Сегодняшний день генной инженерии

Елена Рябчук

Английский экономист Томас Мальтус (1766-1834) в вышедшем в конце XVIII в. «Очерке принципов народонаселения» выдвинул идею «естественного закона народонаселения». Исходя из тезиса о том, что численность населения в мире растет быстрее, чем производство пищи, необходимой для его существования, Мальтус пришел к выводу, что для человечества неизбежно наступит продовольственный кризис. Однако за последние 200 лет предсказанный Мальтусом глобальный кризис не наступил. И хотя в развивающихся странах все еще существует постоянное недоедание, человек сегодня питается лучше, чем когда-либо ранее.

Тем не менее, неоспорим тот факт, что население Земли постоянно увеличивается, и хотелось бы быть уверенным в возможности его прокормить. До сих пор эта проблема решалась либо путем расширения возделываемых земель, либо дальнейшей интенсификацией производства на уже обрабатываемых площадях, либо сочетанием обоих этих путей. К началу XX в. наступил такой момент, когда почти все наиболее подходящие для сельского хозяйства земли в мире оказались включенными в производство, а освоение оставшихся потенциально пригодных земель стоит слишком дорого и может нанести значительный ущерб окружающей среде. Интенсификация производства путем роста использования удобрений также выявила свои ограничения, поскольку первоначальное увеличение урожаев через некоторое время прекращается согласно закону убывающего плодородия почвы, и дальнейшее повышение доз удобрений не дает соответственной прибавки урожая. Потребовалось искать новые пути, сочетающие уже существующие и нетрадиционные методы, к которым следует отнести внедрение новых сортов сельскохозяйственных культур, новых пород сельскохозяйственных животных и новых видов пищи.

Законы наследственности, открытые австрийским естествоиспытателем Грегором Менделем (1822-1884), сделали возможным возникновение науки о наследственности — генетики. С ее помощью разрабатываются и внедряются методы создания сортов и гибридов сельскохозяйственных растений и пород животных с нужными человеку признаками. Пользуясь методами селекции, включающими в себя отбор, гибридизацию и мутагенез, исследователи научились выводить более урожайные, зимостойкие, засухоустойчивые сорта растений и более плодовитые и продуктивные породы животных. В этой области был накоплен большой исследовательский материал, который позволил генетике выйти на новый уровень знаний. Специалисты получили возможность все более активно вмешиваться в генную структуру живого организма и изменять ее. Появилась генная инженерия. Подстегиваемая ростом практических потребностей, она стала решать проблему дефицита продовольствия в мире. Так были созданы трансгенные продукты.

Что же происходит при их создании? В отличие от традиционных методов селекции, когда происходит скрещивание разнородных в наследственном отношении организмов и отбор полученного потомства по принципу наличия у полученных особей заранее заданных признаков, генная инженерия вмешивается непосредственно в структуру ДНК. При гибридизации и селекционном отборе могут быть скрещены как особи одного и того же вида, но различных подвидов, сортов, пород или линий (внутривидовая гибридизация), так и особи различных видов (отдаленная гибридизация). Но в любом случае должно быть получено здоровое потомство, способное к размножению. На протяжении нескольких поколений проводится наблюдение за полученным новым видом, исследуется устойчивость приобретенных признаков и выявляются возможные побочные свойства, приобретенные организмом в процессе скрещивания. При селекции организм осуществляет жизненный цикл в реальном масштабе времени. Генная инженерия ускоряет период разработки нового вида во много раз, поскольку она вмешивается в процессы, непосредственно происходящие в клетках организма.

Ген — это единица наследственного материала, отвечающая за формирование какого-либо элементарного признака в организме. Каждый ген ответствен за синтез определенного белка и наделяет организм каким-либо свойством, как, например, запах, форма или цвет определенного органа. Эта информация хранится в небольшом участке молекулы ДНК. Последовательность генов строго определена и образует так называемый генетический код организма. Он представляет собой единую систему «записи&eaquo; наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот через последовательность нуклеотидов.

Совокупность всех генов организма образует его генетическую конституцию — генотип. Наследственные свойства организма представляют собой систему, в которой любой ген может находиться в сложном взаимодействии с остальными генами.

В начале 70-х гг. XX в. ученым удалось извлечь ген из клетки одного организма, соединить его со специальными молекулами ДНК, способными проникать в клетки другого организма и размножаться в них. В результате клетки другого организма наделялись новым признаком. Изменялся генетический код и геном организма в целом. Организм приобретал заранее заданное новое свойство с помощью перенесенного, то есть транспортированного гена. Такой организм стали называть трансгенным.

Возможности генной инженерии простираются так широко, что она может транспортировать ген не только из одного растения в другое растение, но и из организма животного в организм растения, или переносить человеческий ген в организм животного.

В 1982 г. создали первое генетически измененное растение. Это был табак.

Первые трансгенные культуры, используемые для производства продуктов питания, появились на американском рынке в начале 90-х гг. XX в. и быстро завоевали популярность у сельхозпроизводителей.

По данным на конец 2004 г., генетически модифицированные сорта овощей и культурных растений во всем мире занимают посевные площади около 58 млн. га. В США и Канаде выращивается 64 вида трансгенных культур. Сюда входят соя, кукуруза, картофель, помидоры, лен, зерновые растения, кормовые культуры и др.

В США проводятся эксперименты по созданию новых пород деревьев, однако, по данным на август 2003 г., было разрешено коммерческое возделывание лишь для папайи (дынного дерева). В подобных исследованиях специалисты вводят в деревья генетический материал вирусов и бактерий для того, чтобы ускорить их рост и увеличить количество древесины.

Интересы исследователей могут быть направлены и на другие цели. Например, с помощью бактерий, нуждающихся в ртути, создаются деревья, очищающие почву. Созданы даже деревья, позволяющие снизить количество токсичных химикатов, необходимых для переработки древесины в бумагу. А исследователям из университета Колорадо было выделено 500 тыс. долл. от Военного ведомства США для разработки новых пород деревьев, изменяющих цвет при контакте с бактериологическим и химическим оружием.

Применение методов генной инженерии позволяет увеличить продуктивность сельскохозяйственных животных. В этой области намечаются два пути: использование генно-модифицированных кормов и непосредственное вмешательство в генотип животных. Например, в Гонконге с применением методов генной инженерии выведена новая порода кур, отличающихся очень крупными размерами и быстрым ростом. Транспортированный фрагмент ДНК был взят у китайских кур редкой разновидности.

Для облегчения борьбы с сельскохозяйственными вредителями также пользуются трансгенезом. В 2000 г. в Великобритании был создан новый вид мух, которые способны уничтожать мух-вредителей. Мужские особи мух нового вида обладают мутантными генами, смертельными для женских особей. Если выпустить таких мух на свободу, то женские особи мух-вредителей будут инфицированы и уничтожены.

Возможности генной инженерии все шире применяются и для борьбы с человеческими болезнями, для создания новых лекарств и даже для замены человеческих органов. В ходе экспериментов со стволовыми клетками человека американским ученым удалось получить овцу, печень которой на 80% состоит из клеток человека. Дальнейшее развитие этого направления поможет получить орган, практически идентичный человеческому, и использовать его или его клетки для пересадки больному человеку.

В Великобритании в генотип другой овцы также были вживлены человеческие гены для того, чтобы получить модифицированное овечье молоко, богатое особым белком, который мог бы помочь в лечении некоторых заболеваний. С помощью трансгенеза была выведена свинья с человеческой кровью в венах. Это дает возможность исследовать новые способы лечения болезней крови. Приблизительно таким же путем была выведена мышь с иммунной системой, практически идентичной человеческой, что позволяет проверить действие некоторых препаратов, влияющих на иммунную систему человека. Все эти организмы, состоящие из генетически разнородных тканей, были названы химерами.

И создание новых методов лечения человека, и разработка новых культур растений, употребляемых в пищу, и выведение новых пород животных требует детального исследования свойств, приобретаемых модифицированным организмом. Необходимо выявить не только реальную опасность, возможно уже существующую, но и потенциальную, которая может проявиться лишь через некоторое время.

Поскольку эволюция всего живого на Земле представляет собой цепь мутаций генов в организмах, очень важно убедиться, что встроенный ген не будет мутировать в нежелательную для человека сторону, не даст развиться в организме таким свойствам, которые могут нанести вред нынешнему и последующим поколениям.

В конце 2004 г. ученые из Лондонского Imperial College пришли к выводу, что организм человека следует рассматривать как собрание собственно человеческих клеток и клеток, принадлежащих бактериальным, грибковым и вирусным формам жизни, присутствующим в теле человека. Такие клетки необходимы для протекания в организме человека жизненно важных процессов. Причем, собственно человеческих клеток насчитывается несколько триллионов, тогда как клеток бактерий — более 100 триллионов, то есть человеческий геном в этом конгломерате не является преобладающим. Проблема нормального функционирования человеческой бактериальной флоры приобретает особую важность с точки зрения сохранения генотипа человека. А здесь не все обстоит просто.

Английский научный журнал «Lancet» сообщает, что в бактериальной микрофлоре человека обнаружены следы генно-модифицированных структур. Микроорганизмы также приобретают гены устойчивости к антибиотикам, которые применяются в качестве маркеров при трансгенезе. Это может привести в дальнейшем к тому, что некоторые широко применяемые лекарственные средства перестанут действовать на человека нужным образом и возникнет проблема трудности излечения заболеваний, ранее считавшихся легко излечимыми.

Известно также, что некоторые генно-модифицированные продукты могут вызывать нарушения в работе внутренних органов животных, которых кормят такой пищей длительное время. Трансгенные продукты иногда могут вызывать аллергию у человека. Все эти факты требуют разработки надежной системы медико-биологической проверки модифицированных продуктов питания на пищевую безопасность.

Кроме непосредственного влияния на человеческий организм трансгенный продукт должен быть проверен на экологическую безопасность. Когда генно-модифицированная культура, выйдя из стен лаборатории, начинает проживать свой жизненный цикл в реальном масштабе времени, она так или иначе взаимодействует с естественно существующими культурами. Появляется вероятность неконтролируемого попадания модифицированного генетического материала в окружающую среду. Переток генов может происходить через пыльцу растений. Пыльца трансгенных культур, разносимая ветром, может опылять и культурные, и дикорастущие растения, создавая новые виды сорняков, особенно плодовитых и устойчивых к вредителям и болезням. Обнаружено также, что гены модифицированных культур могут попадать к их диким родственникам и через семена, разносимые человеком посредством сельскохозяйственной техники.

С 1999 г. по 2003 г. в Великобритании проводилось исследование влияния на биосферу генно-модифицированных культур рапса, свеклы и кукурузы. Изучалось влияние этих культур на дикие растения и беспозвоночных животных. Из всех трех культур лишь влияние модифицированной кукурузы было признано благотворным на полевые экосистемы.

Все эти факты говорят о том, что для надежного разностороннего исследования влияния трансгенных культур на человека и экосистему Земли в целом может потребоваться гораздо больше времени, чем было уделено этому вопросу до сих пор.

Тщательная отработка методов генной инженерии в будущем, несомненно, позволит избавиться от «технологического загрязнения», которым можно считать частицы ДНК, следы веществ-маркеров или каких-то других веществ, попадающих в новый организм. Очистить новый организм от такого мусора, даже если он обнаружен, на сегодняшний день трудно, поэтому биотехнологи вынуждены мириться с его присутствием. При дальнейшем развитии этой отрасли, несомненно, будут найдены возможности и способы удалить из нового организма все ненужное, что попадает туда при трансгенезе. И тогда генная инженерия, помимо решения продовольственной проблемы, откроет человечеству еще одну свою возможность: станет реальностью развитие синтетической биологии. Биологические объекты человек сможет создавать искусственно.

В 2004 г. появилось сообщение о том, что Билл Гейтс выделил 42.5 млн. долл. на финансирование исследований по созданию искусственных микроорганизмов. Часть этих средств будет потрачена на разработку очень важного для населения многих стран антималярийного лекарства артемизина. Его теперь будут получать новым способом. Методами генной инженерии создан штамм микробов, которые могут производить соединения, используемые для создания артемизина. Кроме самого этого препарата, производимые соединения могут послужить основой для создания новых типов лекарств.

Искусственные микроорганизмы могут производить и разлагать сложные молекулы. С помощью генетически модифицированных микробов предлагается создавать горючее, соединения, используемые в электронике, а также применять их для очистки объектов, зараженных ядами.

Как это ни покажется фантастичным, методы генной инженерии предложено использовать для освоения новых планет. Ученые выдвинули идею о создании бактерий, которые будут перерабатывать грунт планеты, выделяя в процессе жизнедеятельности углекислый газ. Если такие бактерии поселить, например, в грунт Марса или Венеры, то со временем климат на этих планетах может стать более влажным и пригодным для обитания.

В декабре 2004 г. появилось сообщение о том, что в университете Рокфеллера создана синтетическая клетка, способная к работе с настоящими генами. Хотя такая клетка и выполняет функции живой клетки, но она не может самостоятельно поддерживать свое существование и размножаться. Такие искусственно созданные клетки стали называть биореакторами. Отдельные элементы биореактора были взяты от живых организмов (кишечная палочка, жиры яичного белка, некоторые вирусы). Внедренный в клетку ген флуоресцентного белка медузы был расшифрован и белок начал синтезироваться. Таким образом было доказано, что искусственно сконструированное образование может выполнять функции живого объекта.

До создания полноценной искусственной жизни дело пока не дошло, но модификация уже существующих организмов проводится очень активно. Тенденции развития этой отрасли таковы, что у трансгенных организмов все большее количество свойств, ненужных или вредных для человека, устраняется или заменяется полезными. Уже разработан и выращен табак без никотина, создана культура газонной травы с пониженным содержанием аллергенов, предложена идея выращивания кофейного дерева без кофеина.

Методы генной инженерии находятся в самом начале своего развития. И это начало кажется многообещающим.

Прокомментировать этот материал мы попросили ректора Московской государственной академии ветеринарной медицины и биотехнологии им. К.И. Скрябина, доктора биологических наук, профессора, академика РАСХН Евгения Сергеевича ВОРОНИНА.

— Любое открытие проходит три стадии. На первой стадии все говорят, что «этого не может быть, потому что этого не может быть никогда». На второй стадии начинает складываться мнение о том, что «здесь что-то рациональное имеется». А на третьей стадии оказывается, что «мы все это всегда знали».

Вспомним позапрошлый век. Английский врач Эдуард Дженнер в XVIII в. изобретает противооспенную вакцину, которая была изготовлена на основе вируса коровьей оспы. Даже само слово «вакцина», ныне широко употребляемое, происходит от латинского слова «корова». Сейчас об этом практически никто не вспоминает, как не вспоминает и о том, что противники оспопрививания полагали, что, привив вирус коровьей оспы, человечество превратится в телят. На самом деле этого не произошло. Мы лишь победили оспу.

Сегодня мы получаем ряд живых вакцин: против кори, паротита, краснухи, полиомиелита, изготовленных на перепелиных клетках. Но человек не стал летать. Он лишь нашел способ защитить новорожденного ребенка или беременную женщину от страшных инфекций.

Примерно ту же тенденцию я вижу в развитии генной инженерии, которая является одним из методов более широкой области науки — биотехнологии. Да, сегодня у нас пока нет абсолютно полных данных для подтверждения или отрицания каких-либо предположительных воздействий или влияний на человека новых видов продуктов или лекарств, полученных с применением трансгенеза. На это требуется время. Эта работа проводится постоянно. И чем дольше мы ею занимаемся, тем более широкие перспективы открываются нам во многих областях.

Возьмем, например, борьбу с диабетом. Это тяжелое заболевание. Для его лечения необходим препарат инсулин. До сих пор мы вводили бычий инсулин в организм человека. Теперь найден другой способ. В генную структуру кишечной палочки вшивается человеческий ген, отвечающий за выработку инсулина. И бактерия вместо интерферона начинает вырабатывать инсулин, который гораздо лучше и чище, чем бычий. Такой генно-инженерный инсулин уже применяется.

С помощью методов биотехнологии мы ищем способы решить проблемы трансплантологии. Здесь тоже наработан большой научный опыт. Сначала пересаживали органы от животных человеку. Эти органы отторгались. Затем стали пересаживать больному человеку органы от человека-донора. И тоже постоянно существовала угроза отторжения органа, которую старались снизить, снижая общий иммунитет человека. В результате больной умирал от банальной инфекции. Позднее нашли возможность снять риск отторжения с помощью человека, который был живым банком органов для конкретного новорожденного. С этим человеком заключали договор на донорство парного органа. Ему создавали хорошие условия жизни, его берегли, но в случае несчастья с ребенком, донор должен был отдать один из своих парных органов для трансплантации. Даже если не касаться этической стороны этого вопроса, то становится очевидно, что создание персонального донора — очень дорогой метод.

Генетически все люди различны. Двух одинаковых людей нет, как нет и двух генетически одинаковых животных. Нет и не будет, иначе бы мы все погибли, так как внутривидовое скрещивание приводит к очень печальным последствиям. Поэтому самым надежным способом для трансплантологии будет пересадка собственного органа человека, выращенного из его же клеток. Это становится возможным благодаря опытам со стволовыми клетками человека. Но никто не говорит, что это легко сделать.

Развитие науки определяется потребностями общества, и ее прогресс остановить невозможно. Двадцатый век был веком научно-технической революции. На мой взгляд, двадцать первый век будет веком научно-биологической революции.

«Энергия» 2005, № 6. С. 55-59.