Елдышев Ю.Н. (сост.) Современная биотехнология. Мифы и реальность

Подождите немного. Документ загружается.

Химически агрессивная среда цитоплазмы обычно разрушает такие

фрагменты гораздо быстрее, чем с них снимается копия для синтеза

белка. Как и все организмы, бактерии живут только благодаря изби-

рательному поглощению вещества из внешней среды. Вероятность за-

хвата фрагмента чужого генома обратно пропорциональна его длине

(молекулярному весу) и, следовательно, осмысленности и специфич-

ности содержащейся в нем информации. А ведь этот фрагмент пред-

стоит не только прочесть (что возможно благодаря универсальности

генетического кода), но и «правильно понять», т. е. на основе полу-

ченной информации отдельные молекулы должны не только синтези-

роваться, но и правильно собраться в надмолекулярные функцио-

нальные системы клетки. Еще труднее представить себе подобную

систему, эффективно работающую в чуждой для нее цитоплазмати-

ческой среде. Обычно последствия такой работы оказываются нега-

тивными для клетки в целом. Иными словами, неспецифический «го-

ризонтальный» перенос, если и отражается на физиологии клетки, то

почти всегда разрушительно.

Все это справедливо и для вирусной трансдукции. Специфика

лишь в том, что, как уже отмечалось, вирусы в процессе эволюции

совершенствуют механизм «встраивания» своего генома в клетки

хозяина.

«Горизонтальный» перенос в эволюции

На возможную эволюционную роль «горизонтального» переноса, сво-

его рода «обмена» приспособлениями, выработанными далекими

в филогенетическом отношении организмами, впервые указал ан-

глийский биолог К. Уоддингтон в 1957 г. Спустя почти полвека мы

все еще далеки от окончательного вердикта по этой проблеме, но,

с учетом сказанного выше, нет оснований считать роль «горизонталь-

ного» переноса (при отдаленной гибридизации или вирусной транс-

дукции) особо значительной в макроэ^олюции. Впрочем, в некото-

рых группах растений и животных известная роль отдаленной

гибридизации в макроэволюционных процессах уже продемонстри-

рована.

Что же касается вирусной трансдукции, то пока несомненно

лишь то, что этот механизм допускает возможность «горизонталь-

ного» переноса между организмами, не скрещивающимися между

собой при всех известных нам формах отдаленной гибридизации.

Но не следует забывать, что передача фрагмента генома еще не

означает изменение наследственной информации. Ведь купить

книгу, поставить ее на полку и даже размножить — вовсе не равно-

сильно ее прочтению, а тем более пониманию.

Общим указанием на то, что генетических «текстов» это тож|

касается, стал сформулированный еще в 1926 г. С.С. Четверико-s

вым принцип, гласящий: под покровом внешне однообразной адаЫ

тивной нормы, или «дикого типа» вида, содержится огромное

скрытое (почти не проявляющееся в фенотипе) генетическое разно-

образие. К этому, как отмечалось выше, добавляется активное со-

противление организма всем чуждым для него воздействиям, будз

то химический агент, проникший в его внутреннюю среду, или чу-j

жой наследственный «текст», тоже имеющий химическую при-

роду. Важно, что вероятность обнаружить в организме «чужака»

прямо зависит от активности последнего. Чем он активнее, тем-

труднее не заметить его присутствия.

Из общих соображений возможность обмена средствами при-

способления в ходе макроэволюции ограничена универсальностью

генетического кода и механизмов его матричного копирования и

последующей трансляции, выраженной принципом «один ген —

один фермент» (это, заметим, когда до трансляции дело уже

дошло). Но уже для механизмов самосборки надмолекулярных

функциональных систем клетки роль универсальности слабее. Чем

сложнее («надмолекулярнее») система даже на химическом уровне

(не говоря уж о физиологии и морфологии), тем вероятнее, что,

даже если привнесенный «текст» будет транслирован, он приведет

ее к разрушению.

Результаты возможного переноса наследственных «текстов»

между далекими таксонами уже обнаружены как у бактерий, так и

у эукариот. Но говорить об их роли в филогенезе можно будет не

раньше, чем выяснится, с какими именно свойствами фенотипа

адаптивных норм соответствующих видов эти предположительно

перенесенные «тексты» связаны. Это особенно важно для эукариот

с их огромными объемами «молчащих» наследственных «тек-

стов», трансляция которых если и происходит, то практически не

сказывается на надмолекулярном уровне.

Эффективное средство биотехнологии

Скепсис относительно роли «горизонтального» переноса в макро-

эволюции вовсе не означает, что этот природный механизм непри-

меним в генной инженерии. Ведь из того, что самородное железо

редко встречается в земной коре, не следует запрет на использова-

ние железа в технике. Генная инженерия по сравнению со стихий-

ной эволюцией обладает возможностью стратегического планиро-

вания, в тысячи раз повышая вероятность редких в природе

событий. Например, вирусная пересадка генов резко ускоряет про-

! цессы, которые при традиционной селекции требовали многих лет

работы, а часто были бы вовсе невозможны ввиду генетической не-

совместимости партнеров. Впрочем, по крайней мере у эукариот,

проявление в фенотипе «пересаженного» гена сильно зависит от

филогенетической близости (сходства механизмов индивидуаль-

ного развития) донора и реципиента.

Но важные для людей эффекты (например, получение бактери-

альных культур, синтезирующих необходимый для больных диа-

бетом инсулин) достижимы и в рамках природного предела: «один

ген — один фермент».

Потенциальные возможности генной инженерии растений

весьма велики, особенно в сочетании с традиционными методами

селекции (а без них и в генной инженерии не обходятся). Но мы

столько раз, особенно в XX в., испытали на себе негативные послед-

ствия технических достижений, что невольно начинаем «дуть на

воду»: не несет ли генно-инженерный синтез невиданных форм

жизни опасности для человека? Сам процесс создания таких орга-

низмов, особенно используемых в пищу, безусловно, гораздо менее

опасен, чем химический синтез многих лекарств. Во-первых, по-

тому что генная инженерия основана на природном явлении, бла-

гополучно протекавшем 3 млрд лет без нашего участия. Во-вторых,

потому что обеспечить необходимую для употребления в пищу чис-

тоту продуктов абиогенного синтеза — сложная химическая за-

дача. В-третьих, жизнь, как известно со времен Л. Пастера, для по-

строения белков и нуклеиновых кислот использует только левые

изомеры аминокислот (мономеры белков) и правые изомеры нукле-

отидов (мономеры нуклеиновых кислот). Противоположные изо-

меры вредны для всего живого. При абиогенном синтезе выход ле-

вых и правых изомеров одинаков. Их разделение в промышленных

условиях требует немалых затрат. Все же, что делают для нас дру-

гие живые существа, в этом аспекте для нас безвредно.

Но не выйдут ли созданные нами формы жизни из-под нашего

контроля, не начнут ли разрушать привычное нам живое окруже-

ние? Пока генная инженерия совершенствует отобранные в резуль-

тате селекции сорта культурных растений, породы домашних жи-

вотных и штаммы микроорганизмов, нет особых причин для

беспокойства. Мы прежней селекцией уже настолько изменили их,

что они не конкурентоспособны в природных условиях. Если мы

наделим их еще некоторыми чертами, их жизнеспособность в ди-

кой природе скорее упадет, чем возрастет. Опаснее эксперименты

с дикими видами, представителей которых даже небольшие, но

умело подобранные добавки (например, устойчивость к инфек-

циям) могут сделать эффективными конкурентами диких предков.

Однако в естественных биоценозах и это маловероятно: они доста-

точно устойчивы, а взаимное приспособление их членов очень

трудно превзойти, не слишком сильно меняя немногие параметры.

Любые сильные изменения будут, безусловно, нежизнеспособны

в природных условиях. Определенную опасность «новоделы» мо-

гут представлять лишь в сильно нарушенных биоценозах, кото-

рыми мы окружили себя. Здесь природные формы, ослабленные

нарушениями типичной для них внешней среды, могут «проиг-

рать» рукотворным конкурентам.

Но стоит ли задумываться об этом? Стоит. Во-первых, они мо-

гут оказаться эффективными сорняками, а нам и без них от сорня-

ков спасу нет. Во-вторых, как только они закрепятся на заметной

площади, начнется их естественная эволюция, которая чревата их

проникновением в естественные сообщества. Вытесняя нетож-

дественные им природные аналоги, они могут повлиять уже на ес-

тественные биоценозы (так, устойчивость к инфекциям может ли-

шить вид важного естественного ограничения численности).

Впрочем, такие проблемы — тема отдельной публикации, а за-

вершая эту, повторю: для совершенствования культурных форм

нет научно обоснованных запретов.

Как это делается

Ю.Н. Елдышев,

А.Л. Конов

Генная инженерия растений

Что это такое

Генную инженерию нельзя назвать новой наукой — это просто осно-

ванный на достижениях клеточной и молекулярной биологии новый

метод в арсенале ученых. Он не только помогает создавать новые со-

рта растений, но и служит инструментом фундаментальных исследо-

наний. Их результаты впоследствии используются в опытах по ком-

мерческой трансформации (генной модификации) растений. Важным

направлением генной инженерии остается разработка более эффек-

i нвных способов трансформации.

Ставшая символом наших дней, ценная инженерия позволяет рас-

тирить разнообразие свойств растений.'составляющих «палитру» се-

шкционеров. Сегодня уже более 120 видов (от плодово-ягодных и

1 чиповых до декоративных и древесных) модифицированы методами

' гкной инженерии, или молекулярной селекции. В отличие от обыч-

ной селекции, сложившейся исторически как технология эмпиричес-

i ая, делающая ставку на счастливое (и в значительной мере случай-

иск)) сочетание признаков родительских форм в потомстве,

юлекулярная селекция позволяет вводить конкретный ген, отве-

i' твенный за тот или иной признак, в растение с конкретным

геноти-

< 'М, что резко повышает качество и эффективность работы. Впрочем,

иная инженерия не заменяет традиционную селекцию — она лишь

жный этап селекционной работы.

/ 4248

Развитие биотехнологии в целом и генетической инженерии,

в частности, основано на нескольких важнейших открытиях.

В 1944 г. группе ученых под руководством О.Т. Эвери удалось

ввести в клетки бактерий чужеродную ДНК и доказать, что она пе-

реносит наследственную информацию. В 1953 г. Ф. Крик и

Дж. Уотсон выяснили, как биологическая функция ДНК (воспро-

изводство, копирование и передача наследственной информации)

обусловлена ее структурой. В 1972 г. П. Берг получил рекомби-

нантную (искусственно собранную) молекулу ДНК. А уже в начале

1980-х годов в нескольких лабораториях одновременно создали ге-

нетически модифицированные (их еще называют трансгенными)

растения.

Почему об этом надо знать

Генная инженерия растений сегодня — самое бурно развивающееся

направление не только биотехнологии, но, пожалуй, и всего научно-

технологического комплекса (по темпам развития с ним могут

сравниться разве что компьютерные технологии). Но ее применение

вызывает ожесточенные споры: сторонники (прежде всего создатели

новых форм растений) говорят о второй

«зеленой революции», которая решит все

наболевшие проблемы сельского хозяйства,

а противники (преимущественно

радикальные «зеленые» организации)

усматривают в ГМО не только гипотети-

ческие риски в будущем, но и угрозу,

якобы уже сегодня нависшую над челове-

ком и природой.

Между тем перенос генов от одних

организмов к другим не просто сулит

заманчивые перспективы — растения,

устойчивые к болезням, вредителям и

гербицидам, уже вышли на поля многих

стран. Не секрет, что сегодня основной

предмет научных и околонаучных деба-

тов — именно эти формы, «стойкие»

к различным вредителям или гербици-

дам. В 2003 г. ГМ-культурами в мире

было засеяно почти 70 млн га, т. е. 15%

всех площадей, пригодных для земледе-

лия. Понятно, что при таких масштабах

экспансии новых сортов в спорах о них

Распределение по странам

площади возделывания

трансгенных культур в

2003 г.

Страна млн га

США

42,8

Аргентина 13,9

Канада

4,4 6

Бразилия

3 4

Китай

2,8 4

Австралия

0,2

<0,5

ЮАР 0,4 <1

Мексика <0,2 <0,5

Уругвай <0,2 <0,5

Испания <0,2 <0,5

Португалия <0,2 <0,5

Франция <0,2 <0,5

Германия <0,2 <0,5

Болгария <0,2 <0,5

Румыния <0,2 <0,5

Всего

687

наряду с научной есть и экономическая подоплека: идет борьба за

рынки, в конечном итоге — за выбор пути развития сельского хо-

зяйства. Например, на полях России пока нет ни одного «трансген-

ного» сорта.

Как бактерия «обманывает» растения, а

ученые — бактерию

Изучая почвенную бактерию Agrobacterium tumefaciens, образую-

щую на стволах деревьев и кустарников характерные наросты

(корончатые галлы), ученые выяснили, что в процессе эволюции

бактерия выработала изощренный способ паразитировать на расте-

ниях. В определенных условиях (например, при наличии ранки на

растении) бактерия переносит фрагмент собственной ДНК (полу-

чивший название Т-ДНК, от англ, transferred — переносимая)

в ядро растительной клетки, где он встраивается в хромосому. Ме-

ханизм растения, отвечающий за «считывание» собственной ДНК

и синтез белка, воспринимает ДНК бактерии как свою собственную

и воспроизводит ее вместе с обычными растительными генами (этот

процесс называется транскрипцией). Образующиеся в результете

инфекции наросты —• экологическая ниша агробактерии: парази-

тируя на молекулярном уровне, агробактерия вынуждает растение

вырабатывать питательные вещества для собственной жизнедея-

тельности.

Этот способ паразитирования уникален. Типичный представи-

тель прокариот, агробактерия переносит в растения участок ДНК,

который по своим характеристикам оказывается характерным для

эукариот (все высшие растения — эукариоты), потому-то растение

и не отторгает его. Остается загадкой, как в процессе эволюции

бактерии удалось «обзавестись» таким же, как у высших организ-

мов, участком ДНК. Впрочем, и сам механизм трансформации рас-

тения, т. е. переноса Т-ДНК в растительную клетку, ее попадания

в ядро и внедрения в хромосому, до конца еще не изучен. Зато в де-

талях известно, как происходит первый («бактериальный») этап

трансформации. Т-ДНК находится в бактерии в составе кольцевой

ДНК, называемой плазмидой (характерный для бактерий внехро-

мосомный генетический элемент, выполняющий вспомогательные

функции, — например, перенос генетической информации между

клетками). При поражении растения агробактерией в его геном пе-

реносится участок ДНК (та самая Т-ДНК) плазмиды, получившей

название Ti (от англ. Tumor inducing — опухолеобразующая). Для

переноса важны только концевые участки Т-ДНК, а инициируют

его гены, находящиеся вне Т-ДНК.

7* 99