Біотехнологія
і «горизонтальний» перенесення генів
Чи можна,
з'ївши ГМ-продукти, придбати стійкість до антибіотиків?
А.Л.
Конов, фахівець з генетичної інженерії
рослин
Серед проблем, що обговорюються в
зв'язку з вирощуванням ГМ-культур, одна з головних - можливість передачі генів
від ГМ-рослин до інших мешканцям біоценозу і мікроорганізмів ризосфери, а
також від ГМ-продуктів до бактерій шлунково-кишкового тракту людини і
тварин. Про що ж йдеться?
По-перше, це перенесення генів (у
основному стійкості до гербіцидів) від ГМ-рослин до звичайних (перш за все
бур'янам) за рахунок запилення на полях та ділянках. Такий традиційний спосіб
(запилення з утворенням потомства) визначають терміном «вертикальний перенесення».
Це - тема окремої розмови, скажемо тільки, що ризик перехресного
запилення і, відповідно, обміну генами між різними видами рослин
різний для різних сільськогосподарських культур та регіонів і в принципі
усунемо правильними агротехнічними прийомами і превентивними захисними
заходами.
Тут же мова йтиме про іншу
проблеми - «горизонтальному» перенесення генів (ГПГ) від ГМ-рослин до бактерій, а
від них - до інших рослин, тварин і людині за рахунок природної
трансформації, тобто передачі ДНК від одного організму до іншого. Багато
ГМ-рослини містять не тільки «цільові» гени (скажімо, стійкості до патогенів
або гербіцидів), а й гени стійкості до селективним агентам, наприклад
антибіотиків (докладніше про це див «ЕіЖ», 2001, № 2, с. 66). Чи можуть вони з
ГМ-рослин потрапити в мікрофлору грунтів або від ГМ-їжі - до бактерій
шлунково-кишкового тракту тварин і людини? Який ризик цього? Чи слід
його побоюватися або важливіше звернути увагу на інші ризики, пов'язані не з
генної інженерії, а, наприклад, зі звичайними бактеріями або агротехнічними
заходами?
Перенесення переносу ворожнечу. Що ж
таке ГПГ? Нагадаємо, що вся інформація про організм - від бактерії до людини
- Зберігається (точніше, кодується) в його ДНК. Знаменита подвійна спіраль молекули
ДНК складається всього з 4 підстав: А (аденін), Т (тимін), Г (гуанін) і Ц
(цитозин). Дві нитки ДНК пов'язані вуглеводневим «містками», що сполучають між
собою (за принципом «ключ - замок») відповідні один одному за хімічним
будові «кінці» підстав (А - Т і Г - Ц). Припустимо, нитка ДНК представлена
послідовністю: ТТТАТТГТТГЦТ. Розіб'ємо її на «слова» з трьох «літер»: ТТТ
АТТ ГТТ ГЦТ - це і є генетичний код, в якому кожне «слово» (триплет,
або кодон) кодує певну амінокислоту. Так, обрана
послідовність кодує короткий пептид (невеликий білок) з чотирьох
амінокислот: фенілаланіну, ізолейцин, валін та аланіну. Коли говорять про
«Експресії» генів (реалізації в клітці закодованою ДНК інформації),
мають на увазі, що кодони зчитуються спеціальними ферментами клітини з
утворенням проміжної інформаційної молекули і-РНК (етап транскрипції),
зчитування кодонів якої (етап трансляції) відбувається в рибосомах з
освітою білків.
Ці спрощено описані будова
і механізм роботи генетичного апарату, виявляється, єдині для всього живого.
Тому одночасно існують в природі форми (не тільки близькоспоріднені)
в принципі можуть обмінюватися генами. Таке перенесення спадкової інформації
не від батьків до потомства, а між одночасно існуючими організмами і
назвали ГПГ.
Природні механізми ГПГ. У
бактерій ГПГ - один з найважливіших механізмів еволюції (є у них і статевий
розмноження, але примітивне, без утворення гамет і злиття клітин). У Царстві
бактерій можна виділити три основні способи ГПГ: трансдукція, кон'югація,
трансформація. При трансдукції фрагменти ДНК від бактерії-донора до реципієнта
переносять бактеріофаги (віруси, що вражають бактерій). При кон'югації обмін
генами відбувається в результаті контакту між клітинами. Нарешті, трансформація
- Це природний захоплення бактерією чужорідної ДНК з наступною експресією
генів цієї ДНК, причому, як і при трансдукції, контакт клітин не обов'язковий.
Вчені вважають, що внесок трансформації в ГПГ, в порівнянні з рештою
механізмами, у бактерій невеликий. Це важливо, бо єдиним способом ГПГ від
рослин до бактерій в природі виявляється саме трансформація.
ГПГ: небезпеки уявні і
справжні. Бактерії несуть різні гени стійкості, які вчені навчилися
використовувати в генній інженерії. Так, ген стійкості до колорадського жука,
який захищає ГМ-картоплю від шкідника, виділений з бактерії Bacillus
thuringiensis, що живе на листі картоплі і в грунті і абсолютно нешкідлива
для людини, а ген стійкості до антибіотика канаміцину (який використовується для
відбору ГМ-рослин) - з усім відомої кишкової палички.
Споживаючи овочі та фрукти з
власних грядок, ми впевнені, що їмо «екологічно чисту» їжу. Але навіть якщо
ми ретельно вимиємо овочі та фрукти, з їжею в організм потраплять бактерії, у тому
числі й ті, що можуть нести різні гени стійкості. Тим часом обмін генами
(природна «генна інженерія») - один з основних механізмів еволюції бактерій.
А хвороботворні форми тієї ж кишкової палички небезпечні для здоров'я людини.
Саме за рахунок трансформації генами інших бактерій її нешкідливі форми
перетворюються на патогенні.
Отже, перш ніж оцінити ризик
неконтрольованого перенесення гена (трансгени) з рослини в бактерії, слід
усвідомити роль ГПГ у передачі спадкової інформації між самими бактеріями,
звернувши особливу увагу на перенесення хвороботворних генів та генів стійкості до
антибіотиків.
Бактерії та антибіотики. У
останні роки ГПГ виявлений у патогенних мікроорганізмів (Salmonella,
Acinetobacter, Streptococcus). Особливо небезпечний він між стрептококами і кишкової
паличкою. Очевидно, що ГПГ за участю хвороботворних мікробів серйозно впливає
на виникнення і розвиток різних захворювань. Цей поширений у
природі механізм нині привертає пильну увагу епідеміологів, які
сподіваються з його допомогою розібратися у перш непояснених спалахи небезпечних
хвороб.
Багато мікроорганізмів
виробляють антибіотики. У їх числі і такі бактерії, як Streptomycetes spp.,
Erwinia carotovora, Pseudomonas aureofaciens. На думку ряду авторів, ГПГ
відіграв важливу роль в еволюції генів антибіотиків у стрептоміцетов і ряду інших
бактерій.
З іншого боку, багато
бактерії мають генами стійкості до антибіотиків. Розвиток у ряду
хвороботворних бактерій стійкості до декількох видів антибіотиків
більшість вчених пов'язують саме з ГПГ, при якому та чи інша бактерія не
тільки зберегла «свій» ген стійкості, але й придбала «чужі». Чим ширше
застосовують антибіотики в медицині, тим більше стає стійких до них
мікробів.
Так, ген nptII, що забезпечує
стійкість до канаміцину і ряду інших антибіотиків, часто використовують в
ГМ-рослини як маркер - ген, безпосередньо не визначає будь-якої
ознака, але що дозволяє судити про його передачу. (ГМ-рослини, що містять цей
ген, що чудово себе почувають у живильному середовищі, куди доданий антибіотик. У
відміну від них звичайні рослини, в яких цього гена немає, втрачають здатність до
фотосинтезу і гинуть.) Так от, при оцінці гіпотетичних ризиків передачі
цього гена від ГМ-рослин бактеріям не завадило б врахувати, наскільки широко він
поширений в природі (знайдений в бактеріях зі стоків, гною, річкової води,
грунтів, кишкового тракту людини і тварин), де цілком можливий його перенесення з
одних бактерій в інші.
Але незважаючи на це його
використання (як і інших маркерів) в ГМ-рослини знаходиться під жорстоким
контролем. Чи не означає це, що можливий ГПГ з рослин в бактерії?
Від рослин - до бактерій.
Спробуємо оцінити ймовірність ГПГ від рослин до бактерій, внесок цього процесу
до загального ГПГ і зрозуміти, небезпечний він. Як уже зазначалося, єдиний природний
механізм цього процесу - трансформація. Імовірність (а отже, і роль в
еволюції) ГПГ від рослин до бактерій залежить від ряду обставин, які
повинні співпасти, щоб цей перенесення стався в природної екосистеми:
вихід непошкодженою ДНК в
навколишнє середовище;
її абсорбція частинками грунту для
захисту від руйнування ферментами;
наявність «придатних» для
трансформації видів бактерій;
створення необхідних для цього
умов;
ефективне поглинання ДНК на
поверхні бактеріальних клітин;
ефективний перенесення ДНК в ці
клітини;
інтеграція чужорідної ДНК в
геном бактерії-реципієнта;
експресія генів введеної ДНК в
клітці-реципієнті.
В останні роки ці етапи
детально розглянуті. Детально описані і перешкоди ГПГ, причому особлива
увагу приділено клітинним бар'єрів - абсорбції ДНК на поверхні
бактеріальної клітини і т. д. Зібрано багато даних про можливі прикладах
взаємного ГПГ між про-і еукаріотів в процесі еволюції. Але поки що не вдалося
спостерігати ГПГ від ГМ-рослин до бактерій у природних умовах. Дійсно,
важко уявити, щоб всі перераховані вимоги виявилися виконаними
одночасно, та ще з десятків тисяч рослинних генів у бактерію потрапив би
саме той, який намагаються «вловити». Чи означає це, що ГПГ від рослин до
бактерій в принципі неможливий?
Для відповіді на це питання
провели дослідження не в природних умовах, а в спеціально створених,
сприяють ГПГ. Їх результати зібрані в таблиці (знак «?» Означає, що
пророкування не підтверджено в експерименті):
Про що свідчать ці дані? У штучних умовах можна
«Зловити» ГПГ від рослини до бактерії. На думку дослідників, і в природі він
міг відбуватися і, можливо, навіть грав певну роль в еволюції. Але його
внесок у загальний ГПГ між організмами пренебрежимо малий.
Не перенесемо чи «Що-небудь» за
обідом? Здатність до природної трансформації поки виявлено всього у 40
представників Царства бактерій, і лише декілька з них відносяться до кишкової
флорі. Фахівці вважають, що ризику від вживання в їжу ГМ-рослин немає.
Та й молоко, м'ясо та яйця від тварин, яких годували ГМ-їжею, експерти визнали
настільки ж безпечними, як і від тварин, які одержували звичайні корми.
У зв'язку з можливою
трансформацією бактерій шлунково-кишкового тракту повернемося до гену nptII,
викликає стійкість до антибіотика, нехай і застарілого. Вірогідність його
передачі з їжі мікробам шлунково-кишкового тракту оцінюється приблизно так
само, як і ймовірність ГПГ від рослин до бактерій грунту (правда, поки що їжу готують
і перетравлюють, молекули ДНК відчувають багато руйнівних впливів:
механічні, термічні, ферментативні, так що в підсумку вціліти
«Перенесення» гену важко). Проте у ряді інструкцій і правил,
що діють в генної інженерії, враховують як можливе перенесення генів у
мікроорганізми шлунково-кишкового тракту, так і властивості білків - продуктів
цих генів. Наприклад, у керівництві «Використання стійких до антибіотиків
генів-маркерів у трансгенних рослинах », виданому в 1998 р. спеціальним
відомством США, що оцінює харчову безпеку продуктів, зазначено, що
продукт гена nptII (фермент неоміцінфосфотрансфераза) нетоксичний і не викликає
алергії і що вживання в їжу сирих ГМ-томатів, що містять цей ген, не
впливає на терапію із застосуванням канамицина або схожих антибіотиків, наприклад,
неоміцину (дослідження проводили на томатах, але результати застосовні і,
скажімо, до картоплі - якщо хтось любить картоплю сира). Там же зазначено, що
наявність згаданого ферменту в кормах безпечно для худоби. У результаті зроблено висновок
про те, що присутність гена стійкості до канаміцину в ГМ-рослинах не
викликає побоювань з точки зору епідеміології. Аналогічні висновки містяться і
в підготовленому в 2001 р. доповіді Європейської федерації з біотехнології.
Чому ж зростає стійкість до
антибіотиків? Отже, поки що ніхто не виявив ГПГ від рослин до бактерій в
природних умовах. Проте він, швидше за все, мав місце в еволюції, хоча
і набагато рідше, ніж ГПГ серед самих бактерій. В усякому разі, фахівці не
виключають такої можливості, але визнають, що через низьку вірогідність процесу
і недосконалості методів детектування ми ще довго не зможемо «вловити» його в
природі. Але екологічне значення цього виключно рідкого події буде
залежати від селекції перенесеного ознаки і його подальшого розповсюдження.
Нас оточують і в нас живуть
бактерії, що несуть гени стійкості до різних антибіотиків, включаючи і ті, що
вводять в ГМ-рослини. Для бактерій обмін генами (зокрема, хвороботворними і
стійкості до антибіотиків) - «справа житейська».
Поширеність у природі
генів стійкості до антибіотиків, з одного боку, і частий ГПГ між різними
бактеріями при все більш широкому застосуванні антибіотиків - з іншого, породжують
сталі до кількох антибіотиків штами патогенних мікробів. Зловживаючи
антибіотиками, ми створюємо стійких до них бактерій. Це змушує шукати все
нові класи антибіотиків, відмовляючись від колишніх. Коло замикається.
Так що проблеми зі стійкістю
до антибіотиків в медицині та ветеринарії пов'язані з неконтрольованим
використанням самих антибіотиків, а не із ГМ-рослинами.
Список
літератури
Для підготовки даної роботи
були використані матеріали з сайту http://www.ecolife.ru/
