Работа по повышению качественных характеристик растениеводческой продукции хорошо иллюстрирует возможности современных ДНК-технологий в решении самых разнообразных задач.
Пища как лекарство
Термином «биотехнология» обозначают совокупность промышленных методов, использующих для производства живые организмы и биологические процессы. Биотехнологические приемы стары как мир — виноделие, хлебопечение, пивоварение, сыроварение основаны на использовании микроорганизмов и тоже относятся к биотехнологиям.
Современная биотехнология базируется на клеточной и генетической инженерии, что дает возможность получать ценные биологически активные вещества — антибиотики, гормоны, ферменты, иммуномодуляторы, синтетические вакцины, аминокислоты, а также пищевые белки, создавать новые сорта растений и породы животных. Основное преимущество применения новых подходов — уменьшение зависимости производства от природных ресурсов, использование экологически и экономически наиболее выгодных способов ведения хозяйства.
Создание генетически модифицированных растений позволяет многократно ускорять процесс селекции культурных сортов, а также получать культуры с такими свойствами, которые не могут быть выведены с использованием традиционных методов. Генетическая модификация сельскохозяйственных культур придает им устойчивость к пестицидам, вредителям, болезням, обеспечивая снижение потерь при выращивании, хранении и улучшении качества продукции.
Что характерно для второго поколения трансгенных культур, производящихся уже сейчас в промышленных объемах? Они обладают более высокими агротехническими характеристиками, то есть большей устойчивостью к вредителям и сорнякам, а следовательно, и более высокой урожайностью.
С точки зрения медицины немаловажные преимущества трансгенных продуктов состоят в том, что удалось, во-первых, значительно снизить остаточное количество пестицидов, благодаря чему появилась реальная возможность уменьшить химическую нагрузку на организм человека в условиях неблагоприятной экологической обстановки. Во-вторых, придать инсектицидные свойства растениям, что ведет к уменьшению их поражения насекомыми, а это многократно снижает пораженность зерновых культур плесневыми грибами. Известно, что они продуцируют микотоксины (в частности, фумонизины — природные контаминанты злаковых культур), токсичные для человека.
Таким образом, ГМ продукты как первого поколения, так и второго оказывают положительное влияние на здоровье людей не только опосредованно — через улучшение состояния окружающей среды, но и прямо — через снижение остаточного количества пестицидов и содержания микотоксинов. Неудивительно, что площади, занятые трансгенными культурами, год от года увеличиваются.
Но сейчас наибольшее внимание будет обращено на создание продуктов третьего поколения, с улучшенной или измененной пищевой ценностью, устойчивых к воздействию климатических факторов, засолению почв, а также имеющих пролонгированный срок хранения и улучшенные вкусовые свойства, характеризующихся отсутствием аллергенов.
Для культур четвертого поколения помимо вышеперечисленных качеств будут характерны изменение архитектуры растений (например, низкорослость), изменение времени цветения и плодоношения, что даст возможность выращивать тропические фрукты в условиях средней полосы, изменение размера, формы и количества плодов, повышение эффективности фотосинтеза, продуцирование пищевых веществ с повышенным уровнем ассимиляции, то есть лучше усваивающихся организмом.
Совершенствование методов генетической модификации, а также углубление знаний о функциях пищи и об обмене веществ в организме человека дадут возможность производить продукты, предназначенные не только для обеспечения полноценного питания, но и для дополнительного укрепления здоровья и профилактики заболеваний.
Растения-биореакторы
Одним из перспективных направлений ДНК-технологий растений является создание растений-биореакторов, способных продуцировать белки, необходимые в медицине, фармакологии и др. К достоинствам растений-биореакторов относится отсутствие необходимости в кормлении и содержании, относительная простота создания и размножения, высокая продуктивность. Кроме того, чужеродные белки не вызывают иммунных реакций у растений, чего трудно добиться у животных.
Существует потребность в получении целого набора биологически активных белков, которые, из-за очень низкого уровня синтеза в специфических тканях или продуктах, недоступны для изучения по механизму действия, широкого использования или определения областей дополнительного применения. К таким белкам относится, например, лактоферрин, который находится в небольшом количестве в молоке млекопитающих, лейкоцитах крови.
Лактоферрин человека (hLF) перспективно использовать в качестве пищевой добавки и лечебного препарата для профилактики и лечения инфекционных заболеваний желудочно-кишечного тракта детей раннего возраста, повышения иммунного ответа организма при злокачественных и ряде вирусных (СПИД) заболеваний. Получение лактоферрина из молока крупного рогатого скота, вследствие его низкого содержания, приводит к высокой стоимости препарата. При введении кДНК гена лактоферрина в клетки табака получен ряд каллусных тканей, синтезирующих укороченный лактоферрин, антибактериальные свойства которого были значительно сильнее антибактериальных свойств нативного лактоферрина. Концентрация этого укороченного лактоферрина в клетках табака составляла 0,6-2,5%.
В геном растений встраиваются гены, продукты которых индуцируют у человека и животных иммунный ответ, например, на оболочечные белки возбудителей различных заболеваний, в частности, холеры, гепатита, диареи, а также на антигены плазматических мембран некоторых опухолей.
Создаются трансгенные растения, несущие гены, продуцирующие некоторые гормоны, необходимые для гормонотерапии людей и так далее.
Примером использования растений для создания вакцин являются работы, выполненные в Стенфордском университете. В работе были получены антитела к одной из форм рака с помощью модернизированного вируса табачной мозаики, в который был встроен гипервариабельный участок иммуноглобулина лимфомы. Растения, зараженные модернизированным вирусом, продуцировали антитела правильной конформации в достаточном для клинического применения количестве. 80% мышей, получавших антитела, пережили лимфому, в то время как все мыши, не получавшие вакцины, погибли. Предложенный метод позволяет быстро получать специфичные для пациента антитела в достаточном для клинического применения количестве.
Велики перспективы использования растений для производства антител. Кевин Узил с сотрудниками показал, что антитела, продуцируемые соей, эффективно защищали мышей от инфекции вирусом герпеса. В сравнении с антителами, продуцируемыми в культурах клеток млекопитающих, антитела, продуцируемые растениями, имели сходные физические свойства, оставались стабильными в человеческих клетках и не имели отличий в способности связывать и нейтрализовать вирус. Клинические испытания показали, что использование антител, продуцируемых табаком, эффективно препятствовало размножению мутантных стрептококков, вызывающих кариес.
Было проведено создание вакцины, продуцируемой картофелем, против инсулинозависимого диабета. В клубнях картофеля накапливался химерный белок, состоящий из субъединицы В токсина холеры и проинсулина. Наличие субъединицы В облегчает потребление данного продукта клетками, что делает вакцину в 100 раз более эффективной. Скармливание клубней с микрограммовыми количествами инсулина мышам, больным диабетом, позволяло затормозить прогрессирование болезни.
Генные технологии в борьбе с загрязнением окружающей среды. Фиторемедиация
Своими действиями человек вмешался в ход эволюционного развития жизни на Земле и разрушил независимое от человека существование биосферы. Но он не сумел отменить управляющие биосферой фундаментальные законы и освободиться от их влияния.
Возрождаясь после очередного катаклизма из сохранившихся очагов, приспосабливаясь и эволюционируя, жизнь, тем не менее, во все времена имела основное направление развития. Оно определялось законом исторического развития Рулье, согласно которому в рамках прогресса жизни и необратимости эволюции все стремится к независимости от условий среды. В историческом процессе такое стремление реализуется путем усложнения организации, выражающейся в нарастании дифференциации структуры и функций. Таким образом, на каждом очередном витке спирали эволюции появляются организмы с усложняющейся нервной системой и ее центром — головным мозгом. Ученые-эволюционисты XIX в. назвали это направление эволюции «цефализацией» (от греческого «цефалон» — мозг) Однако цефализация приматов и усложнение их организма в конечном итоге поставили человечество как биологический вид на грань исчезновения согласно биологическому правилу ускорения эволюции, по которому усложнение биологической системы означает сокращение средней продолжительности существования вида и возрастание темпов его эволюции. Например, средняя продолжительность существования вида птиц составляет 2 млн. лет, млекопитающих — 800 тыс. лет, предковых форм человека — 200-500 тыс. лет. Современный подвид человека существует, по некоторым представлениям, всего от 50 до 100 тыс. лет, но многие ученые считают, что его генетические возможности и резервы исчерпаны (Длексеенко, Кейсевич, 1997).
