукуруза, ГМ-рапс и ГМ-хлопчатник захватили значительную долю рынка соответствующих культур. Но рекорд принадлежит сое: из каждых трех ее бобов, поступающих в продажу, два — измененные человеком.
Успехи могли бы быть и значительнее, если б трансгенные культуры не «наткнулись» во многих странах на яростные протесты. В 1998 году страны Евросоюза даже ввели мораторий на регистрацию новых ГМО (хотя все это время в Германии и Испании продолжали сеять ранее зарегистрированные сорта). Четыре года спустя на смену этому запрету пришли исключительно строгие и подробные правила обращения с «рукотворными» культурами и продуктами из них. Прописанные в этом документе меры безопасности мало отличаются от тех, что соблюдаются при работе с возбудителями чумы или сибирской язвы. Впрочем, швейцарцев, например, не удовлетворили даже такие строгости: в ноябре прошлого года 58% граждан альпийской конфедерации проголосовали на общенациональном референдуме за пятилетний запрет на выращивание чего-либо, генетически модифицированного.
Почему потребители против? Сказать трудно. С тех пор как ГМ-сорта начали выращивать в промышленных масштабах, продукты из них ели и едят миллионы людей и бессчетное число животных. И за все эти годы не зафиксировано ни одного свидетельства тому, что «творческая» научная процедура несет вред или опасность. Напротив, согласно опубликованному в 2004 году докладу Союза немецких академий наук и Гуманитарной комиссии по зеленым биотехнологиям, содержание токсичных и аллергенных веществ в продуктах из ГМ-растений оказалось ниже, чем в аналогичных традиционных, за счет более жесткого контроля и меньшей концентрации паразитических грибков. Развеялись и страхи, связанные с широким применением ГМО, — перед вытеснением трансгенными растениями диких форм, перед нестабильностью «подсаженных» генов и их бесконтрольным распространением... Тем не менее общество (особенно европейское) сохраняет предубеждение против сверхновых культур.
Тайваньские ученые вывели зеленого поросенка, внедрив флуоресцентный ген в эмбрион. Это необычное животное «покрашено» насквозь. У него зеленые все внутренние органы, включая сердце
Возможно, дело в общем росте недоверия к науке и ее данным? Или в том, что все «передовые» свойства ГМ-растений важны, пока что лишь для производителей и переработчиков (устойчивость к засухе, морозам, вредителям, долгая «лежкость» в хранилищах...), а покупателям безразличны? Правда, все крупные биотехнологические компании обещают вот-вот изменить это положение и выпустить на рынок «второе поколение» ГМО, более «интересное» именно для публики. Например, созданный еще шесть лет назад «золотой рис» с высоким содержанием витамина А предназначен для развивающихся стран, где ежегодно полмиллиона детей получают различные нарушения зрения из-за нехватки этого вещества.