Перші трансгенні рослини (рослини тютюну із вбудованими генами з мікроорганізмів) було отримано 1983 р. Перші успішні польові випробування трансгенних рослин (стійкі до вірусної інфекції рослини тютюну) було проведено США вже 1986 р.

Після проходження всіх необхідних тестів на токсичність, алергенність, мутагенність тощо. Перші трансгенні продукти з'явилися у продажу в США в 1994 р. Це були томати Flavr Savr із уповільненим дозріванням, створені фірмою "Calgen", а також гербіцид-стійка соя компанії "Monsanto". Вже через 1-2 роки біотехнологічні фірми поставили на ринок цілу низку генетично змінених рослин: томатів, кукурудзи, картоплі, тютюну, сої, ріпаку, кабачків, редису, бавовнику.

В даний час отриманням та випробуванням генетично модифікованих рослин займаються сотні комерційних фірм у всьому світі із сукупним капіталом понад сто мільярдів доларів. У 1999 р. трансгенні рослини було висаджено на загальній площі близько 40 млн. га, що перевищує розміри такої країни, як Великобританія. У США генетично модифіковані рослини (GM Crops) становлять зараз близько 50% посівів кукурудзи та сої та понад 30-40% посівів бавовнику. Це говорить про те, що генно-інженерна біотехнологія рослин вже стала важливою галуззю виробництва продовольства та інших корисних продуктів, що приваблює значні людські ресурси та фінансові потоки. Найближчими роками очікується подальше швидке збільшення площ, зайнятих трансгенними формами культурних рослин.

Перша хвиля трансгенних рослин, допущених для практичного застосування, містила додаткові гени стійкості (до хвороб, гербіцидів, шкідників, псування при зберіганні, стресах).

Нинішній етап розвитку генетичної інженерії рослин отримав назву "метаболічна інженерія". При цьому ставиться завдання не так покращити ті чи інші наявні якості рослини, як при традиційній селекції, скільки навчити рослину виробляти абсолютно нові сполуки, що використовуються в медицині, хімічному виробництві та інших областях. Цими сполуками можуть бути, наприклад, особливі жирні кислоти, корисні білки з високим вмістом незамінних амінокислот, модифіковані полісахариди, їстівні вакцини, антитіла, інтерферони та інші "лікарські" білки, нові полімери, що не засмічують довкілля та багато іншого. Використання трансгенних рослин дозволяє налагодити масштабне та дешеве виробництво таких речовин і тим самим зробити їх доступнішими для широкого споживання.

Поліпшення якості запасних білків рослин

Запасні білки основних культурних видів кодуються сімейством близьких генів. Накопичення запасних білків насіння – складний біосинтетичний процес. Перша генноінженерна спроба поліпшення якості однієї рослини шляхом введення гена запасного білка від іншого була проведена Д. Кемпом і Т. Холл в 1983 р. в США. Ген фазеолін бобів за допомогою Ti-плазміди був перенесений в геном соняшнику. Результатом цього досвіду була лише химерна рослина, яка отримала назву санбін. У клітинах соняшнику було виявлено імунологічно споріднені фазеолінові поліпептиди, що підтверджувало факт перенесення гена між рослинами, що належать до різних сімейств.

Пізніше ген фазеоліну був переданий клітинам тютюну: у рослинах-регенерантах ген експресувався у всіх тканинах, хоч і в малих кількостях. Неспецифічна експресія фазеолінового гена, так само як і у разі перенесення його в клітини соняшника, сильно відрізняється від експресії цього гена в зрілих сім'ядолях бобів, де фазеолін становив 25-50% від загального білка. Цей факт вказує на необхідність збереження та інших регуляторних сигналів цього гена при конструюванні химерних рослин та на важливість контролю експресії генів у процесі онтогенезу рослин.

Ген, що кодує запасний білок кукурудзи - зеїн, після інтеграції його в Т-ДНК був перенесений в геном соняшнику в такий спосіб. Штами агробактерій, що містять Ti-плазміди з геном зеїну, використовували для індукції пухлин у стеблах соняшнику. Деякі з отриманих пухлин містили мРНК, синтезовані з генів кукурудзи, що дає підставу розглядати ці результати як перший доказ транскрипції гена однодольної рослини дводольному. Проте присутність зеїнового білка у тканинах соняшника не виявилося.

Більш реальним завданням для генетичної інженерії вважається покращення амінокислотного складу білків. Як відомо, у запасному білку більшості злакових спостерігається дефіцит лізину, треоніну, триптофану, у бобових – метіоніну та цистеїну. Введення цих білків додаткових кількостей дефіцитних амінокислот могло б ліквідувати амінокислотний дисбаланс. Методами традиційної селекції вдалося суттєво підвищити вміст лізину у запасних білках злакових. У всіх цих випадках частина проламінів (спирторозчинні запасні білки злакових) замінювалася іншими білками, що містять багато лізину. Однак у таких рослин зменшувалися розміри зерна та знижувалася врожайність. Очевидно, проламіни необхідні формування нормального зерна, та його заміна іншими білками негативно впливає врожайність. Враховуючи цю обставину, для покращення якості запасного білка зернових потрібен такий білок, який не тільки відрізнявся б високим вмістом лізину та треоніну, але й міг повноцінно замінити певну частину проламінів при формуванні зерна.

Рослини можуть виробляти білки тваринного походження. Так, вбудовування в геном рослин Arabidopsis thaliana і Brassica napus химерного гена, що складається з частини гена запасного 25-білка арабідопсису та кодуючої частини для нейропептиду - енкефаліну, призводило до синтезу химерного білка до 200 нг на 1 г насінини. Два структурних білкових домену були пов'язані послідовністю, відомою трипсином, що давало можливість надалі легко ізолювати чистий енкефалін.

В іншому експерименті вдалося після схрещування трансгенних рослин, в одному з яких був вбудований ген гамма-субодиниці, а в другому - ген каппа-субодиниці імуноглобуліну, отримати у потомства експресію обох ланцюгів. В результаті рослина формувала антитіла, що становлять до 1,3% сумарного білка листя. Також було показано, що у рослинах тютюну можуть збиратися повністю функціональні секреторні моноклональні імуноглобуліни. Секреторні імуноглобуліни зазвичай виділяються в ротову порожнину та шлунок людини та тварин і служать першим бар'єром на шляху кишкових інфекцій. У вищезгаданій роботі отримали продукцію в рослинах моноклональних антитіл, які були специфічні для Streptococcus mutans - бактерій, що викликають зубний карієс. Передбачається, що на основі таких моноклональних антитіл, що продукуються трансгенними рослинами, вдасться створити дійсно антикарієсну зубну пасту. З інших білків тваринного походження, які становлять інтерес для медицини, показано продукцію в рослинах людського β-інтерферону.

Розроблено також підходи, що дозволяють отримувати бактеріальні антигени в рослинах та використовувати їх як вакцини. Отримано картопля, що експресує олігомери нетоксичної субодиниці β-токсину холери. Ці трансгенні рослини можуть бути використані для отримання дешевої вакцини від холери.

Жири

Найважливішою сировиною для отримання різноманітних хімічних речовин є жирні кислоти - основний компонент рослинної олії. За своєю структурою це вуглецеві ланцюги, які мають різні фізико-хімічні властивості залежно від своєї довжини і ступеня насичення вуглецевих зв'язків. У 1995 році було закінчено експериментальну перевірку та отримано дозвіл від федеральної влади США на вирощування та комерційне використання трансгенних рослин ріпаку зі зміненим складом рослинної олії, що включає разом із звичайними 16- та 18-членними жирними кислотами також і до 45% 12-членної жирної кислоти - Лаурат. Ця речовина широко використовується для виробництва пральних порошків, шампунів, косметики.

Експериментальна робота полягала в тому, що був клонований ген специфічної тіоестерази з рослини Umbellularia califomica, де вміст лаурату в жирі насіння сягав 70%. Структурна частина гена цього ферменту під контролем промотора-термінатора гена білка, специфічного для ранньої стадії семяутворення, була вбудована в геном ріпаку та арабідопсису, що і призвело до збільшення вмісту лаурату в олії цих рослин.

З інших проектів, пов'язаних зі зміною складу жирних кислот, можна згадати роботи, які мають на меті підвищення або зниження вмісту ненасичених жирних кислот у олії. Цікавими є експерименти з петрозеліновою кислотою - ізомером олеїнової кислоти, де подвійний зв'язок знаходиться за шостим вуглецевим членом. Ця жирна кислота входить до складу олії коріандру і визначає її більш високу температуру плавлення (33°С), тоді як за наявності олеїнової кислоти температура плавлення становить лише 12°С. Передбачається, що після перенесення генів, що визначають синтез петрозелінової кислоти, рослини - продуценти рослинної олії вдасться виробляти дієтичний маргарин, що містить ненасичену жирну кислоту. Крім того, з петрозелінової кислоти дуже легко одержувати лаурат шляхом окислення озоном. Подальше вивчення специфіки біохімічного синтезу жирних кислот, мабуть, призведе до можливості керувати цим синтезом з метою отримання жирних кислот різної довжини та різного ступеня насичення, що дозволить значно змінити виробництво детергентів, косметики, кондитерських виробів, затверджувачів, мастильних матеріалів, ліків, полімерів. , дизельного палива та багато іншого, що пов'язано з використанням вуглеводневої сировини.

Полісахариди

Проводиться робота зі створення трансгенних рослин картоплі та інших крохмалевих культур, в яких ця речовина буде перебувати в основному у вигляді амілопектину, тобто розгалуженої форми крохмалю, або ж в основному тільки у вигляді амілози, тобто лінійних форм крохмалю. Розчин амілопектину у воді рідкіший і прозоріший, ніж у амілози, яка при взаємодії з водою утворює ригідний гель. Так, наприклад, крохмаль, що складається в основному з амілопектину, мабуть, матиме попит на ринку виробників різних поживних сумішей, де зараз як наповнювач використовується модифікований крохмаль. Генетичній модифікації можуть піддаватися також геноми пластид та мітохондрій. Такі системи дозволяють значно збільшити вміст продукту трансгенному матеріалі.

Створення гербіцидостійких рослин

У нових, інтенсивних сільськогосподарських технологіях гербіциди використовуються дуже широко. Це пов'язано з тим. що на зміну колишнім екологічно небезпечним гербіцидам широкого спектру дії, що мають токсичність для ссавців і тривалий час зберігаються у зовнішньому середовищі, приходять нові, більш досконалі та безпечні сполуки. Однак вони мають недолік - пригнічують зростання не тільки бур'янів, а й культурних рослин. Такі високоефективні гербіциди, як гліфосат, атразини інтенсивно вивчаються на предмет виявлення механізму толерантності до них деяких бур'янів. Так, на полях, де широко використовують атразин, часто з'являються атразинустійкі біотипи у багатьох видів рослини.

Вивчення механізму стійкості до гербіцидів з метою отримання методами генетичної інженерії культурних рослин, що володіють цією ознакою, включає наступні етапи: виявлення біохімічних мішеней дії гербіцидів у рослинній клітині: відбір стійких до цього гербіциду організмів як джерела генів стійкості: клонування цих генів: введення їх в культурні рослини та вивчення їх функціонування

Існують чотири принципово різні механізми, які можуть забезпечувати стійкість до тих чи інших хімічних сполук, включаючи гербіциди: транспортний, елімінуючий, регуляційний та контактний. Транспортний механізм стійкості полягає у неможливості проникнення гербіциду у клітину. При дії елімінуючого механізму стійкості речовини, що потрапили всередину клітини, можуть руйнуватися за допомогою індукованих клітинних факторів, найчастіше деградуючих ферментів, а також піддаватися тому чи іншому виду модифікації, утворюючи неактивні нешкідливі для клітини продукти. При регуляційній резистентності білок або фермент клітини, що інактивується під дією гербіциду, починає посилено синтезуватись, ліквідуючи таким чином дефіцит потрібного метаболіту в клітині. Контактний механізм стійкості забезпечується зміною структури мішені (білок або фермент), взаємодією з якою пов'язана дія гербіциду, що пошкоджує.

Встановлено, що ознака гербіцидостійкості є моногенною, тобто ознака детермінується найчастіше одним-єдиним геном. Це дуже полегшує можливість використання технології рекомбінантної ДНК передачі цієї ознаки. Гени, що кодують ті чи інші ферменти деструкції та модифікації гербіцидів, можуть бути з успіхом використані для створення гербіцидостійких рослин методами генетичної інженерії.

Традиційні методи селекції створення сортів, стійких до гербіцидів, дуже тривалі і малорезультативні. Найбільш широко застосовуваний за кордоном гербіцид гліфосат (комерційна назва Roundup) пригнічує синтез найважливіших ароматичних амінокислот, впливаючи на фермент 5-енолпірувілшікімат-З-фосфатсинтазу (ЕПШФ-синтаза). Відомі випадки стійкості до цього гербіциду пов'язані з підвищенням рівня синтезу цього ферменту (регуляційний механізм), або з виникненням мутантного ферменту, нечутливого до гліфосфату (контактний механізм). Зі стійких до гліфосфату рослин був виділений ген ЕПШФ-синтази і поставлений під промотор вірусу мозаїки цвітної капусти. За допомогою Ti-плазміди ця генетична конструкція була введена до клітин петунії. За наявності однієї копії гена в регенерованих з трансформованих клітин рослин синтезувалося ферменту в 20 - 40 разів більше, ніж у вихідних рослинах, але стійкість до гліфосфату збільшилася тільки в 10 разів.

До найбільш поширених гербіцидів, що використовуються при обробці зернових культур, належить атразин. Він пригнічує фотосинтез, зв'язуючись з одним із білків фотосистеми II та припиняючи транспорт електронів. Стійкість до гербіциду виникає в результаті точкових мутацій у цьому пластохінон сполучному білку (заміна серину на гліцин), внаслідок чого він втрачає здатність взаємодіяти з гербіцидом. У ряді випадків вдалося здійснити перенесення гена мутантного білка до чутливих до атразину рослин за допомогою Ti-плазміди. Інтегрований в хромосому рослин ген стійкості був забезпечений сигнальною послідовністю, яка забезпечувала транспорт білка, що синтезується, в хлоропласти. Химерні рослини виявляли значну стійкість до таких концентрацій атразину, які спричиняли загибель контрольних рослин із геном білка дикого типу. Деякі рослини здатні інактивувати атразин шляхом відщеплення залишку хлору ферментом глутатіон-S-трансферазу. Цей фермент інактивує й інші родинні гербіциди триазинового ряду (пропазин, симазин та інших.).

Існують рослини, природна стійкість яких до гербіцидів ґрунтується на детоксикації. Так, стійкість рослин до хлорсульфурону може бути пов'язана з дезактивацією молекули гербіциду шляхом його гідроксилювання та подальшого глікозилювання введеної гідроксильної групи. Створення рослин, стійких до патогенів та шкідників. Стійкість рослин до тих чи інших патогенів найчастіше є складною мультигенною ознакою.

Одночасна передача кількох локусів важка навіть методами генної інженерії, а про класичні методи селекції. Простішим є інший шлях. Відомо, що у стійких рослин під час атаки патогенів змінюється метаболізм. Накопичуються такі сполуки, як Н2О2, саліцилова кислота, фітоалексини. Підвищений рівень цих сполук сприяє протистоянню рослини боротьби з патогенами.

Ось один із прикладів, що доводить роль саліцилової кислоти в імунній відповіді рослин. Трансгенні рослини тютюну, які містять бактеріальний ген, що контролює синтез саліцилату гідролази (цей фермент руйнує саліцилову кислоту), були нездатні до імунної відповіді. Тому зміна генно-інженерним шляхом рівня саліцилової кислоти або вироблення в рослинах у відповідь на патоген Н2О2 може бути перспективною для створення стійких трансгенних рослин.

У фітовірусології широко відомий феномен індукованої перехресної стійкості рослин до вірусних інфекцій. Сутність цього явища полягає в тому, що зараження рослини одним штамом вірусу запобігає подальшій інфекції цих рослин іншим вірусним штамом. Молекулярний механізм придушення вірусної інфекції поки не зрозумілий. Показано, що для імунізації рослин достатньо введення окремих вірусних генів, наприклад, генів капсидних білків. Так, ген білка оболонки вірусу тютюнової мозаїки перенесли в клітини тютюну та отримали трансгенні рослини, у яких 0,1% всіх білків листя було представлено вірусним білком. Значна частина цих рослин при інфікуванні вірусом не виявляла жодних симптомів захворювання. Можливо, що білок оболонки вірусу, що синтезується в клітинах, заважає вірусній РНК нормально функціонувати і формувати повноцінні вірусні частинки. Встановлено, що експресія капсидного білка вірусу тютюнової мозаїки, вірусу мозаїки люцерни, вірусу огіркової мозаїки, Х-вірусу картоплі у відповідних трансгенних рослинах (тютюн, томати, картопля, огірки, перці) забезпечує високий рівень їхнього захисту від наступної ві. Причому у трансформованих рослин не відзначалося зниження фертильності, небажаної зміни ростових та фізіологічних характеристик вихідних екземплярів та їх потомства. Вважають, що індукована стійкість рослин до вірусів обумовлена ​​спеціальним антивірусним білком, дуже схожим на інтерферон тварин. Є можливим методом генетичної інженерії посилити експресію гена, що кодує цей білок, шляхом його ампліфікації або підстановки під сильніший промотор.

Слід зазначити, що використання генетичної інженерії захисту рослин від різних патогенних мікроорганізмів значною мірою стримується недостатністю знань про механізми захисних реакцій рослин. Для боротьби з комахами-шкідниками у рослинництві використовуються хімічні засоби – інсектициди. Однак вони шкідливо впливають на ссавців, вбивають і корисних комах, забруднюють навколишнє середовище, дороги, і крім того, комахи незабаром пристосовуються до них. Відомо більше 400 видів комах, стійких до інсектицидів, що використовуються. Тому все більшу увагу привертають біологічні засоби боротьби, що забезпечують строгу вибірковість дії та відсутність адаптації шкідників до застосовуваного біопестициду.

Вже досить давно відома бактерія Bacillus thuringiensis, що продукує білок, що є дуже токсичним для багатьох видів комах, водночас безпечний для ссавців. Білок (дельта-ендотоксин, CRY-білок) продукується різними штамами Ст thuringiensis. Взаємодія токсину з рецепторами суворо специфічна, що ускладнює вибір комбінації токсин-комаха. У природі виявлено велику кількість штамів В. thuringiensis, чиї токсини діють лише на певні види комах. Препарати Ст thuringiensis протягом десятиліть використовували для контролю комах на полях. Безпека токсину та його складових білків для людини та інших ссавців повністю доведена. Вбудовування гена цього білка в геном рослин дає можливість отримати трансгенні рослини, які не поїдають комахами.

Крім видоспецифічності по дії на комах, вбудовування прокаріотичних генів дельта-токсинів у геном рослин навіть під контролем сильних еукаріотичних промоторів не призвело до високого рівня експресії. Імовірно, таке явище виникло у зв'язку з тим, що ці бактеріальні гени містять значно більше аденінових і тимінових нуклеотидних основ, ніж рослинна ДНК. Ця проблема була вирішена шляхом створення модифікованих генів, де з природного гена вирізали та додавали ті чи інші фрагменти із збереженням доменів, що кодують активні частини дельта-токсину. Так, наприклад, за допомогою таких підходів була отримана картопля, стійка до колорадського жука. Отримано трансгенні рослини тютюну, здатні синтезувати токсин. Такі рослини були нечутливі до гусениць Manduca sexta. Останні гинули протягом 3 діб контакту з токсинпродукуючими рослинами. Токсиноутворення та обумовлена ​​їм стійкість до комах передавалася у спадок як домінантна ознака.

В даний час так звані Bt-рослини (від В. thuringiensis) бавовни та кукурудзи займають основну частку в загальному обсязі генетично модифікованих рослин цих культур, які вирощують на полях США.

У зв'язку з можливостями генної інженерії конструювати ентомопатогенні рослини на основі токсину мікробного походження, ще більший інтерес до себе викликають токсини рослинного походження. Фітотоксин є інгібіторами білкового синтезу і здійснюють захисну функцію, спрямовану проти комах-шкідників мікроорганізмів та вірусів. Найкраще серед них вивчений рицин, що синтезується в рицині: його ген клонований і встановлена ​​нуклеотидна послідовність. Однак висока токсичність рицину для ссавців обмежує генноінженерні роботи з ним лише технічними культурами, які не використовуються в їжу людини та на корм тваринам. Токсин, що виробляється американською фітолаккою, ефективний проти вірусів і нешкідливий для тварин. Механізм його дії полягає в інактивації власних рибосом при проникненні в клітини різноманітних патогенів, у тому числі фітовірусів. Уражені клітини некротизуються, запобігаючи розмноженню патогену та його поширенню по рослині. В даний час проводяться дослідження з вивчення гена цього білка та передачі його в інші рослини.

Вірусні хвороби широко поширені серед комах, тому для боротьби з комахами-шкідниками можна використовувати природні віруси комах, які називають вірусними пестицидами. На відміну від отрутохімікатів вони мають вузький спектр дії, не вбивають корисних комах, вони швидко руйнуються у зовнішньому середовищі і не є небезпечними для рослин і тварин. Поряд із вірусами комах використовуються як біопестициди деякі гриби, що вражають комах-шкідників. Біопестициди, що застосовуються зараз, є природними штамами ентомопатогенних вірусів і грибів, проте не виключена можливість створення в майбутньому методами генетичної інженерії нових ефективних біопестицидів.

Підвищення стійкості рослин до стресових умов

Рослини дуже часто піддаються впливу різних несприятливих факторів навколишнього середовища: високі та низькі температури, нестача вологи, засолення грунтів та загазованість середовища, нестача або, навпаки, надлишок деяких мінеральних речовин тощо.

Цих факторів безліч, тому й способи захисту від них різноманітні – від фізіологічних властивостей до структурних пристроїв, що дозволяють долати їхню згубну дію.

Стійкість рослин до того чи іншого стресового фактора є результатом впливу багатьох різних генів, тому говорити про повну передачу ознак толерантності від одного виду рослини іншому генноінженерними методами не доводиться. Проте генетична інженерія має певні можливості для підвищення стійкості рослин. Це стосується роботи з окремими генами, що контролюють метаболічні відповіді рослин на стресові умови, наприклад надпродукцію проліну у відповідь на осмотичний шок, на дію засолення, синтез особливих білків у відповідь на тепловий шок і т. д. Подальше поглиблене вивчення фізіологічної, біохімічної та генетичної основ реакції рослини у відповідь на умови середовища, безсумнівно, дозволить застосовувати методи генетичної інженерії для конструювання стійких рослин.

Поки можна відзначити лише непрямий підхід для одержання морозостійких рослин, заснований на генноінженерних маніпуляціях із Pseudomonas syringae. Механізм явища пов'язаний з тим, що клітини мікроорганізму синтезують особливий білок, що локалізується у зовнішній мембрані і є центром кристалізації льоду. Відомо, що формування льоду у воді залежить від речовин, які можуть бути центрами утворення льоду. Білок, що викликає формування кристалів льоду в різних частинах рослини (листя, стебла, коріння), є одним із головних факторів, відповідальних за пошкодження тканин рослин, чутливих до ранніх заморозків. Численні експерименти в строго контрольованих умовах показали, що стерильні рослини не ушкоджувалися заморозками аж до - 6 - 8 ° С, тоді як у рослин, що мають відповідну мікрофлору, пошкодження виникали вже при температурах - 1,5 - 2 ° С. Мутанти цих бактерій, втратили здатність синтезувати білок, що викликає формування кристалів льоду, не підвищували температуру утворення льоду, і рослини з такою мікрофлорою були стійкими до заморозків. Штам таких бактерій, розпорошений над бульбами картоплі, конкурував із звичайними бактеріями, що призводило до підвищення морозостійкості рослин. Можливо, такі бактерії, створені за допомогою методів генної інженерії та використовувані як компонент зовнішнього середовища, служитимуть для боротьби із заморозками.

Підвищення ефективності біологічної азотфіксації

Добре вивчений фермент, відповідальний за відновлення молекулярного азоту до амонію. - Нітрогеназа. Структура нітрогенази однакова у всіх азотфіксуючих організмів. При фіксації азоту неодмінною фізіологічною умовою є захист нітрогенази від руйнування під впливом кисню. Найкраще серед азотфіксаторів вивчені ризобії, що утворюють симбіоз з бобовими рослинами, та вільноживуча бактерія Klebsiella pneumoniae. Встановлено, що у цих бактерій за фіксацію азоту відповідально 17 генів – так званих nif-генів. Всі ці гени зчеплені один з одним і розташовані в хромосомі між генами ферментів біосинтезу гістидину та генами, що визначають засвоєння шикимової кислоти. У ризобії, що швидко росте, nif-гени існують у формі мегаплазміди, що містить 200-300 тисяч пар нуклеотидів.

Серед генів азотфіксації виявлено гени, які контролюють структуру нітрогенази, білковий фактор, що бере участь у транспорті електронів, регуляторні гени. Регуляція генів азотфіксації досить складна, тому генноінженерне перенесення азотфіксуючої функції від бактерій безпосередньо вищим рослинам нині вже не обговорюється. Як показали експерименти, навіть у найпростішому еукаріотичному організмі - дріжджах не вдалося досягти експресії nif-генів, хоча вони зберігалися протягом 50 генерацій.

Ці досліди показали, що діазотрофність (азот-фіксація) властива виключно прокаріотичним організмам, і nif-гени не змогли подолати бар'єр, що розділяє прокаріоти та еукаріоти, через надто складну свою структуру та регуляцію генами, розташованими поза nif-областю. Можливо, більш вдалим виявиться перенесення nif-генів за допомогою Ti-плазмід у хлоропласти, оскільки механізми експресії генів у хлоропластах та клітинах прокаріотів близькі. У будь-якому випадку нітрогеназа повинна бути захищена від інгібуючої дії кисню. Крім того, фіксація атмосферного азоту – дуже енергоємний процес. Навряд чи рослина під впливом nif-генів може кардинально змінити свій метаболізм, щоб створити всі ці умови. Хоча не виключено, що в майбутньому методами генетичної інженерії можна буде створити нітрогеназний комплекс, що більш економно працює.

Більш реально використання генноінженерних методів для вирішення наступних завдань: підвищення здатності ризобії колонізувати бобові рослини, підвищення ефективності фіксації та асиміляції азоту шляхом впливу на генетичний механізм, створення нових азотфіксуючих мікроорганізмів шляхом введення в них nif-генів, передача здатності до симбіозу від бобових рослин до інших .

Першорядним завданням генетичної інженерії підвищення ефективності біологічної фіксації азоту є створення штамів ризобії з посиленою азотфиксацией і колонизирующей здатністю. Колонізація бобових рослин різобіями протікає дуже повільно, лише поодинокі з них дають початок бульбам. Це відбувається тому, що місцем інвазії ризобії є лише одна невелика область між точкою росту кореня і найближчим до неї кореневим волоском, що знаходиться на стадії формування. Всі інші частини кореня і кореневі волоски, що розвилися, рослини нечутливі до колонізації. У ряді випадків сформовані бульби виявляються нездатними фіксувати азот, що залежить від багатьох рослинних генів (виявлено не менше п'яти), зокрема від несприятливого поєднання двох рецесивних генів.

Традиційними методами генетики та селекції вдалося отримати лабораторні штами ризобій з більш високою здатністю колонізувати. Але вони в польових умовах зазнають конкуренції з боку місцевих штамів. Підвищення їхньої конкурентоспроможності, мабуть, можна здійснити генноінженерними методами. Підвищення ефективності процесу азотфіксації можливе застосуванням генноінженерних прийомів, заснованих на збільшенні копій гена, посиленні транскрипції тих генів, продукти яких утворюють «вузьке» місце в каскадному механізмі азотфіксації, шляхом введення сильніших промоторів і т. п. Важливо підвищення коефіцієнта корисної дії нітро- геназної системи, що здійснює безпосереднє відновлення молекулярного азоту в аміак

Підвищення ефективності фотосинтезу

С4-рослини характеризуються високими темпами зростання та швидкістю фотосинтезу, у них практично відсутнє видиме фотодихання. Більшість сільськогосподарських культур, які стосуються С3-растениям, висока інтенсивність фотодихання. Фотосинтез і фотодихання - тісно пов'язані процеси, в основі яких лежить біфункціональна активність одного й того самого ключового ферменту - рибулозобісфосфат-карбоксилази (РуБФК). РуБФ-карбоксилаза може приєднувати не тільки С02, а й 02, тобто здійснює реакції карбоксилювання та оксигенування. При оксигенуванні РуБФ утворюється фосфогліколат, який є основним субстратом фотодихання - процесу викиду С02 на світлі, внаслідок чого втрачається частина фотосинтетичних продуктів. Низьке фотодихання у С4-рослин пояснюється не відсутністю ферментів гліколатного шляху, а обмеженням оксигеназної реакції, а також реассиміляцією фотодихання С02.

Одним із завдань, що стоять перед генетичною інженерією, є дослідження можливості створення РуБФК з переважаючою карбоксилазною активністю.

Отримання рослин із новими властивостями

В останні роки вчені використовують новий підхід для отримання трансгенних рослин з "antisense RNA" (перевернутої або антисмислової РНК), який дозволяє керувати роботою гена, що цікавиться. У цьому випадку при конструюванні вектора копію ДНК (ДНК) вбудованого гена перевертають на 180°. В результаті в трансгенній рослині утворюється нормальна молекула мРНК і перевернута, яка з комплементарності нормальної мРНК утворює з нею комплекс і закодований білок не синтезується.

Такий підхід використано для отримання трансгенних рослин томатів з покращеною якістю плодів. Вектор включав до-ДНК гена PG, який контролює синтез полігалактуронази - ферменту, що бере участь у руйнуванні пектину, основного компонента міжклітинного простору рослинних тканин. Продукт гена PG синтезується в період дозрівання плодів томатів, а збільшення його кількості призводить до того, що томати стають м'якшими, що значно скорочує їх зберігання. Відключення цього гена в трансгенах дозволило отримати рослини томатів з новими властивостями плодів, які значно довше зберігалися, а й самі рослини були більш стійкі до грибним захворюванням.

Такий же підхід можна застосувати для регулювання термінів дозрівання томатів, а як мішень у цьому випадку використовують ген EFE (ethylene-forming enzyme), продуктом якого є фермент, що бере участь у біосинтезі етилену. Етилен – це газоподібний гормон, однією з функцій якого є контроль за процесом дозрівання плодів.

Стратегія антисмислових конструкцій широко застосовується модифікації експресії генів. Ця стратегія використовується не тільки для отримання рослин з новими якостями, але і для фундаментальних досліджень генетики рослин. Слід згадати ще один напрям у генної інженерії рослин, яке донедавна переважно використовували у фундаментальних дослідженнях - вивчення ролі гормонів у розвитку рослин. Суть експериментів полягала в отриманні трансгенних рослин з комбінацією певних бактеріальних гормональних генів, наприклад, тільки iaaM або ipt тощо. Ці експерименти внесли істотний внесок у доказ ролі ауксинів та цитокінінів у диференціювання рослин.

Останніми роками цей підхід почали використовувати у практичній селекції. Виявилося, що плоди трансгенних рослин з геном iaaM, що під промотором гена Def (ген, який експресується тільки в плодах), є партенокарпічними, тобто сформованими без запилення. Партенокарпічні плоди характеризуються або повною відсутністю насіння, або дуже невеликою кількістю, що дозволяє вирішити проблему "зайвих кісточок", наприклад в кавуні, цитрусових і т.д. Вже отримані трансгенні рослини кабачків, які загалом не відрізняються від контрольних, але практично не містять насіння.

Обеззброєну, позбавлену онкогенів Ti-плазміду, вчені активно використовують для отримання мутацій. Цей метод називається Т-ДНК-інсерційного мутагенезу. Т-ДНК, вбудовуючись у геном рослини, вимикає ген, куди вона вбудовалася, а, по втрати функції можна легко відбирати мутанти (явище сайлесинга – замовчування генів). Цей метод чудовий також тим, що дозволяє відразу виявити та клонувати відповідний ген. В даний час таким способом отримано безліч нових мутацій рослин та відповідні гени клоновані. М. А. Раменської на основі Т-ДНК мутагенезу отримано рослини томатів з неспецифічною стійкістю до фітофторозу. Не менш цікавий і інший аспект робіт – отримані трансгенні рослини із зміненими декоративними властивостями.

Один із прикладів – це отримання рослин петунії з різнокольоровими квітками. На черзі блакитні троянди з геном, який контролює синтез блакитного пігменту, клонованим з дельфініуму.



У всесвітній стратегічній комп'ютерній грі StarCraft позаземна раса зергів примітна тим, що навчилася засвоювати генетичний матеріал інших організмів та перетворювати власні гени, змінюючись та адаптуючись до нових умов. Ця, на перший погляд, фантастична ідея набагато ближча до реальних можливостей живих організмів, ніж здається.

Сьогодні ми дуже багато знаємо про ДНК: цій дволанцюжковій молекулі присвячено понад два мільйони наукових публікацій. Молекулу ДНК можна як текст, написаний з використанням алфавіту з чотирьох літер (нуклеотидів). Сукупність усіх нуклеотидів, що становлять хромосоми будь-якого організму, називається геномом. Геном людини налічує приблизно три мільярди «літер».

Окремі ділянки геному є відокремлені гени - функціональні елементи, які найчастіше відповідають за синтез конкретних білків. У людини близько 20 000 генів, що кодують білки. Білки, як і молекули ДНК, є полімерами, але складаються не з нуклеотидів, а з амінокислот. "Алфавіт" амінокислот, що входять до складу білків, налічує 20 молекул. Знаючи нуклеотидну послідовність гена, можна визначити амінокислотну послідовність білка, який він кодує. Справа в тому, що всі організми використовують один і той же (з невеликими варіаціями) добре вивчений генетичний код – правила відповідності кодонів (трійок нуклеотидів) певним амінокислотам. Подібна універсальність дозволяє генам з одного організму працювати в іншому організмі і при цьому виробляти той самий білок.

Природна інженерія

Один з основних методів генної інженерії рослин використовує агробактерії і розроблений ними механізм модифікації рослинних геномів (див. «ПМ» № 10"2005). в рослинний геном і тим самим змусити рослину виробляти потрібні для бактерії поживні речовини. Bacillus thuringiensis, абсолютно безпечні для ссавців та отруйні для деяких комах, або білки, що надають рослині стійкості до конкретного гербіциду.

Обмін генами для бактерій, навіть споріднених, - дуже поширене явище. Саме через це мікроби, стійкі до пеніциліну, з'явилися вже через кілька років після початку його масового застосування, а в наші дні проблема стійкості до антибіотиків стала однією з найтривожніших у медицині.

Від вірусів до організмів

Природною «генною інженерією» займаються як бактерії, а й віруси. У геномах багатьох організмів, включаючи людину, є транспозони - колишні віруси, які давно вбудувалися в ДНК господаря і, як правило, не завдаючи йому шкоди, можуть "перескакувати" з одного місця в геном на інше.

Ретровіруси (такі як ВІЛ) вміють вбудовувати свій генетичний матеріал прямо в геном еукаріотів (наприклад, клітин людини). Аденовіруси не вбудовують свою генетичну інформацію в геном тварин і рослин: їх гени можуть включатися і працювати без цього. Ці та інші віруси активно використовуються у генній терапії для лікування цілого спектра спадкових захворювань.

Таким чином, природна генна інженерія дуже широко використовується в природі та відіграє величезну роль в адаптації організмів до навколишнього середовища. Ще важливіше те, що всі живі організми постійно зазнають генетичних змін у результаті випадкових мутацій. З цього випливає важливий висновок: по суті, кожен організм (якщо не брати до уваги клонів) є унікальним і генетично модифікованим у порівнянні зі своїми предками. У нього є як нові мутації, так і нові комбінації варіантів генів, що існували раніше, - в геномі будь-якої дитини виявляються десятки генетичних варіантів, яких не було в жодного з батьків. Крім виникнення нових мутацій, у ході статевого розмноження у кожному поколінні виникає нова комбінація вже існуючих у батьків генетичних варіантів.

Перевірено у дослідах

Сьогодні активно обговорюється безпека харчових продуктів, які містять генетично модифіковані організми (ГМО). Для продуктів генної інженерії, здійснюваної людиною, краще підходить термін «генетично модернізовані організми», оскільки генна інженерія дозволяє прискорити ті процеси генетичних змін, які самостійно відбуваються у природі, і направити їх у потрібне людині русло. Однак між механізмами генетичної модернізації та природними процесами генетичної модифікації немає жодних суттєвих відмінностей, тому цілком обґрунтовано можна вважати, що виробництво ГМ-продуктів не несе додаткових ризиків.

Однак, як і будь-яка наукова гіпотеза, безпека ГМО потребувала експериментальної перевірки. Попри численні твердження противників ГМО, це питання дуже і дуже ретельно досліджується не перший десяток років. Цього року у журналі Critical reviews in biotechnologyбуло опубліковано огляд майже 1800 наукових праць, присвячених вивченню безпеки ГМО протягом останніх десяти років. Лише у трьох дослідженнях виникли підозри про негативний вплив трьох конкретних ГМ-сортів, але ці підозри не виправдалися, ще у двох випадках було встановлено потенційну алергенність ГМ-сортів. Єдиний підтверджений випадок стосувався гена бразильського горіха, що вбудовується у ГМ-сорт сої. Стандартна в таких випадках перевірка реакції сироватки крові людей, які страждають на алергію, на білок нового ГМ-сорту, показала існування небезпеки, і розробники відмовилися від просування сорту на ринок.

Крім того, варто окремо згадати огляд 2012 року, опублікований у журналі Food and Chemical Toxicology, До якого увійшло 12 досліджень безпеки вживання ГМО в їжу на кількох (від двох до п'яти) поколіннях тварин та ще 12 досліджень на тварин довгострокового (від трьох місяців до двох років) споживання ГМО в їжу. Автори огляду дійшли висновку про відсутність будь-яких негативних ефектів ГМО (порівняно з немодернізованими аналогами).

Скандальні викриття

Навколо деяких робіт, що нібито показують шкоду окремих ГМ-сортів рослин, виникають курйози. Типовий приклад, який дуже люблять наводити противники ГМО - це гучна публікація французького дослідника Сераліні в журналі Food and Chemical Toxicology, який стверджував, що ГМ-кукурудза викликає рак та збільшення смертності щурів. У науковому середовищі робота Сераліні викликала бурхливі дискусії, але не тому, що дослідник отримав та опублікував якісь унікальні дані. Причиною було те, що з наукової точки зору робота була виконана вкрай недбало і містила грубі помилки, помітні з першого погляду.

Тим не менш, представлені Сераліні фотографії щурів з великими пухлинами справили величезне враження на громадськість. Незважаючи на те, що його стаття не витримала об'єктивної критики та була відкликана з журналу, її продовжують цитувати противники ГМО, яких наукова сторона питання явно не цікавить, а фотографії хворих щурів досі показують з екранів.

Науковий рівень обговорення потенційної небезпеки ГМО у ЗМІ та у суспільстві в цілому вражає наївністю. На прилавках магазинів можна зустріти крохмаль, сіль і навіть воду без ГМО. ГМО постійно плутають із консервантами, пестицидами, синтетичними добривами та харчовими добавками, до яких генна інженерія не має прямого відношення. Від реальних проблем безпеки харчування подібні дискусії відводять у сферу спекуляцій та підміни понять.

Небезпеки - справжні та ні

Втім, ні ця стаття, ні інші наукові роботи не намагаються довести, що ГМО абсолютно безпечні. Насправді жоден продукт харчування не є абсолютно безпечним, адже ще Парацельс сказав відому фразу: «Все є отрута, і ніщо не позбавлене отруйності; одна лише доза робить отруту непомітною». Навіть звичайна картопля може викликати алергію, а позеленіла містить токсичні алкалоїди - солонини.

Чи може змінитися робота вже наявних генів рослини в результаті вбудовування нового гена? Так, може, але від змін у роботі генів не застраховано жодного організму. Чи може в результаті генної інженерії з'явитися новий сорт рослини, яка пошириться за межі сільськогосподарських угідь і якось вплине на екосистему? Теоретично і таке можливо, але й це відбувається у природі повсюдно: з'являються нові види, екосистеми змінюються, одні види вимирають, інші займають їхнє місце. Проте немає підстав вважати, що генна інженерія несе у собі додаткові ризики для довкілля чи здоров'я людей чи тварин. Але про ці ризики постійно трубять у ЗМІ. Чому?

Ринок ГМО значною мірою монополізований. Серед гігантів на першому місці стоїть компанія Monsanto. Зрозуміло, великі виробники ГМ-насіння та технологій зацікавлені у прибутку, у них є власні інтереси та власне лобі. Але вони заробляють гроші не «з повітря», а пропонуючи людству прогресивні сільськогосподарські технології, за які виробники голосують найпереконливішим чином – доларом, песо, юанем тощо.

Основні виробники та постачальники «органічних» продуктів, вирощених з використанням застарілих технологій і, отже, дорожчих (але не якісніших) – теж зовсім не дрібні фермери, а такі ж великі компанії з багатомільярдними оборотами. Тільки в США ринок органічних продуктів склав у 2012 році $31 млрд. Це серйозний бізнес, і оскільки органік-продукти не мають жодних переваг перед ГМО, але обходяться дорожче у виробництві, ринковими методами конкурувати з ГМ-сортами вони не можуть. Ось і доводиться за допомогою ЗМІ вселяти довірливим споживачам нічим не обґрунтований страх перед міфічними «генами скорпіона», який і породжує попит на дорогі та нетехнологічні органік-продукти. Крім того, противники ГМО, що описують страшні небезпеки генно-модифікованих сортів, що виробляють білок B. thuringiensisзазвичай забувають згадати про те, що препарати на основі таких культур або виділених з них білків в «органічному землеробстві» дозволені (і широко застосовуються). Як і натуральний гній, який може стати джерелом купи патогенних бактерій та іншої натуральної гидоти.

Трохи політики

Сьогодні генна інженерія – одна з найбільш вивчених з погляду безпеки технологій. Вона дозволяє створювати більш якісні продукти харчування, зменшити кількість пестицидів, що використовуються на полях, і захистити довкілля (так, саме захистити: на полях, засіяних Bt-сортами, живе більше комах і птахів, ніж на «звичайних», які доводиться регулярно обробляти інсектицидами) .

Але існує ще одна причина «боротьби» з ГМО - виключно політична. Країни, які значно відстали у сфері біотехнологій, намагаються знайти привід не допустити дешевших продуктів з інших країн на свій ринок. Втім, такий захист вітчизняних виробників від іноземної продукції має сенс лише у тому випадку, якщо допомагає виграти час, аби розвинути власні технології до конкурентоспроможного стану. Якщо цього не робити, є серйозний ризик відстати від світового наукового і технологічного рівня. Назавжди.

НАУКОВА БІБЛІОТЕКА - РЕФЕРАТИ - Генна модифікація

Генна модифікація

Генетики та селекціонери обговорюють найскладніші проблеми селекції рослин та тварин, застосування генетичних технологій у медицині, безпеки генетично модифікованих продуктів.

1. Генна інженерія

Генна інженерія – це розділ молекулярної генетики, пов'язаний із цілеспрямованим створенням нових комбінацій генетичного матеріалу. Основа прикладної генної інженерії – теорія гена. Створений генетичний матеріал здатний розмножуватися у клітині-господарі та синтезувати кінцеві продукти обміну.

Генна інженерія виникла 1972 року, в Станфордському університеті, США. Тоді лабораторія П. Берга одержала першу рекомбінатну (гібридну) ДНК або (рекДНК). Вона поєднувала у собі фрагменти ДНК фага лямбда, кишкової палички та мавпячого вірусу SV40.

Будова рекомбінантної ДНК. Гібридна ДНК має вигляд кільця. Вона містить ген (або гени) та вектор. Вектор – це фрагмент ДНК, що забезпечує розмноження гібридної ДНК та синтез кінцевих продуктів діяльності генетичної системи – білків. Більшість векторів отримана на основі фага лямбда, з плазмід, вірусів SV40, поліоми, дріжджів та ін бактерій.

Синтез білків відбувається у клітині-хазяїні. Найчастіше як клітини-хазяїна використовують кишкову паличку, проте застосовують та інших. бактерії, дріжджі, тварини чи рослинні клітини. Система вектор-господар не може бути довільною: вектор підганяється до клітини-господаря. Вибір вектора залежить від видової специфічності та цілей дослідження.

Ключове значення у конструюванні гібридної ДНК несуть два ферменти. Перший – рестриктаза – розсікає молекулу ДНК на фрагменти по строго визначеним місцям. І другий – ДНК-лігази – зшивають фрагменти ДНК у єдине ціле. Тільки після виділення таких ферментів створення штучних генетичних структур стало технічно здійсненним завданням.

Етапи генного синтезу. Гени, що підлягають клонуванню, можуть бути одержані у складі фрагментів шляхом механічного або рестриктазного дроблення тотальної ДНК. Але структурні гени, зазвичай, доводиться або синтезувати хіміко-біологічним шляхом, або отримувати як ДНК-копії інформаційних РНК, відповідних обраному гену. Структурні гени містять лише кодований запис кінцевого продукту (білка, РНК) і повністю позбавлені регуляторних ділянок. І тому ці гени не здатні функціонувати у клітці-хазяїні.

При отриманні рекДНК утворюється найчастіше кілька структур, у тому числі лише одна є необхідною. Тому обов'язковий етап становить селекція та молекулярне клонування рекДНК, введеної шляхом трансформації у клітину-хазяїна.

Існує 3 шляхи селекції рекДНК: генетичний, імунохімічний та гібризаційний з міченими ДНК та РНК.

В результаті інтенсивного розвитку методів генної інженерії отримані клони безлічі генів: рибосомальної, транспортної та 5S РНК, гістонів, глобіну миші, кролика, людини, колагену, овальбуміну, інсуліну людини та ін пептидних гормонів, інтерферону людини та інше. Це дозволило створювати штами бактерій, що виробляють багато біологічно активних речовин, що використовуються в медицині, сільському господарстві та мікробіологічній промисловості.

На основі генної інженерії виникла галузь фармацевтичної промисловості, названа "індустрією ДНК". Це одна із сучасних гілок біотехнології.

Немає сумнівів, що пошуки генетиків обіцяють людині порятунок від багатьох недуг. Вже зараз генна інженерія починає активно застосовуватися в онкології, створюються препарати, спрямовані проти конкретної пухлини. Вченим вдалося ідентифікувати гени, що схильні до розвитку цукрового діабету, - отже, з'явилися нові перспективи в лікуванні і цієї тяжкої недуги. Для лікувального застосування допущено інсулін людини (хумулін), одержаний за допомогою рекДНК. Крім того, на основі численних мутантів по окремих генах, одержуваних при їх вивченні, створені високоефективні тест-системи виявлення генетичної активності факторів середовища, в тому числі для виявлення канцерогенних сполук.

За короткий термін генна інженерія вплинула на розвиток молекулярно-генетичних методів і дозволила істотно просунутися шляхом пізнання будови та функціонування генетичного апарату. Генна інженерія має великі перспективи у лікуванні спадкових хвороб, яких на сьогоднішній день зареєстровано близько 2000. Генна інженерія покликана допомагати виправляти помилки природи.

З іншого боку, генетичні технології породили абсолютно нові проблеми, пов'язані з можливістю клонування живих істот, зокрема й людини. Світова наукова спільнота визнає, що технічно клонування ідентичної людської особини стає можливим. Але питання, чи потрібні людству подібні спроби, залишається відкритим. Доведено, що у 99 відсотках випадків є ризик уроджених каліцтв – отже, такі досліди над людиною неприпустимі.

Однак, нові генетичні технології на основі трансгенезу та клонування відіграють найважливішу роль у створенні високопродуктивних сортів рослин та порід тварин. При цьому на перший план виходять проблеми як генетичної безпеки, так і морально-правові.

У Росії її всі дослідження з клонування проводяться лише з тварин. Шалені дискусії ведуться в усьому світі - у тому числі і в Росії - навколо іншого породження сучасної науки: генетично модифікованих продуктів.

2. Чи безпечна генна модифікація?

Творці генетично змінених продуктів стверджують, що вони є абсолютно безпечними. Прихильники їхнього широкого використання впевнені, що багаторічні дослідження довели нешкідливість такої продукції. Противники переконані у протилежному.

Досі не доведено, що ці продукти є безпечними для людини. Багато видів генетично модифікованих продуктів забороняються використовувати на останніх стадіях експерименту як сильні алергени.

Чи мають рацію скептики, які стверджують, що трансгенні продукти небезпечні? А може, вони стануть нашою їжею у 21 столітті?

Близько 30 років тому було зроблено перші досліди з генетичної модифікації рослин. Наприклад, можна взяти один ген від однієї тварини або рослини і вживити його в іншу тварину чи рослину. Таким способом, наприклад, можна отримати картоплю, стійку до пестицидів.

Генетично модифіковані продукти не тільки створені, але їх активно вживають.

У традиційній селекції відбувається схрещування усередині одного виду. Навіть помідор був покращений селекцією. Однак, при селекції відбувається обмін між особинами одного виду. А генна інженерія дозволяє скласти нову ДНК та маніпулювати нею. Наприклад, якщо ген світлячка вставити в ДНК тютюну, то квітка тютюну починає світитися, якщо потребує поливу. Селекційними методами цього неможливо досягти!

Протестувальники найбільше звертають увагу на негативні процеси цієї методики. Але ж ніхто не сперечається з тим, що генетично модифіковані продукти потребує тестування!

Захисники індустрії біотехнологій стверджують, що це процеси, що стосуються генно-модифікованих продуктів, перебувають під жорстким контролем.

Проводиться аналіз звичайної та трансгенної рослини. Вчені повинні довести інспекторам, що харчові продукти не відрізняються якістю.

Перевірка продукту проходить такі етапи:

1. Порівняння структури та хімічного складу звичайної та траснсгенної рослини.

2. Потрібні докази того, що вживання нового продукту не шкодить здоров'ю людини.

Трансгенна соя (має стійкість до гербіцидів) входить у продукти, які ми вживаємо в їжу останні роки.

Чи токсичний новий білок? Декілька років проводили тестування білка на токсичність. Годували мишей дозами у 1000 разів, що перевищують дози, які споживає людина. Вчені стверджують, що нічого шкідливого для організму людини не було виявлено.

Як нові білки перетравлюються? Білки, створені штучно занурюють у розчин, який має середовище подібне до складу з кишечником. Чим швидше перетравлюється продукт, тим краще.

Експерименти показали, новий білок не є алергеном. Є інші способи перевірити створений білок. Якщо він не проходить перевірку, його знищують. Проте білок трансгенної сої успішно витримав випробування! Було проведено 1800 аналізів, які показали, що із соєвими бобами все гаразд.

Система тестів працює. Потрібно тільки дотримуватися методики, вважають вчені.

Але скептики вважають, що наука знає ще замало, щоб стверджувати, що “все під контролем”. Живі організми настільки складні, що передбачити їхню поведінку практично неможливо.

Проте традиційні методи селекції не завжди безпечні. Навпаки, у генній інженерії точно відомі шляхи застосування гена. Знову ж таки, скептики впевнені, що генна інженерія, що використовує нові методи, ризикує завдати непоправної шкоди природі. Їх противники, кажуть, як і селекція небезпечна, т.к. вона має справу не з одним, а з кількома генами! А тому результат селекції ще більш непередбачуваний!

Найстрашніше, те, що років 30 тому експериментували з генами, не розуміючи, що роблять!

Опір генно-модифікованої продукції в Європі сильніший, ніж будь-де ще у світі. Останнім часом використання трансгенних товарів дуже утруднено: в Англії таких товарів було впроваджено близько 2000, а тепер залишилося менше 100!

3. Приклади генної модифікації

Громадські організації у Європі закликають знищувати трансгенні рослини. Дивні рослини отримують, імплантуючи в них гени тварин. Екологи проти цих технологій, громадськість зарозуміло і зневажливо ставиться до генетично модифікованих продуктів.

3.1 Збільшення качани кукурудзи

У Мексиці – бідні ґрунти, а тому дуже погані врожаї кукурудзи. Вченим поставлено завдання щодо збільшення розміру качани кукурудзи. В результаті проведених досліджень, вживили в кукурудзу ген, який нейтралізує солі алюмінію та розчиняє фосфати, це дозволило рослині повноцінно розвиватися на пропонованих ґрунтах.

Урожай обіцяв бути вдвічі більшим, але уряд під тиском екологічних організацій заборонив займатися цими дослідженнями. Екологи ігнорують результати експерименту. Противники генної інженерії вважають, що такі досліди завдають шкоди екології, небезпечні для здоров'я та зрештою призводять до екологічної катастрофи. Адже ніхто не дасть гарантії, що ці методики не призведуть до появи нових комах та бур'янів!

3.2 Захист бавовнику

Університет Арізони. Вчені працюють над збільшенням урожайності бавовни. Рослина страждає від нашестя рожевого коробчатого хробака. Якщо населення шкідника велика, то врожаї бавовни швидко падають!

Потрібно впровадити в бавовник такий ген, який вбиватиме коробчатого хробака. Останні 40 років знищення комах застосовували обприскування рослин хімікатами. Страждали і люди, і тварини. Спробували вживити в бавовну ген бактерії. У листі рослини з'явився білок, який отруйний для хробака. Отже, необхідність захисту рослини хімікатами відпадає!

В результаті отримали сотні гектарів отруйних рослин, які самі захищаються від шкідливих комах. Знову ж таки, мине час, і шкідники звикнуть, вироблять імунітет!

Але не тільки жуки - шкідники вселяють побоювання! Екологи бояться, що з'являться особливо стійкі бур'яни, і, отже, не буде порятунку від бур'янів стійких до хімікатів. Адже бджоли можуть рознести пилок на кілька кілометрів і ці рослини заповнять всю округу. Однак є дані, що на відстані 15 м запилення вже не відбувається. Але якщо навіть пилок модифікованої рослини подолає відстань, вона повинна схреститися зі своїм виглядом. Надживучість зберегти не так просто.

3.3 Рис із вітаміном “А”

Азії. 100 млн. дітей не отримують вітаміну “А”, який необхідний для повноцінного зору. Справа в тому, що основна їжа найбідніших верств населення – рис. Діти сліпнуть від нестачі вітаміну "А"!

Шляхетне завдання - виростити рис одразу з вітаміном “А” та засіяти їм поля у відсталих країнах. Як це можливо? Нарцис – отруйна рослина. З нього необхідно взяти 2 гени і впровадити в рис, який у такому разі міститиме вітамін “А”!

4. Жахи генної модифікації

Ген людської печінки додають у рис! Вчені почали додавати людські гени до рису у спробі підняти генно-модифіковані продукти на новий рівень.

Дослідники ввели в рис ген, отриманий з печінки людини, що виробляє ензим, сприяє розпаду шкідливих хімічних елементів в організмі людини. Вони сподіваються, що ензим – CYP2B6 – зробить те саме з гербіцидами та забруднюючими речовинами, будучи змішаним з рисом.

Однак противники генно-модифікованих продуктів кажуть, що використання людських генів відлякає споживачів, яким нехтує ідея канібалізму і того, що вчені беруть на себе функції бога. Сью Майєр із британської організації GeneWatch каже: "Я не думаю, що хтось захоче купити цей рис". "Люди вже висловили свою огиду щодо використання людських генів та занепокоєння у зв'язку з відчуттям, що індустрія біотехнологій не прислухається до них. Це ще більше похитне їхню впевненість".

Зазвичай, при генній модифікації зернових культур використовуються гени, отримані з бактерій. Вони стійкі лише до одного виду гербіцидів, що означає, що фермери можуть обробляти свої поля як завгодно часто для боротьби зі шкідниками, але лише одним видом хімікатів. Мета додавання до рису людського гена – створити рослину, стійку до кількох видів гербіцидів.

Дослідники в Національному інституті агробіологічних наук у Цукубі в Японії виявили, що новий вид рису може бути стійким до 14 різних видів гербіцидів. Професор Річард Мейлан, який проводив подібні дослідження в Інституті Пердью в Індіані, каже, що такий рис можна вирощувати на ґрунті, просоченому промисловими забрудненнями. Він застосовував у своїх дослідженнях гени кроликів, але каже, що не бачить причин, через які не можна використовувати людські гени. Він каже, що розмови про "харч Франкенштейна" – це нісенітниця, і додає: "Я не думаю, що етичні міркування мають якесь відношення до використання людських генів у генній інженерії при вирощуванні продуктів".

Виробництво рису в усьому світі падає, і йде гонка у пошуках шляхів підвищення зборів рису, а також нових різновидів рису, стійких до вірусів, з низьким вмістом алергенів та білка.

Однак в Інституті Науки у суспільстві противників генної модифікації кажуть, що ензим CYP2B6 може вдарити по людині, призвівши до створення нових вірусів чи різновидів раку.

Вони додають: "Прихильники генної модифікації та країни, які є основними виробниками рису, досліджують і просувають генно-модифікований рис, абсолютно не замислюючись про безпеку та довготривалу перспективу".

Висновок

Скептики впевнені, що генні технології вирішать соціальні проблеми. Мрії про рівний розподіл продуктів харчування по всьому світу - утопія.

Опір генно-модифікованої продукції в Європі сильніший, ніж будь-де ще у світі. Творці генетично змінених продуктів стверджують, що вони є абсолютно безпечними. У свою чергу, противники генної модифікації вважають її "скринею Пандори" з непередбачуваними наслідками.

Очевидно, що в найближчі десятиліття генетика ще піднесе людству чимало сюрпризів, породить безліч сенсацій - уявних і реальних, навколо неї вируватимуть суперечки і навіть скандали. Суспільство легко чує тих людей, які бояться всього нового, але небезпека від мобільних телефонів не менша!

Головне, щоб вся ця метушня не надто заважала серйозній роботі вчених на одному з найцікавіших та найперспективніших наукових напрямів.

Термінологічний словник

Генна інженерія- практика цілеспрямованої зміни генетичних програм статевих клітин з метою надання вихідним формам організмів нових властивостей або створення нових форм організмів. Основний метод генної інженерії полягає у вилученні з клітин організму гена або групи генів, поєднання їх з певними молекулами нуклеїнових кислот та впровадження отриманих гібридних молекул у клітини іншого організму.

Біологічний захист- у генній інженерії - створення та використання безпечної для людини та об'єктів довкілля комбінації біологічного матеріалу, властивості якого виключають небажане виживання генно-інженерно-модифікованих організмів у навколишньому середовищі та/або передачу їм генетичної інформації

Біотехнологія Biotechnology- у широкому значенні - прикордонна між біологією та технікою наукова дисципліна та сфера практики, що вивчає шляхи та методи зміни навколишньої людини природного середовища відповідно до її потреб.

Біотехнологія- у вузькому значенні - сукупність методів та прийомів отримання корисних для людини продуктів та явищ за допомогою біологічних агентів. До складу біотехнології входять генна, клітинна та екологічна інженерії.

Випуск генно-інженерно-модифікованих організмів у довкілля- дія або бездіяльність, внаслідок яких відбулося внесення генно-інженерно-модифікованих організмів до навколишнього середовища.

Генно-інженерна діяльність- діяльність, що здійснюється з використанням методів генної інженерії та генно-інженерно-модифікованих організмів.

Генно-інженерно-модифікований організм- організм або кілька організмів, будь-яка неклітинна, одноклітинна або багатоклітинна освіта: - здатна до відтворення або передачі спадкового генетичного матеріалу; - відмінне від природних організмів; - отримане із застосуванням методів генної інженерії; та - містить генноінженерний матеріал.

Генодіагностика- у генній інженерії - сукупність методів виявлення змін у структурі геному.

Замкнута система- у генній інженерії- система здійснення генно-інженерної діяльності, при якій генетичні модифікації вносяться в організм або генно-інженерно-модифіковані організми, обробляються, культивуються, зберігаються, використовуються, піддаються транспортуванню, знищенню або похованню в умовах існування фізичних, хімічних та біологічних бар'єрів або їх комбінацій, що запобігають контакту генно-інженерно-модифікованих організмів з населенням та навколишнім середовищем.

Відкрита система- у генній інженерії- система здійснення генно-інженерної діяльності, що передбачає контакт генно-інженерно-модифікованих організмів з населенням та навколишнім середовищем за їх навмисного випуску в навколишнє середовище, застосування в медичних цілях, при експорті та імпорті, при передачі технологій.

Трансгенні організми- Тварини, рослини, мікроорганізми, віруси, генетична програма яких змінена з використанням методів генної інженерії.

Фізичний захист- у генній інженерії- створення та використання спеціальних технічних засобів та прийомів, що запобігають випуску генно-інженерно-модифікованих організмів у навколишнє середовище та/або передачу їм генетичної інформації.

Література

1.Маніатіс Т., Методи генетичної інженерії, М., 1984;

2. Генна інженерія Джерело #"#">#"#">Рубрикон

Генно-інженерно-модифікований організм - організм або кілька організмів, будь-яка неклітинна, одноклітинна або багатоклітинна освіта: - здатна до відтворення або передачі спадкового генетичного матеріалу; - відмінне від природних організмів; - отримане із застосуванням методів генної інженерії; та - містить генно-інженерний матеріал.

Фаги, те саме, що бактеріофаги. …фаг (від грец. Phagos – пожирач) частина складних слів, відповідна за значенням слів ”поїдає”, ”поглинаючий” (наприклад, бактеріофаг).

Біотехнологія-сукупність методів і прийомів отримання корисних для людини продуктів і явищ за допомогою біологічних агентів. До складу біотехнології входять генна, клітинна та екологічна інженерії.

Генетики вивели соєві боби, що запобігають втраті волосся. У Японії виведено генетично змінений сорт соєвих бобів, які стимулюють зростання волосся і запобігають їх втраті від хіміотерапії. Якщо підтвердиться безпека нового продукту, то щоб врятуватися від облисіння, потрібно буде просто періодично їсти ці боби, повідомив у середу голова дослідницької групи Університету Кіото професор Массакі Йосікава. Чудодійну властивість зерновій культурі надав генетично впроваджений компонент (новокінін), що має протигіпертонічним ефектом. Він був отриманий із амінокислотного складу яєчного білка. За словами вчених, цей компонент сприяє зростанню волосся тим, що розширює судини та нормалізує циркуляцію крові. Ефективність бобів підтверджена в ході експериментів над мишами, яких поголили, а потім годували модифікованими бобами з розрахунку тисячна міліграма протигіпертонічної речовини на грам маси тіла. Як повідомляється, відновлення вовняного покриву йшло прискореними темпами, а після збільшення дози миші переставали втрачати шерсть навіть унаслідок хіміотерапії. Фахівці кажуть, що їх боби також можна використовувати як звичайні ліки від високого тиску. 13 Квітня 2005

Генетична модифікація ( ГМ) - Зміна геному живого організму з використанням технології генної інженерії, шляхом впровадження одного або декількох генів взятих в одного організму-донора іншому. Після такого впровадження (перенесення) отримана рослина вже називатиметься генетично модифікованою, або ж трансгенною. На відміну від традиційної селекції вихідний геном рослини при цьому майже не торкається і рослина отримує нові ознаки, якими саме вона раніше не мала. До таких ознак (характеристик, властивостей) можна віднести: стійкість до різних факторів навколишнього середовища (до морозу, посухи, вологи тощо) до хвороб, до комах-шкідників, покращені ростові властивості, стійкість до гербіцидів, пестицидів. Зрештою, вчені можуть змінювати харчові властивості рослин: смак, аромат, калорійність, час зберігання. Використовуючи генну інженерію можна підвищити врожайність, що дуже важливо, враховуючи, що світове населення з кожним роком зростає і збільшується кількість голодуючих у країнах.

За традиційної селекції новий сорт можна отримати лише в межах одного виду. Наприклад, вивести зовсім новий різновид рису можна шляхом схрещування різних сортів рису між собою. При цьому виходить гібридна комбінація, з якої потім селекціонер відбирає тільки форми, що його цікавлять.

Так як гібридизація здійснюється між окремими рослинами, практично неможливо вивести сорт, який би володів характеристиками, що нас цікавлять, які будуть успадковуватися наступними поколіннями. Для вирішення подібного завдання потрібно досить багато часу. Якщо потрібно вивести новий сорт пшениці і щоб цей сорт набув деяких ознак рису, то традиційна селекція тут безсила. На допомогу прийшла, при її використанні можна піддослідній рослині перенести певні характеристики (властивості) і все це здійснюватиметься на рівні ДНК, окремих генів Подібним способом, наприклад, можна перенести пшеницю генморозостійкості.

Метод генетичної модифікації дозволяє принаймні теоретично ізолювати окремі гени, які відповідальні за певні властивості живих організмом і прищеплювати їх зовсім іншим організмам, суттєво скорочуючи при цьому термін створення нового виду. Саме тому багато селекціонерів та науковців у всьому світі використовують цю технологію при виведенні нових сортів. В даний час вже виведені стійкі до пестицидів (гербіцидів), комах-шкідників та хвороб деякі комерційні сорти сільськогосподарських культур. А також, отримані сорти з покращеними смаковими якостями, стійкі до посухи та морозу.

Полімерія - взаємодія неалельних множинних генів, що односпрямовано впливають на розвиток однієї й тієї ж ознаки; ступінь прояву ознаки залежить кількості генів. Полімерні гени позначаються однаковими літерами, а алелі одного локусу мають однаковий нижній індекс.

Полімерна взаємодія неалельних генів може бути кумулятивною та некумулятивною. При кумулятивній (накопичувальній) полімерії ступінь прояву ознаки залежить від сумарної дії кількох генів. Чим більше домінантних алелів генів, тим сильніше виражений той чи інший ознака. Розщеплення F2 за фенотипом при дигібридному схрещуванні відбувається у співвідношенні 1:4:6:4:1, а в цілому відповідає третій, п'ятій (при дигібридному схрещуванні), сьомий (при тригібридному схрещуванні) і т.п. рядкам у трикутнику Паскаля.

При некумулятивної полімерії ознака проявляється за наявності хоча б однієї з домінантних алелей полімерних генів. Кількість домінантних алелів впливає ступінь вираженості ознаки. Розщеплення F2 по фенотипу при дигібридному схрещуванні - 15:1.

Приклад полімерії – успадкування кольору шкіри у людей, який залежить (у першому наближенні) від чотирьох генів із кумулятивним ефектом.

Ген-модифікатор

Ген, який не має власного виразу у фенотипі, але має посилюючий або послаблюючий вплив на експресію ін. генів (відповідно, ген-інтенсифікатор та ген-інгібітор ); іноді поняття "ген-модифікатор" розуміється ширше - будь-який ген, який надає якийсь вплив на ступінь експресії ін. (неалельного) гена, тоді ген-модифікатор, що впливає на фенотип тільки в присутності основного гена (через нього), називають специфічним геном - Модифікатором.

20. Хромосомна теорія та історія її створення.

21. Механізми наслідування статі. Вплив факторів внутрішнього та зовнішнього середовища на розвиток ознак статі.

22. Спадкування ознак зчеплених із підлогою.

У всіх двостатевих організмів є два типи хромосом. Перший тип – аутосоми (нестатеві хромосоми). Вони однакові в організмів жіночої та чоловічої статі. Другий тип - статеві хромосоми, за ними є відмінності організмів по статі: у жіночих особин 2 однакові хромосоми XX, у чоловічих XY. Такий тип статі називається гомогаметним. Характерний для ссавців, риб, комах. Другий тип статі – гетерогаметний, самки XY, самці XX. Статеві хромосоми розрізняються за своїми розмірами. У більшості організмів у X – хромосомі перебуває багато генів, у Y – хромосомі локалізовані поодинокі гени. Тільки у риб Y - хромосома щодо багатшими генами. Якщо гени локалізовані в X – хромосомі, а Y – хромосома генетично інтерну, такий тип успадкування ознак називається успадкуванням, зчепленим зі статтю. Якщо гени представлені лише у одній хромосомі, а друга генетично інтерну, такі організми називаються генізиготними.

23. Зчеплене успадкування та кросинговер

Оскільки більшість організмів є багато (кілька тисяч) генів, а хромосом - обмежене число, то одній хромосомі розташовується одночасно кілька генів. Гени, що входять до складу однієї хромосоми, називаються зчепленими та утворюють групу зчеплення. Наслідуються вони як єдине ціле, тому що це визначається поведінкою хромосоми в мейозі. У разі розщеплення за зчепленими ознаками не підпорядковується закону незалежного наслідування. Якщо гени розташовані близько один до одного, то вони завжди зберігаються у вихідних поєднаннях.

Наприклад, АВ/аb х аb/аb -> 1 Аb/аb: 1 аb/аb.

Це випадок так званого повного зчеплення, яке спостерігається нечасто. Набагато поширенішими є ситуації, коли гени розташовуються на деякому віддаленні один від одного. У такому разі часткового зчеплення вони можуть розділятися в результаті процесу, що називається кросинговером. Це ще один вид генетичної рекомбінації. Кросинговер здійснюється в профазі першого мейотичного поділу в момент кон'югації хромосом. Саме тоді хроматиди гомологічних хромосом обмінюються фрагментами спадкового матеріалу, у результаті з'являються нові комбінації генів.

Наприклад, АВ/аb х аb/аb → АВ/аb: аb/аb: Аb/аb: аВ

Чисельність рекомбінантних (або кросоверних) класів завжди менша, ніж нерекомбінантних, і співвідношення двох класів усередині кожної групи завжди дорівнює 1:1. Величина кросинговера, що обчислюється як відсоткове ставлення рекомбінантів до загальної чисельності потомства, є показником відстані між генами і використовується для картування хромосом - розташування генів на карті хромосоми в строго визначеному порядку та фіксованих відстанях. Ці відстані мають властивість адитивності, яка полягає в наступному. Якщо є три гени, які розташовані в порядку А-В-С, то АС = АВ + ВС. Така адитивність однозначно свідчить про лінійність розташування генів у хромосомах.

Якщо розглядається кросинговер між великим числом генів, то виходить картина набагато складніша - окремі акти кросинговеру взаємодіють один з одним. Такий взаємний вплив актів кросинговеру називається інтерференцією.