Риск интродукции генетически модифицированных растений в окружающую среду

История исследований по созданию растений с полезными свойствами насчитывает всего два десятка лет. В 1983 г, были опубликованы первые работы по получению трансгенных растений (ТР) табака, в которые методами генной инженерии введены чужеродные селективные маркеры устойчивости к неблагоприятным факторам среды. Первые полевые испытания генетически модифицированных растений проведены в 1986 г., а в 1999 г. в США уже даны первые разрешения на коммерциализацию трансгенных сортов растений и продуктов их урожая. В 2000 г. во всем мире под трансгенные сельхозкультуры отведено 44,2 млн га посевных площадей.

Однако наряду с большими надеждами на несомненную выгоду для человечества от применения технологий трансгенеза растений появились уже тогда и существуют сейчас некоторые опасения. В обществе полагают, что такие растения потенциально могут оказаться опасными как для человека, так и окружающей его природной среды. В настоящее время эти опасения основаны на теоретических предпосылках и результатах экспериментальных исследований.

Прежде чем специально оценивать потенциальных риск интродукции трансгенных растений, рассмотрим проблему генетической инженерии и генетической селекции растений.

Генетическая инженерия и генетическая селекция растений. Методология классической селекции растений предполагает возможность переноса полезных или нужных генов только между организмами сходных биологических видов или родов. Селекция растений основана на поиске случайных благоприятных мутаций исходного генома и на последующем насыщении полезным мутантным геном той или иной популяции растений путем многочисленных скрещиваний и многостадийного отбора потомства. При переносе генов половым путем обычно происходит замещение целых блоков сцепленных генов, главным образом между гомологичными хромосомами. Эти хромосомы в полном наборе включают в себя весь регуляторный аппарат генов: соответствующие промоторы, регуляторные области и другие участки ДНК, необходимые для координированной экспрессии целевых генов.

Генно-инженерные методы позволяют целенаправленно переносить только отдельные «нужные» гены. При этом с большой долей вероятности исключается перенесение «балластных» генов и соответствующих им признаков. Технология генной инженерии предполагает перенесение в геном растения помимо «целевого» гена чужеродных регуляторных генетических элементов, прежде всего промоторных участков гена. Другая важная особенность генной инженерии - ее методы не только позволяют переносить в растения определенные гены, но и заставляют их активно и эффективно экспрессироваться. Однако в результате такого эффективного переноса чужеродного гена и его активной экспрессии может образовываться белковый продукт, влияние и нежелательное поведение которого в чужеродном клеточном окружении трудно предсказать. Кратко перечислим возможные нежелательные последствия, наличие которых известно уже сейчас.

Встраивание трансгена в геном растений может приводить к нежелательному действию на этот геном. Действительно, в процессе изучения ТР открыто много неожиданных эффектов. Например, трансформированные одной и той же ДНК трансгенные клоны даже в параллельном эксперименте приводят к разной экспрессии одного и того же гена.

Считается общепринятым, что для стабильной и эффективной экспрессии трансгена в растительной клетке необходимо соблюдение следующих условий:

* трансгенные культуры должны содержать не более одной копии встроенного гена на гаплоидный набор,

* сигнальные элементы переносимой «генной кассеты»: промоторы, терминаторы, энхансеры - не должны иметь длинных гомологий с хозяйским геномом;

* фрагменты векторной ДНК, используемой для перенесения в растение «нужного» гена, должны быть по возможности удалены из окончательной конструкции.

Пока неизвестны механизмы нарушения стабильной экспрессии трансгена, а это может стать причиной появления непредсказуемых последствий введения трансгена в растения. В целом можно сказать: интеграция чужеродного генетического материала в растительный геном в настоящее время не может рассматриваться как прогнозируемый процесс. Одним из побочных эффектов встраивания может быть появление «инсерционного» (insertion – англ. «вставка») механизма, так как встраивание трансгена может нарушить первичную структуру ДНК в геноме растения.

Кроме того, трансген может приводить к незапланированным изменениям метаболизма растительной клетки. Введение в растения трансгенов может привести к появлению в клетках новых веществ, иногда с непредсказуемыми как для растений, так и лля их потребителей свойствами. Тревога объясняется недостаточностью информации о механизмах регуляции активности ферментных систем как в процессе развития растения, так и под воздействием эдафических факторов. Например, в полевых условиях устойчивая к пестициду глифосату трансгенная соя оказалась чувствительной к действию повышенной температуры из-за увеличения накопления лигнина, что привело к нарушению структуры клеточных стенок растений и к растрескиванию побегов.

К сожалению, традиционное «ориентированное на продукт» химическое и биохимическое тестирование трансгенного материала ограничивается только анализом основных групп питательных веществ - белков, жиров и углеводов - и только небольшого числа вторичных метаболитов. Этому сопутствует также использование принципов, разработанных для оценки безопасности химических веществ и фармпрепаратов, что недостаточно для определения длительного воздействия на здоровье человека генетически модифицированных продуктов. Например, предполагается, что постоянное присутствие в пище высоких концентраций белков защитного ответа (лектинов, пектинов, ингибиторов протеаз), продуцируемых устойчивыми трансгенными растениями, может представлять определенный риск для потребителей. Это может быть связано с высокой токсичностью этих белков, поскольку их содержание в клетках обычных растений, как правило, низкое.

Следовательно, из-за наличия подобного риска проверка безопасности пищи, приготовленной из генетически модифицированных растений, должна быть многостадийной и постоянной. Такую проверку можно осуществлять:

• физико-химическими методами - исследовать спектр вторичных метаболитов трансгенного растения;

• определением токсичности пищевых продуктов в экспериментах на лабораторных животных.

Проблема несколько усложняется тем, что исследование отдаленных мутагенных и канцерогенных последствий употребления в пищу трансгенных растений или продуктов из них потребует многолетних наблюдений как в опытах на животных, так и в эпидемиологических исследованиях.

Проблема использования человеком трансгенных растений не только сложная, но и многогранная. Возникает вопрос: могут ли быть трансгенные растения аллергенами для человека и животных? Детально эта проблема обсуждена в обзоре [27]. К пищевым аллергенам относятся вещества, способные вызывать образование специфических молекул белка - иммуноглобулина Е (IgE) В-лимфоцитами в процессе аллергической сенсибилизации. Контакт пищевых аллергенов с молекулами IgE, расположенными на поверхности специальных (тучных) клеток желудочно-кишечного тракта, может привести к местным анафилактическим реакциям, выражающимся в рвоте, диарее, или даже к анафилактическому шоку с временной потерей сознания. Следовательно, когда при получении трансгенных растений используют гены, выделенные из генома растений, животных или микроорганизмов, в растительных клетках могут появиться новые белки с аллергенными свойствами. Потенциальная аллергенность трансгенных растений проверена специалистами FDA (Food and Drug Administration) - правительственной организацией США, контролирующей на государственном уровне фармацевтические препараты и пищевые продукты в этой стране. Документы этой организации определяют порядок тестирования трансгенных продуктов и предусматривают специальную маркировку, предупреждающую о возможной опасности. По мнению этой организации, потенциальную тревогу и риск могут вызывать только пищевые (или любые другие) продукты, содержащие гены, выделенные из 8-10 организмов, хорошо известных своими аллергенными свойствами.

Проверка и оценка возможной аллергенности продукта, полученного из растений с чужеродным геном, проводятся по следующей схеме:

1) учитывают аллергенный потенциал организма-источника транс гена;

2) определяют структурное подобие и сходство аминокислотного состава «нового» белка и хорошо известного аллергена;

3) изучают способность этого белка связывать IgE сыворотки крови людей из группы риска, т.е. людей, чьи чувствительность к тем или иным видам известных пищевых аллергенов уже установлена;

4) исследуют стабильность данного белка при приготовлении пищи;

5) устанавливают степень стабильности данного белка при его разрушении протеазами (ферментами - разрушителями белка) в биохимической лаборатории.

Современная процедура тестирования аллергенности белков из трансгенных растений не дает стопроцентную гарантию выявления всех аллергенов, Наряду с этим существует также риск появления селективных и маркерных генов. Эти гены - своего рода свидетели полноценности переноса нужного гена в клетки испытуемого растения, молекулярный инструмент для отбора клеток, содержащих целевой транcген, и для анализа его экспрессии в трансгенных растениях.

Принципы и подходы для оценки возможного риска при использовании трансгенных растений. Существуют два подхода к оценке потенциального риска использования любых трансгенных организмов.

Первый подход - ориентированный на продукт - основан на оценке опасности целевого продукта интродукции трансгена - целевого белка или целевого химического соединения. Не принимается во внимание, как создана генетическая модификация: традиционными методами генетики и селекции или генной инженерией. При этом руководствуются принципом: если продукт генетической модификации безопасен, кроме того, безопасен и реципиентный организм (организм, и который был введен чужеродный ген), то вероятность (риск), что из-за данной генетической модификации организм может стать опасным, вообще не рассматривается. Этот подход положен в основу концепции оценки риска, называемой «подобие по существу», и используется для оценки риска для людей, связанного с употреблением в пищу трансгенных растений.

В дополнение к первому подходу или самостоятельно используют второй подход. Он основан на всесторонней оценке всей процедуры генетической модификации и ответе на вопрос, не приобрел ли исходно безопасный реципиентный организм в процессе генетической рекомбинации каких-либо опасных свойств.

Таким образом, методология первого и второго подходов к оценке риска получения и использования как генетически модифицированных микроорганизмов, так и трансгенных растений до конца не разработана. Некоторые ученые-биологи утверждают: методы генной инженерии и традиционной генетической селекции практически идентичны. Однако вышеприведенные данные о механизмах трансгенных переносов свидетельствуют, что растения, полученные с помощью двух разных технологий, аналогичными быть не могут. Отсюда следует: более «рискованными» для людей, по крайней мере на данный исторический период, являются трансгенные растения, полученные методом генной инженерии.

Глава 8