О создании того, что содержит ГМО
Недавно появилось объявление о мероприятии в Дарвиновском Музее в рамках Всероссийского фестиваля науки на котором «расставить точки над “И”» по вопросам ГМО пригласили Ирину Ермакову.
В предыдущей статье про ГМО мной были разобраны основные ошибки, допущенные Ириной Ермаковой в лекции, прочитанной в рамках "ЛектоРИА" (РИА новости). Учитывая псевдонаучный характер ее предыдущих выступлений, я разделяю мнение многих коллег биологов, что не стоит “легитимизировать” ее деятельность приглашениями в приличные места (вроде замечательного Дарвиновского музея).
Оказалось, что участие Ирины Ермаковой в дискуссии в музее было недоразумением. Дискуссия про ГМО в музее состоится 12 октября в 12 часов, но Ермакова в списке докладчиков больше не числится. А вот я собираюсь сходить и поучаствовать. Я приглашаю всех прийти на это мероприятие.
Поводом для этой статьи послужили более содержательные вопросы про ГМО, касающиеся технологий генной инженерии, их безопасности и степени изученности. Все эти вопросы в той или иной форме мне действительно задавали в связи с вышеупомянутым мероприятием в музее (некоторые вопросы выложены на сайте Дарвиновского музея), и я решил дать подробные ответы.
Вопрос:
Что это такое Тi-плазмиды агробактерий и почему именно они часто используются для создания генетически модифицированных растений? Куда деваются Тi-плазмиды после внедрения ДНК в клетку? Верно ли, что все клетки полученного организма несут эти плазмиды?
Ответ:
Агробактерии - это природные генные инженеры. У них есть специальная кольцевая молекула ДНК, называемая Тi-плазмидой, из которой они могут встраивать некоторые гены в геном клеток растений. Генетически модифицированная часть растения становится опухолью и начинает производить питательные для агробактерий вещества. При этом растению передается не вся Ti-плазмида, а небольшой ее фрагмент, который называется T-ДНК. Т-ДНК, а также некоторые вспомогательные белки передаются от бактериальной клетки растительной через специальные транспортные каналы. Специалисты-генные инженеры могут заменить в последовательности Т-ДНК гены, вызывающие опухоли, на гены, интересные человеку. Агробактерия с измененной Т-ДНК в Ti-плазмиде может внедрить в растительную клетку нужный нам ген. Если модифицированная растительная клетка будет делиться и в процессе вегетативного размножения даст целый организм, то каждая клетка этого организма будет содержать вставку, спроектированную генным инженером. Вставку, но не плазмиду.
Вопрос:
О механизмах, с помощью которых агробактерия переносит Т-ДНК в ядра растений, известно очень мало. Т-ДНК из Ti-плазмид агробактерий встраивается в разные, по-видимому, случайные точки хромосом хозяина, но при этом она никогда не интегрируются в геномы митохондрий и хлоропластов. Почему?
Ответ:
На самом деле механизм интеграции Т-ДНК в ядерный геном растительных клеток изучен достаточно хорошо. Почему Т-ДНК встраивается именно в ядро? Вместе с Т-ДНК из агробактерии в растительную клетку попадают белки, среди которых есть белки VirD2 и VirE2. VirD2 связывается с Т-ДНК еще в бактериальной клетке, а VirE2 в цитоплазме растительной клетки. Эти белки имеют сигнал ядерной локализации (NLS), который узнается белком импортином альфа растительной клетки. С импортином альфа связывается другой белок растения импортин бета, а потом весь этот комплекс связывается с ядерной порой, что обеспечивает транспорт внутрь ядра Т-ДНК и связанных с ней бактериальных белков. То есть, агробактерия использует уже существующую в растительных клетках систему транспорта в ядро. Просто так проскочить через двухслойную мембрану Т-ДНК не может, а указанная система доставки работает только для транспорта в ядро, но не для транспорта в митохондрии или хлоропласты (там работают другие системы, с другими сигналами).
Вопрос:
Какие есть альтернативные методы генной инженерии? Какие преимущества у этих методов?
Ответ:
Не все виды растений эффективно модифицируются с помощью агробактерий. В таких случаях можно использовать другие методы генной инженерии. Можно взять нано-частицы вольфрама или золота, смешать их с заранее выделенными фрагментами ДНК, а потом из специально пистолета “стрелять” по растительным клеткам. Выглядит это примерно так: листья вверх, растение!
Исследования показали, что ДНК, действительно, может встраиваться в растительные клетки при использовании этого технически простого метода. Также для генной инженерии можно использовать вирусы, в том числе для генной терапии, о которой я ранее писал отдельный обзор.
Растения, как правило, не эффективно заражать вирусами, легче использовать агробактерий. В принципе можно сделать «матрешку»: запихнуть нужный нам ген в последовательность генома вируса, а геном вируса в участок Т-ДНК Тi-плазмиды агробактерии. Так можно повысить эффективность заражения вирусом с нужной вставкой, но в большинстве случаев нет смысла идти на такие усложнения. В целом выбор метода генной инженерии больше зависит от объекта: какие-то растения легче модифицируются одним методом, какие-то другим.
Вопрос:
Верно ли, что при генной инженерии практически невозможно разместить ген в строго определенном месте? Имеет ли значение относительное положение гена на хромосоме, особенно в свете того факта, что гены могут взаимодействовать между собой?
Ответ:
Когда говорят о взаимодействии генов речь, как правило, идет не о физическом взаимодействии последовательностей ДНК, а о взаимодействии конечных продуктов генов, т.е. белков. С последовательностей генов считываются молекулы РНК, на матрице которых синтезируются белки. Белки взаимодействуют. Свойства белков не зависят от того где на хромосоме расположены кодирующие их генов. Роль положения вставки несколько другая.
Во-первых, генному инженеру нужно, чтобы встроенный ген работал, чтобы с него синтезировалась РНК. Это возможно когда перед встроенным геном расположен специальный участок, который называется промотор. Это участок узнает фермент РНК-полимераза, осуществляющий синтез молекулы РНК. Не будет промотора - не будет РНК и не будет белка. Но ничто не мешает делать вставку, изначально включающую и ген и промотор. Причем можно использовать такой промотор, чтобы ген работал во всех клетках растения. А можно подобрать такой промотор, чтобы ген работал только в определенных клетках, например в листьях или только при определенных условиях.
Эффективность работы встроенного гена, количество производимой РНК может зависеть от конкретного места вставки. Т-ДНК чаще встраивается в активные участки хроматина - те, с которых идет активное считывание РНК.
Кроме того, если мы случайно вставим что-то в середину уже существующего гена, мы этот ген можем испортить. Гены и другие функциональные элемент, как правило, составляют лишь небольшую часть генома растений и животных, но возможность такого события не исключена.
Предположим, что мы принципиально не хотим, чтобы наша вставка испортила какой-нибудь ген растения. Тогда мы делаем десяток разных трансгенных растений и смотрим, в каком месте у каждого из них произошла вставка. Современные технологии чтения ДНК позволяют сделать это дешево и быстро. Если вставка произошла в каком-то неудачном месте, растение можно забраковать. Аналогичным подходом, в сочетании с выбором промотора можно добиться нужного уровня экспрессии гена (количества производимых молекул РНК этого гена).
В самых обычных живых организмах постоянно происходят мутации. В том числе никто не застрахован от мутаций, приводящих к порче генов. Все теоретически риски связанные с непредсказуемым, случайным характером мутагенеза имеются как для трансгенных организмов, так и для обычных сельскохозяйственных культур, выводимых методами селекции или просто растений, растущих на дачном участке. Никаких принципиально новых рисков генная инженерия не привносит.
Вопрос:
Но мутация, точечно возникшая в любом единичном организме, скорее всего не будет закреплена, а трансгенные организмы буду производиться массово, а соответственно, частота данного гена будет искусственно увеличиваться.
Ответ:
Представьте себе, что фермер-селекционер вывел гигантскую картошку-мутанта и размножил ее вегетативным размножением. Возможно мутации, ставшие причиной столь большого размера картошки, испортили какой-то ген. Или сцеплены (наследуется вместе) с мутациями, которые испортили какой-нибудь ген. Чем такая картошка априори лучше или безопасней генно-инженерной? Ничем. Гены могут портиться и меняться с участием или без участия генной инженерии. Так устроена природа. «Производиться массово» тоже будут как гигантские селекционные картошки с мутацией, так и генетически модифицированные растения.
Вопрос:
Внедрение генов происходит с использованием соматических тканей растений. Каким образом эти ткани сохраняют способность к последующей дифференциации и могут сформировать полноценный организм все клетки которого, в том числе половые, генетически модифицированы?
Ответ:
У растений клетки меристемы, способные к клеточной дифференцировке, присутствуют в очень многих тканях. Это лежит в основе способности многих растений размножаться вегетативным путем, даже если взять очень небольшую часть растения. Эта способность есть как у обычных растений, так и у генетически модифицированных. В общем случае трансгенная вставка не мешает вегетативному размножению или делению клеток.
При генной модификации вставка ДНК встраивается в геном растительной клетки, - поэтому достается всем клеткам, которые из нее произойдут, в том числе - клеткам гермальной линии (половые клетки и их предшественники).
Вопрос:
Может ли трансгенное растение (или животное) скрещиваться с представителями своего вида не несущими генетическую модификацию? Имеется распространенное утверждение, что трансгенные организмы бесплодны. Насколько это утверждение обосновано с точки зрения генетики? Если принять утверждение, что потомство ГМО бесплодно, то, как в таком случае получают семена трансгенных растений?
Ответ:
В общем случае ничто не мешает трансгенному организму скрещиваться как с трансгенными так и обычными представителями своего вида и давать потомство. Но есть технологии, позволяющие производить трансгенные организмы не способные к размножению. Обсудим две таких технологии.
Первая - создание стерильных гибридов. Многим знают, что если скрестить осла и лошадь получается мул, который за редким исключением стерилен. Если скрестить гипотетическую трансгенную лошадь и осла мы можем получить стерильного трансгенного мула.
Аналогичный подход годится для других организмов, в том числе для растений. Подбирают две линии растений таким образом, чтобы их гибриды были стерильны. Делают одну или обе линии трансгенными. Эти трансгенные особи не стерильны, они могут производить семена, их можно поддерживать и разводить в лаборатории. Если нужно получить стерильное трансгенное растение скрещивают две линии и получают стерильные гибриды.
Другой способ - использование "гена терминатора". На самом деле это не один ген, а система из нескольких генов. Есть промотор, который активируется только во время развития семян. Под этот промотор ставится ген, вызывающий смерть клетки. Чтобы этот ген не работал между промотором и геном ставится специальная вставка, блокатор. Еще один ген производит фермент рекомбиназу, который умеет вырезать блокатор из молекул ДНК. У гена репликазы есть свой промотор. Между промотором гена репликазы и геном репликазы есть участок ДНК, на который в обычных условиях садится белок репрессор и ген репликазы не работает. Репликаза не работает, блокатор на месте, семена развиваются нормально, растение не стерильно и может давать семена.
Но есть еще вещество "индуктор", которым можно обработать созревшие семена. Индуктор блокирует репрессор, как следствие, производится репликаза, которая вырезает блокатор. Растения, которые получатся из таких семян, будут стерильны: когда их семена начнут развиваться, в них включится летальный ген.
Вопрос:
Если предположить, что плазмиды сохраняются в продуктах, содержащих ГМО, то возможно ли проникновение их в соматические клетки пищеварительного тракта?
Ответ:
Как уже упоминалось, кольцевые Ti-плазмиды, как правило, не встраиваются и даже не проникают в клетки растений. Если такое вдруг случится, плазмиду не сложно обнаружить. В геноме трансгенных растений есть встроенный фрагмент ДНК (Т-ДНК), расположенный на какой-нибудь хромосоме, внутри клеточного ядра.
В то же время плазмиды есть везде, где есть бактерии, а бактерии есть везде: в воздухе, в воде, в еде. Есть работы, в которых утверждается, что фрагменты нуклеотидных последовательностей из пищи могут быть обнаружены во внутренних органах некоторых животных. Насколько это универсальное явление и насколько оно хорошо доказано, я судить не буду. Отмечу, что это не имеет никакого отношения к ГМО. Если кто-то опасается плазмид или чужеродной ДНК, которая может куда-то не туда попасть, то нужно бояться не ГМО, а практически любой пищи. Специально опасаться плазмид из ГМ растений, полученных с помощью агробактерий не нужно.
Вопрос:
Верно ли, что устойчивые к гербицидам и инсектицидам линии генетически модифицированных растений обильно поливают всякими ядами, ведь теперь эти яды растениям не опасны.
Ответ:
Инсектициды - это ядовитые для насекомых вещества. Делают не устойчивых к инсектицидам растений, а трансгенных растений, содержащих инсектициды. Поливать инсектицидами поля, где растут такие растения - лишняя трата денег и ненужное загрязнение окружающей среды. Действительно, благодаря этой технологии удается существенно сократить использование инсектицидов. С гербицидами ситуация сложнее. Гербициды использовали еще до того как придумали устойчивые к ним формы ГМ растений. Гербициды бывают не селективные, они убивают почти любые растения, а бывают селективные против конкретных видов сорняков. Устойчивость культивируемого растения позволяет использовать один эффективный гербицид широкого спектра действия. В противном случае для достижения того же эффекта может потребоваться использование множества разных гербицидов против разнообразных сорняков. В некоторых случаях технология позволяет использовать меньше гербицидов при той же урожайности. В некоторых случаях, это стимулирует использование большего количества гербицидов для увеличения урожайности.
Вопрос:
Какие методы используются при испытании новых сортов ГМО? По моему мнению, в подавляющем большинстве случаев нельзя исключать наличие побочных эффектов. Как их ищут? На ком испытывают? Как долго проходят испытания? Есть ли статистика по забраковке полученных ГМО в связи с наличием подобных эффектов?
Ответ:
Не понятно, почему опасения вызывают именно ГМО, а не новые селекционные сорта. Мутации происходят абсолютно во всех живых организмах. Иногда мы их не замечаем, а иногда, их замечают селекционеры и выводят более крупные и сладкие арбузы или сорта клубники или разнообразные формы капусты.
Кто это все проверял, как и на ком? Если думать в стиле "мало ли что?", то нужно бояться любой пищи. Пшеница урожая этого года может отличаться, в том числе генетически, от пшеницы урожая прошлого года. Даже самого слова ГМО стоит бояться, ведь и оно временем не проверено.
Тем не менее, тестирования ГМО ведутся и на рынок ГМО без проверок не выпускаются. Во-первых, ГМО продукты проходят лабораторный контроль качества, как и обычные продукты. Существуют вещества, содержание которых в продуктах питания регулируется государственными стандартами и не должно превышать безопасной нормы. Требуется также показать, что ГМО растение не уступает аналогам по своим питательным свойствам.
Кроме того, проводятся исследования на животных моделях. Одних животных кормят нормальной диетой с добавлением трансгенного продукта, других с добавлением не трансгенного аналога. Стандартом является 42-ух дневное исследование роста цыплят и 90-дневное токсикологическое исследование на крысах. В подавляющем большинстве исследований никаких негативных эффектов ГМО не находят. Некоторое количество ложных эффектов в одиночных исследованиях (как учит нас статистика), должно обнаруживаться по чисто случайным причинам, даже в отсутствии реальных негативных эффектов и методологических ошибок в экспериментах. Но ложные результаты не будут воспроизводиться из исследования в исследование, что мы и наблюдаем.
Научное сообщество не ограничивается 42-ух и 90 дневными испытаниями на животных. В апреле 2012 года в журнале Food and Chemical Toxicology был опубликован систематический обзор наиболее масштабных исследований безопасности различных сортов ГМО, употребляемых в пищу. В обзор вошло 12 исследований по длительному вскармливанию ГМО кормом (от 90 дней до двух лет кормления) и 12 исследований с изучением влияния ГМО в нескольких поколениях (от 2 до 5 поколений). Анализ не выявил значимых отличий в питательности или токсичности исследуемых ГМО сортов и их аналогов.
О негативных эффектах было заявлено в нескольких работах, содержащих методологические ошибки, результаты которых не воспроизводились. Так в исследованиях Ирины Ермаковой были допущены серьезные ошибки методологии, о чем была дискуссия на страницах журнала Nature, где ошибки были подробно разобраны. В нашумевшей работе французского исследователя Сералини (Seralini) о том, что ГМО увеличивает смертность и количество опухолей крыс не было статистического анализа, а когда его провели, выяснилось, что выводы исследования статистически не достоверны. Воспроизводимых негативных эффектов коммерчески доступных ГМО на здоровье человека или лабораторных животных на сегодняшний день не обнаружено.
Разумеется, за здоровьем потребителей следят и после того как продукт поступает на рынок. Например, появилось опасение, что у людей, у которых была аллергия на один вид ореха, могла возникнуть аллергия на ГМ растение, в которое встроили ген из этого ореха. Этот риск был обоснован, никто этого факта не скрывал. В целом же человечество употребляет генетически модифицированные продукты уже десятки лет, и никто от них еще не умер.
Вопрос:
Почему, если все так прекрасно с генной инженерией, многие страны вводят запрет на выращивание и ввоз ГМО? Как противникам ГМО удалось склонить на свою сторону некоторые правительства?
Ответ:
Запреты вводят не ученые, а политические деятели и чиновники. И руководствуются они в первую очередь собственным или общественным мнением, а не научными фактами. Посмотрите на соотношение количества исследований противников ГМО (пусть даже с учетом самых сомнительных) и количество анти-ГМОшных фильмов, сайтов, газетных публикаций с эмоциональными аргументами, апелляции к страху и незнанию, направленных на рядовых обывателей. Тот же Сералини, еще до того, как его исследование опубликовали, написал книгу, оповестил журналистов и даже подготовил фильм о вреде ГМО. Так поступают ученые? По науке у него слабое исследование без статистического анализа, не воспроизведенное и с кучей ошибок. Зато весь мир стоит на ушах, а интернет забит фотографиями опухших крыс. А много ли людей знает, что исследуемую линию крыс Sprague-Dawley специально выводили для исследования образование опухолей, что к 1.5 годами жизни 45% этих крыс имеют опухоли, независимо от диеты? Есть сотни публикаций в которых не нашли негативных эффектов ГМО, но хоть одно из них имело сравнимую огласку в СМИ?
Противники ГМО, «проиграв» научную дискуссию, пошли со своими, мягко говоря, сомнительными аргументами в народ и в политику. Только с точки зрения простого обывателя спор между Сералини и его критиками - это спор на равных: “там ученые, тут ученые, не разобрать”. Понять научные аргументы в узкой области большинство не специалистов не могут. Популяризаторов науки можно пересчитать по пальцам, да и доступа к широкомасштабным СМИ у них чаще всего нет. Вот и получилось, что политики, запрещающие ГМО “на всякий случай”, пользуются популярностью в массах. Процветает партия “зеленых” и все это основано на общественных страхах, которые не разделяет научное сообщество. Местами на это накладываются чисто экономические решения, порой даже в искренних интересах стран, запрещающих ввоз ГМО. Например, если в стране избыток продовольствия и государство платит фермерам за то, чтобы те не выращивали ничего на своих полях, то зачем ей дешевые импортные ГМО продукты? Это конкуренция, это не выгодно отечественным производителям. В таких условиях любое, даже самое липовое, но нашумевшее исследование о вреде ГМО является хорошим поводом для очередного запрета.