Генетическая модернизация
Сегодня вышла моя статья в Популярной механике про генную инженерию. Разумеется, формат блога и научно-популярного издания различаются, поэтому предлагаю альтернативную версию этой статьи, с упоминанием CRISPR системы, V(D)J-рекомбинации и некоторых других деталей, плюс с ссылками на источники. Но можно пройти по ссылке и прочитать адаптированную версию статьи с хорошими картинками http://www.popmech.ru/science/44879-geneticheskaya-modernizatsiya-razveivaem-mify-o-gmo/.
Генетическая модернизация
Во вселенной стратегической компьютерной игры StarCraft внеземная раса Зергов примечательна тем, что научилась усваивать генетический материал других организмов и преобразовывать собственные гены, меняясь и адаптируясь к новым условиям. Эта, на первый взгляд, фантастическая идея намного ближе к реальным возможностям живых организмов, чем кажется. Генная инженерия и генная терапия являются прекрасными примерами научно-технического прогресса. Но намного раньше людей научились изменять свой собственный генетический материал и генетический материал окружающих организмов значительно более простые организмы - бактерии.
В 1928 году английский генетик и врач Фредерик Гриффит (Frederick Griffith) показал [1], что патогенные пневмококки, убитые нагреванием, не вызывают инфекции, но если смешать мертвых патогенных пневмококков и живых непатогенных, то можно получить живых патогенных пневмококков. Очевидно, «патогенность» каким-то образом может передаваться от мертвых бактерий живым. В 1944 году ученые Эвери, Маклеод и Маккарти (Oswald Avery, Colin MacLeod, Maclyn McCarty) показали, что «трансформирующим агентом» в этом эксперименте является молекула ДНК [2]. Бактерии могут активно усваивать фрагменты ДНК из окружающей среды [3], например, из других бактерий и изменить свои собственные свойства.
Сегодня мы очень много знаем про ДНК: этой двухцепочечной молекуле посвящено более двух миллионов научных публикаций. Молекулу ДНК можно рассмотреть как некоторый текст, написанный с использованием алфавита из четырех букв - нуклеотидов. Совокупность всех молекул ДНК человека (всех его хромосом) называется геномом. Геном человека насчитывает примерно три миллиарда «букв». Для сравнения, геном паразитической бактерии микоплазмы составляет всего ~580000 «букв» - это самый маленький бактериальный геном из известных [4]. Сегодня за несколько тысяч долларов человек может целиком прочитать свой геном (все три миллиарда «букв»), записать их на флешку и отдать на изучение молекулярным генетикам. По этой информации можно установить происхождение, цвет глаз, наличие ряда генетических заболеваний и физиологических черт.
Отдельные участки генома представляют собой обособленные гены: функциональные элементы, которые чаще всего отвечают за синтез конкретных белков. У человека около 20000 белок-кодирующих генов (у микоплазмы всего 482 [4]). Белки, как и молекулы ДНК, являются полимерами, но состоят не из нуклеотидов, а из аминокислот. «Алфавит» аминокислот, входящих в состав белков, насчитывает двадцать молекул (бывают другие, «экзотические» аминокислоты, но это тема для отдельной статьи). Зная нуклеотидную последовательность гена, мы можем точно определить аминокислотную последовательность белка, который он кодирует. Эта возможность обусловлена тем, что все организмы используют один и тот же (с небольшими вариациями) хорошо изученный генетический код - правило соответствия «кодонов» (трех нуклеотидов) аминокислотам. Подобная универсальность позволяет генам из одного организма работать в другом организме и производить тот же самый белок.
Но вернемся к бактериям. Как уже было сказано, бактерии могут захватывать фрагменты ДНК прямо из окружающей среды [3] и обмениваться генами с другими штаммами бактерий. Некоторые бактерии, например, золотистый стафилококк, имеют специальные механизмы, которые активируется в неблагоприятных условиях или в результате мутаций, что приводит к значительному увеличению эффективности усвоения чужеродного генетического материала, в том числе генов, отвечающих за устойчивость к антибиотикам из других бактерий. Это позволяет золотистому стафилококку быстрее адаптироваться к меняющейся окружающей среде, к появлению новых антибиотиков.
Подобный «горизонтальный перенос генов» в бактериальном мире достаточно распространен. Но перенос генов может происходить и между бактериями и животными, хоть и намного реже. Например, есть основания полагать, что бактерии вольбахии поделились некоторыми своими генами с комарами [5] и некоторыми другими насекомыми с которыми их связывают отношения симбиоза или паразитизма.
Естественная «генная инженерия» лежит в основе одного из недавно открытых механизмов иммунитета бактерий, так называемой CRISPR системы, предназначенной для защиты от вирусов [6]. Принцип работы CRISPR системы заключается в том, что вирусная ДНК, попавшая в бактериальную клетку, разрезается на маленькие фрагменты, которые встраиваются в специальное место в геноме бактерии, а потом используются для обнаружения и выключения вирусных генов. CRISPR систему можно сравнить с созданием продвинутой базы данных отпечатков пальцев для быстрого поиска преступников. Ученым это бактериальное изобретение недавно удалось «украсть» и использовать для направленного выключения генов модельных животных, в том числе - генов млекопитающих [7]. Это помогает изучать функции генов.
Аналогично, один из основных методов генной инженерии растений использует агробактерии и разработанный ими механизм модификации растительных геномов [8]. Агробактерии обитают в почве и имеют гены, которые кодируют специальные белки, способные «протащить» определенную молекулу ДНК в растительную клетку, встроить ее в растительный геном и тем самым заставить растение производить нужные для бактерии питательные вещества. Ученые позаимствовали эту идею и нашли ей прикладное применение, заменив гены, нужные бактерии, генами, которые кодируют белки, необходимые в сельском хозяйстве. Например, токсин Bt, ядовитый для определенных видов насекомых-вредителей (но не для млекопитающих [9] и не для всех видов насекомых [10]), или белки, придающие растению устойчивость к конкретному гербициду.
Естественной «генной инженерией» занимаются не только бактерии, но и вирусы. Ретровирусы (такие как ВИЧ) умеют встраивать свой генетический материал прямо в геном эукариотических клеток (например, клеток человека). Кроме того, практически у всех живых организмов есть «эгоистичные» мобильные элементы - фрагменты ДНК, которые могут «перескакивать» с одного места в геноме на другое, что тоже является своеобразной формой генной инженерии. Другие вирусы - аденовирусы, не встраивают свою генетическую информацию в геномы животных и растений: их гены могут включаться и работать без интеграции. Эти вирусы активно используются в генной терапии для лечения целого спектра генетических заболеваний. Например, генная терапия продемонстрировала свой потенциал в лечении амавроза Лебера у собак [11]. Амавроз Лебера - врожденная слепота, связанная с недостатком фермента RPE65, необходимого для восстановления зрительного пигмента. Введение копии нормального работающего гена RPE65 в сетчатку глаза с помощью аденовирусов позволяет бороться с этим заболеванием.
Генная инженерия в природе происходит и в некоторых клетках млекопитающих. Например, при созревании некоторых иммунных клеток - лимфоцитов. В отличие от большинства других, гены, кодирующие белки-рецепторы лимфоцитов и антитела, не существуют в готовом виде в эмбриональных клетках млекопитающих. Вместо этого из нескольких повторяющихся сегментов «нарезаются и сшиваются» будущие гены рецепторов и антител (иммуноглобулинов). Этот процесс называется V(D)J рекомбинация. В каждом лимфоците формируется своя комбинация сегментов, свои уникальные гены. Это разнообразие позволяет иммунной системе распознавать широкий спектр чужеродных молекул. Представьте, что у вас 65 прилагательных, 27 существительных и 6 глаголов: вы можете составить из них 10530 разных предложений вида «плохой микроб застрелился», «противная бактерия утопилась» или «злой вирус повесился». Столько комбинаций существует для тяжелой цепи иммуноглобулина человека. А есть еще несколько сотен вариантов для легкой цепи, что в конечном итоге позволяет формировать миллионы различных комбинаций, практически - на любые случаи жизни.
Разнообразие лимфоцитов увеличивается благодаря еще одному механизму. Если лимфоцит столкнулся с антигеном (например, вирусной частицей) и распознал ее, он начинает активно делиться. Одновременно запускаются клеточные процессы, приводящие к появлению новых мутаций в генах иммуноглобулинов [12]. Это приводит к своеобразной Дарвиновской эволюции лимфоцитов: если мутации приводят к увеличению сродства с антигеном, лимфоциты делятся активней и их становится больше, а если мутация приводит к уменьшению сродства с антигеном, темпы деления замедляются. Размножаются самые успешные, и в итоге иммунная система обогащается лимфоцитами, хорошо связывающими антиген.
Таким образом, естественная генная инженерия очень широко используется в природе и играет огромную роль в адаптации живых организмов к окружающей среде. Еще важнее то, что все живые организмы постоянно подвергаются генетическим изменениям в результате случайных мутаций. Одной из причин неизбежности мутаций является отсутствие безупречных механизмов воспроизведения генетической информации. Ферменты, копирующие цепочки ДНК, делают ошибки. Чаще всего эти ошибки исправляются с помощью специальной системы репарации (починки) ДНК, но и этот механизм не идеален. Кроме того, изменения ДНК могут возникать под действием мутагенных факторов. Известно, что в одном поколении у человека возникают десятки новых мутаций [13], т.е. в геноме ребенка обнаруживаются десятки генетических вариантов, которых не было ни у одного из родителей. Кроме возникновения новых мутаций, в ходе полового размножения в каждом поколении возникает новая комбинация уже существующих у родителей генетических вариантов.
Мы подходим к важному выводу: по сути, каждый организм (если не считать клонов) является уникальным и генетически модифицированным (по сравнению со своими предками). У него есть как новые мутации, так и новые комбинации существовавших ранее вариантов генов. Если сравнить два разных сорта арбуза, отличающихся формой, цветом или вкусом, то, скорее всего, отличия между ними в значительной степени связаны с различиями на уровне генов.
Сегодня очень активно обсуждается безопасность продуктов, содержащих «генетически модифицированные организмы». Для продуктов генной инженерии, осуществляемой человеком, намного лучше подходит термин «генетически модернизированные организмы», т.к. генная инженерия позволяет ускорить те процессы генетических изменений, которые самостоятельно происходят в природе, и направить их в нужное человеку русло. Из-за отсутствия сколько-либо существенных различий между механизмами генетической модернизации и без того распространенными в природе процессами генетической модификации возникает теоретически обоснованное представление, что производство ГМ продуктов питания никак не связано с дополнительными рисками. Именно поэтому люди, изучавшие молекулярную генетику, так резко реагируют на заявления о вреде ГМ продуктов, нередко звучащих из уст депутатов, журналистов и активистов-противников ГМО.
Как и любая научная гипотеза, безопасность ГМО нуждалась в экспериментальной проверке и исследовалась очень тщательно. В этом году был опубликован обзор научных работ, посвященных изучению ГМО за последние 10 лет [14]. Всего в обзор вошло 1783 работы. Из них 770 посвящены изучению безопасности использования ГМО в качестве продуктов питания. Вот некоторые из выводов, которые делаются в статье:
Вокруг некоторых работ, якобы показывающих вред отдельных ГМ сортов растений, возникают курьезы: например - сомнительная публикация французского исследователя Сералини (Gilles-Éric Séralini), который утверждал, что ГМ кукуруза вызывает рак и увеличение смертности крыс [16] (это одна из трех упомянутых выше работ о возможной «небезопасности ГМО»). Как оказалось, его исследование содержало грубые ошибки интерпретации данных [17], поэтому было отозвано из научного журнала [18]. В работе было две основные неувязки. Первая - пренебрежение авторами методами статистического анализа. Допустим, я подкину монетку десять раз, а потом еще десять раз. Пусть в первом испытании решка выпала четыре раза, а во втором - шесть. Разница в полтора раза по «решковости» монетки! Означает ли это, что свойства монетки между сериями бросков различались? Вовсе нет, ведь эта разница находится в рамках статистической погрешности. В работе Сералини разница между группами крыс, которые ели ГМ кукурузу и обычную кукурузу, оказалась в рамках статистической погрешности [17] (подробный статистический анализ приведен мной в статье «Toxicity of roundup-tolerant genetically modified maize is not supported by statistical tests», опубликованной в том же журнале, что и работа Сералини). Кстати, следуя наивному подходу Сералини к анализу данных, из его работы можно было заключить, что ГМО в некоторой концентрации в пище приводит к увеличению продолжительности жизни самцов крыс, но об этом факте в статье авторы решили умолчать.
Вторая проблема состояла в том, что использованные крысы принадлежали к специально выведенной линии, широко используемой как модель для изучения раковых заболеваний. К 1.5 годам жизни у 45% крыс этой линии без дополнительных условий возникают раковые опухоли [19]. Сералини предоставил ряд фотографий крыс с крупными опухолями, и это произвело огромное впечатление на общественность, но ввиду вышеупомянутых фактов это никак не подтверждает опасность данного сорта ГМ кукурузы. Несмотря на то, что работа не выдержала объективной критики и была отозвана журналом, работу Сералини продолжают цитировать противники ГМО, а фотографии больных крыс до сих показывают с экранов. Как говорится: «ложки нашлись, но осадок остался». Научная сторона вопроса и проверка фактов противников ГМО, по-видимому, не интересует. Сам Сералини ответил на критику статистической обработки результатов уклончиво, сказав, что «статистика не говорит правду, но может помочь понять результаты» [20]. Тот факт, что результаты исследования находились в пределах случайного разброса данных, прокомментирован не был. Позже Сералини, не исправив ошибок, опубликовал свою статью в другом журнале, но это отдельная история, подробно разобранная в другом месте.
Научный уровень дискуссии о ГМО в центральных СМИ и в обществе поражает наивностью. На прилавках магазинов можно встретить крахмал, соль и даже воду «без ГМО». Можно подумать, что воду или крахмал можно «генетически модифицировать». ГМО постоянно путают с консервантами, пестицидами, синтетическими удобрениями и пищевыми добавками к которым генная инженерия не имеет прямого отношения. От реальных проблем безопасности питания подобные дискуссии уводят в область спекуляций и банальной подмены понятий. От ГМО не умер ни один человек, зато ежегодно огромное количество людей заболевает и гибнет в результате пищевых отравлений, вызванных совершенно натуральными (т.е. так называемыми «природными») микроорганизмами: клостридией, кишечной палочкой, сальмонеллой, листерией, шигеллой, золотистым стафилококком, вирусом гепатита А, норовирусами, энтеровирусами, ротавирусами, патогенными амебами, плоскими и круглыми червями. В Соединенных Штатах Америки из-за пищевых инфекций ежегодно происходит более 40 миллионов отравлений, более ста тысяч людей оказываются госпитализированными, более трех тысяч - погибают. В 2011 году в Германии четыре тысячи человек пострадало и 50 погибло из-за инфекции, вызванной патогенной кишечной палочкой, которая распространилась через продукты с «натуральной» органической фермы. «Натуральное» не значит полезное: природу совсем не заботит наше выживание.
Подчеркнем, что эта статья не пытается доказать, что ГМО «абсолютно безопасны». Ни один продукт питания не является абсолютно безопасным (хотя сомневаюсь, что такая постановка вопроса вообще имеет какой-либо смысл). Даже самая обычная картошка может содержать вполне токсичные алкалоиды [21]. Может ли как-то измениться работа уже имеющихся генов растения в результате встраивания нового гена? Да, может, но от изменений в работе генов не застрахован ни один организм, как мы разобрали выше. Может ли в результате генной инженерии появиться новый сорт растения, который распространится за пределы сельскохозяйственных угодий и как-то повлияет на экосистему? Теоретически и такое возможно, но и это происходит в природе повсеместно: появляются новые виды, экосистемы меняются, одни виды вымирают, другие занимают их место в освободившейся экологической нише. Когда-то в России не выращивали картошку и помидоры, не было и колорадских жуков. Тем не менее, осмысленно говорить о том, что оснований полагать, что генная инженерия несет в себе дополнительные риски для здоровья - нет. Но про эти риски постоянно трубят в СМИ. Почему?
Будет совершенно справедливо упрекнуть рынок ГМО в том, что он в значительной степени монополизирован. Среди гигантов на первом месте стоит компания Монсанто (Monsanto). Разумеется, крупные производители ГМ семян и технологий заинтересованы в прибыли, у них есть собственные интересы и собственное лобби. Тем не менее, они зарабатывают деньги не «из воздуха», а предлагая человечеству прогрессивные сельско-хозяйственные технологии и модернизированные продукты. Основные производители и поставщики органик-продуктов, выращенных с использованием устаревших технологий, и, следовательно, более дорогих (но не более качественных) - тоже не мелкие фермеры, а такие же крупные компании с многомиллиардными оборотами. В одних только США рынок органических продуктов составил на 2012 год 31.5 миллиардов долларов. Это серьезный бизнес, и, поскольку органик-продукты не могут похвастаться какими-либо преимуществами перед ГМО, но обходятся дороже в производстве, никто бы и не отдавал им предпочтение, если бы не страх перед ГМО. Именно ничем не обоснованный страх, раздуваемый средствами массовой информации, рождает спрос на дорогие и нетехнологичные «органик-продукты», и этот страх выгодно сказывается на продажах продуктов, произведенных по устаревающим технологиям.
Вторая причина «борьбы» с ГМО - исключительно политическая, и в чем-то более очевидная: защита отечественных производителей от иностранной продукции. Страны, значительно отставшие в сфере биотехнологий, пытаются найти повод не допустить более дешевые продукты из других стран на свой рынок. Это выгодно опять-таки компаниям производителям, работающим в этих странах (ведь уменьшается конкуренция!), но вовсе не выгодно конечному потребителю, который переплачивает за более дорогой (но не более качественный) продукт.
На сегодняшний день генная инженерия - одна из наиболее изученных с точки зрения безопасности технологий. Генная инженерия позволяет создавать более качественные продукты питания, уменьшить количество используемых на полях пестицидов и защитить окружающую среду. В то же время генную инженерию можно использовать для производства лекарственных препаратов и для лечения генетических заболеваний. Общество научных работников (ОНР) недавно опубликовало « Открытое письмо в поддержку развития генной инженерии в Российской Федерации». Это письмо было подписано 77 российскими учеными: кандидатами и докторами биологических, медицинских, сельскохозяйственных наук. После публикации на сайте ОНР, письмо подписало еще более двухсот ученых. Будем надеяться, что общество и Государство прислушаются к мнению научного сообщества, и сойдутся с ним во мнении, что нужно не запрещать ГМО, а развивать биотехнологии и создавать новые более качественные, безопасные и модернизированные сорта растений. Если же этого не делать, есть серьезный риск отстать от мирового научного и технологического уровня. Навсегда.
Список литературы
1. Griffith F: The Significance of Pneumococcal Types. The Journal of hygiene 1928, 27(2):113-159.
2. Avery OT, Macleod CM, McCarty M: Studies on the Chemical Nature of the Substance Inducing Transformation of Pneumococcal Types : Induction of Transformation by a Desoxyribonucleic Acid Fraction Isolated from Pneumococcus Type Iii. The Journal of experimental medicine 1944, 79(2):137-158.
3. Overballe-Petersen S, Harms K, Orlando LA, Mayar JV, Rasmussen S, Dahl TW, Rosing MT, Poole AM, Sicheritz-Ponten T, Brunak S et al: Bacterial natural transformation by highly fragmented and damaged DNA. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2013, 110(49):19860-19865.
4. Fraser CM, Gocayne JD, White O, Adams MD, Clayton RA, Fleischmann RD, Bult CJ, Kerlavage AR, Sutton G, Kelley JM et al: The minimal gene complement of Mycoplasma genitalium. Science 1995, 270(5235):397-403.
5. Klasson L, Kambris Z, Cook PE, Walker T, Sinkins SP: Horizontal gene transfer between Wolbachia and the mosquito Aedes aegypti. BMC genomics 2009, 10:33.
6. Wiedenheft B, Sternberg SH, Doudna JA: RNA-guided genetic silencing systems in bacteria and archaea. Nature 2012, 482(7385):331-338.
7. Ran FA, Hsu PD, Wright J, Agarwala V, Scott DA, Zhang F: Genome engineering using the CRISPR-Cas9 system. Nature protocols 2013, 8(11):2281-2308.
8. Pasternak JJ, Gruber MY, Thompson JE, Glick BR: Development of DNA-mediated transformation systems for plants. Biotechnology advances 1983, 1(1):1-15.
9. Hadley WM, Burchiel SW, McDowell TD, Thilsted JP, Hibbs CM, Whorton JA, Day PW, Friedman MB, Stoll RE: Five-month oral (diet) toxicity/infectivity study of Bacillus thuringiensis insecticides in sheep. Fundamental and applied toxicology : official journal of the Society of Toxicology 1987, 8(2):236-242.
10. Zhong C, Ellar DJ, Bishop A, Johnson C, Lin S, Hart ER: Characterization of a Bacillus thuringiensis delta-endotoxin which is toxic to insects in three orders. Journal of invertebrate pathology 2000, 76(2):131-139.
11. Annear MJ, Mowat FM, Bartoe JT, Querubin J, Azam SA, Basche M, Curran PG, Smith AJ, Bainbridge JW, Ali RR et al: Successful gene therapy in older Rpe65-deficient dogs following subretinal injection of an adeno-associated vector expressing RPE65. Human gene therapy 2013, 24(10):883-893.
12. Jolly CJ, Neuberger MS: Somatic hypermutation of immunoglobulin kappa transgenes: association of mutability with demethylation. Immunology and cell biology 2001, 79(1):18-22.
13. Kong A, Frigge ML, Masson G, Besenbacher S, Sulem P, Magnusson G, Gudjonsson SA, Sigurdsson A, Jonasdottir A, Jonasdottir A et al: Rate of de novo mutations and the importance of father's age to disease risk. Nature 2012, 488(7412):471-475.
14. Nicolia A, Manzo A, Veronesi F, Rosellini D: An overview of the last 10 years of genetically engineered crop safety research. Critical reviews in biotechnology 2014, 34(1):77-88.
15. Snell C, Bernheim A, Berge JB, Kuntz M, Pascal G, Paris A, Ricroch AE: Assessment of the health impact of GM plant diets in long-term and multigenerational animal feeding trials: a literature review. Food and chemical toxicology : an international journal published for the British Industrial Biological Research Association 2012, 50(3-4):1134-1148.
16. Seralini GE, Clair E, Mesnage R, Gress S, Defarge N, Malatesta M, Hennequin D, de Vendomois JS: Long term toxicity of a Roundup herbicide and a Roundup-tolerant genetically modified maize. Food and chemical toxicology : an international journal published for the British Industrial Biological Research Association 2012, 50(11):4221-4231.
17. Panchin AY: Toxicity of Roundup-tolerant genetically modified maize is not supported by statistical tests. Food and chemical toxicology : an international journal published for the British Industrial Biological Research Association 2013, 53:475.
18. Retraction notice to "Long term toxicity of a Roundup herbicide and a Roundup-tolerant genetically modified maize" [Food Chem. Toxicol. 50 (2012) 4221-4231]. Food and chemical toxicology : an international journal published for the British Industrial Biological Research Association 2014, 63:244.
19. Prejean JD, Peckham JC, Casey AE, Griswold DP, Weisburger EK, Weisburger JH: Spontaneous tumors in Sprague-Dawley rats and Swiss mice. Cancer research 1973, 33(11):2768-2773.
20. Seralini GE, Mesnage R, Defarge N, Gress S, Hennequin D, Clair E, Malatesta M, de Vendomois JS: Answers to critics: Why there is a long term toxicity due to a Roundup-tolerant genetically modified maize and to a Roundup herbicide. Food and chemical toxicology : an international journal published for the British Industrial Biological Research Association 2013, 53:476-483.
21. Korpan YI, Nazarenko EA, Skryshevskaya IV, Martelet C, Jaffrezic-Renault N, El'skaya AV: Potato glycoalkaloids: true safety or false sense of security? Trends in biotechnology 2004, 22(3):147-151.
Генетическая модернизация
Во вселенной стратегической компьютерной игры StarCraft внеземная раса Зергов примечательна тем, что научилась усваивать генетический материал других организмов и преобразовывать собственные гены, меняясь и адаптируясь к новым условиям. Эта, на первый взгляд, фантастическая идея намного ближе к реальным возможностям живых организмов, чем кажется. Генная инженерия и генная терапия являются прекрасными примерами научно-технического прогресса. Но намного раньше людей научились изменять свой собственный генетический материал и генетический материал окружающих организмов значительно более простые организмы - бактерии.
В 1928 году английский генетик и врач Фредерик Гриффит (Frederick Griffith) показал [1], что патогенные пневмококки, убитые нагреванием, не вызывают инфекции, но если смешать мертвых патогенных пневмококков и живых непатогенных, то можно получить живых патогенных пневмококков. Очевидно, «патогенность» каким-то образом может передаваться от мертвых бактерий живым. В 1944 году ученые Эвери, Маклеод и Маккарти (Oswald Avery, Colin MacLeod, Maclyn McCarty) показали, что «трансформирующим агентом» в этом эксперименте является молекула ДНК [2]. Бактерии могут активно усваивать фрагменты ДНК из окружающей среды [3], например, из других бактерий и изменить свои собственные свойства.
Сегодня мы очень много знаем про ДНК: этой двухцепочечной молекуле посвящено более двух миллионов научных публикаций. Молекулу ДНК можно рассмотреть как некоторый текст, написанный с использованием алфавита из четырех букв - нуклеотидов. Совокупность всех молекул ДНК человека (всех его хромосом) называется геномом. Геном человека насчитывает примерно три миллиарда «букв». Для сравнения, геном паразитической бактерии микоплазмы составляет всего ~580000 «букв» - это самый маленький бактериальный геном из известных [4]. Сегодня за несколько тысяч долларов человек может целиком прочитать свой геном (все три миллиарда «букв»), записать их на флешку и отдать на изучение молекулярным генетикам. По этой информации можно установить происхождение, цвет глаз, наличие ряда генетических заболеваний и физиологических черт.
Отдельные участки генома представляют собой обособленные гены: функциональные элементы, которые чаще всего отвечают за синтез конкретных белков. У человека около 20000 белок-кодирующих генов (у микоплазмы всего 482 [4]). Белки, как и молекулы ДНК, являются полимерами, но состоят не из нуклеотидов, а из аминокислот. «Алфавит» аминокислот, входящих в состав белков, насчитывает двадцать молекул (бывают другие, «экзотические» аминокислоты, но это тема для отдельной статьи). Зная нуклеотидную последовательность гена, мы можем точно определить аминокислотную последовательность белка, который он кодирует. Эта возможность обусловлена тем, что все организмы используют один и тот же (с небольшими вариациями) хорошо изученный генетический код - правило соответствия «кодонов» (трех нуклеотидов) аминокислотам. Подобная универсальность позволяет генам из одного организма работать в другом организме и производить тот же самый белок.
Но вернемся к бактериям. Как уже было сказано, бактерии могут захватывать фрагменты ДНК прямо из окружающей среды [3] и обмениваться генами с другими штаммами бактерий. Некоторые бактерии, например, золотистый стафилококк, имеют специальные механизмы, которые активируется в неблагоприятных условиях или в результате мутаций, что приводит к значительному увеличению эффективности усвоения чужеродного генетического материала, в том числе генов, отвечающих за устойчивость к антибиотикам из других бактерий. Это позволяет золотистому стафилококку быстрее адаптироваться к меняющейся окружающей среде, к появлению новых антибиотиков.
Подобный «горизонтальный перенос генов» в бактериальном мире достаточно распространен. Но перенос генов может происходить и между бактериями и животными, хоть и намного реже. Например, есть основания полагать, что бактерии вольбахии поделились некоторыми своими генами с комарами [5] и некоторыми другими насекомыми с которыми их связывают отношения симбиоза или паразитизма.
Естественная «генная инженерия» лежит в основе одного из недавно открытых механизмов иммунитета бактерий, так называемой CRISPR системы, предназначенной для защиты от вирусов [6]. Принцип работы CRISPR системы заключается в том, что вирусная ДНК, попавшая в бактериальную клетку, разрезается на маленькие фрагменты, которые встраиваются в специальное место в геноме бактерии, а потом используются для обнаружения и выключения вирусных генов. CRISPR систему можно сравнить с созданием продвинутой базы данных отпечатков пальцев для быстрого поиска преступников. Ученым это бактериальное изобретение недавно удалось «украсть» и использовать для направленного выключения генов модельных животных, в том числе - генов млекопитающих [7]. Это помогает изучать функции генов.
Аналогично, один из основных методов генной инженерии растений использует агробактерии и разработанный ими механизм модификации растительных геномов [8]. Агробактерии обитают в почве и имеют гены, которые кодируют специальные белки, способные «протащить» определенную молекулу ДНК в растительную клетку, встроить ее в растительный геном и тем самым заставить растение производить нужные для бактерии питательные вещества. Ученые позаимствовали эту идею и нашли ей прикладное применение, заменив гены, нужные бактерии, генами, которые кодируют белки, необходимые в сельском хозяйстве. Например, токсин Bt, ядовитый для определенных видов насекомых-вредителей (но не для млекопитающих [9] и не для всех видов насекомых [10]), или белки, придающие растению устойчивость к конкретному гербициду.
Естественной «генной инженерией» занимаются не только бактерии, но и вирусы. Ретровирусы (такие как ВИЧ) умеют встраивать свой генетический материал прямо в геном эукариотических клеток (например, клеток человека). Кроме того, практически у всех живых организмов есть «эгоистичные» мобильные элементы - фрагменты ДНК, которые могут «перескакивать» с одного места в геноме на другое, что тоже является своеобразной формой генной инженерии. Другие вирусы - аденовирусы, не встраивают свою генетическую информацию в геномы животных и растений: их гены могут включаться и работать без интеграции. Эти вирусы активно используются в генной терапии для лечения целого спектра генетических заболеваний. Например, генная терапия продемонстрировала свой потенциал в лечении амавроза Лебера у собак [11]. Амавроз Лебера - врожденная слепота, связанная с недостатком фермента RPE65, необходимого для восстановления зрительного пигмента. Введение копии нормального работающего гена RPE65 в сетчатку глаза с помощью аденовирусов позволяет бороться с этим заболеванием.
Генная инженерия в природе происходит и в некоторых клетках млекопитающих. Например, при созревании некоторых иммунных клеток - лимфоцитов. В отличие от большинства других, гены, кодирующие белки-рецепторы лимфоцитов и антитела, не существуют в готовом виде в эмбриональных клетках млекопитающих. Вместо этого из нескольких повторяющихся сегментов «нарезаются и сшиваются» будущие гены рецепторов и антител (иммуноглобулинов). Этот процесс называется V(D)J рекомбинация. В каждом лимфоците формируется своя комбинация сегментов, свои уникальные гены. Это разнообразие позволяет иммунной системе распознавать широкий спектр чужеродных молекул. Представьте, что у вас 65 прилагательных, 27 существительных и 6 глаголов: вы можете составить из них 10530 разных предложений вида «плохой микроб застрелился», «противная бактерия утопилась» или «злой вирус повесился». Столько комбинаций существует для тяжелой цепи иммуноглобулина человека. А есть еще несколько сотен вариантов для легкой цепи, что в конечном итоге позволяет формировать миллионы различных комбинаций, практически - на любые случаи жизни.
Разнообразие лимфоцитов увеличивается благодаря еще одному механизму. Если лимфоцит столкнулся с антигеном (например, вирусной частицей) и распознал ее, он начинает активно делиться. Одновременно запускаются клеточные процессы, приводящие к появлению новых мутаций в генах иммуноглобулинов [12]. Это приводит к своеобразной Дарвиновской эволюции лимфоцитов: если мутации приводят к увеличению сродства с антигеном, лимфоциты делятся активней и их становится больше, а если мутация приводит к уменьшению сродства с антигеном, темпы деления замедляются. Размножаются самые успешные, и в итоге иммунная система обогащается лимфоцитами, хорошо связывающими антиген.
Таким образом, естественная генная инженерия очень широко используется в природе и играет огромную роль в адаптации живых организмов к окружающей среде. Еще важнее то, что все живые организмы постоянно подвергаются генетическим изменениям в результате случайных мутаций. Одной из причин неизбежности мутаций является отсутствие безупречных механизмов воспроизведения генетической информации. Ферменты, копирующие цепочки ДНК, делают ошибки. Чаще всего эти ошибки исправляются с помощью специальной системы репарации (починки) ДНК, но и этот механизм не идеален. Кроме того, изменения ДНК могут возникать под действием мутагенных факторов. Известно, что в одном поколении у человека возникают десятки новых мутаций [13], т.е. в геноме ребенка обнаруживаются десятки генетических вариантов, которых не было ни у одного из родителей. Кроме возникновения новых мутаций, в ходе полового размножения в каждом поколении возникает новая комбинация уже существующих у родителей генетических вариантов.
Мы подходим к важному выводу: по сути, каждый организм (если не считать клонов) является уникальным и генетически модифицированным (по сравнению со своими предками). У него есть как новые мутации, так и новые комбинации существовавших ранее вариантов генов. Если сравнить два разных сорта арбуза, отличающихся формой, цветом или вкусом, то, скорее всего, отличия между ними в значительной степени связаны с различиями на уровне генов.
Сегодня очень активно обсуждается безопасность продуктов, содержащих «генетически модифицированные организмы». Для продуктов генной инженерии, осуществляемой человеком, намного лучше подходит термин «генетически модернизированные организмы», т.к. генная инженерия позволяет ускорить те процессы генетических изменений, которые самостоятельно происходят в природе, и направить их в нужное человеку русло. Из-за отсутствия сколько-либо существенных различий между механизмами генетической модернизации и без того распространенными в природе процессами генетической модификации возникает теоретически обоснованное представление, что производство ГМ продуктов питания никак не связано с дополнительными рисками. Именно поэтому люди, изучавшие молекулярную генетику, так резко реагируют на заявления о вреде ГМ продуктов, нередко звучащих из уст депутатов, журналистов и активистов-противников ГМО.
Как и любая научная гипотеза, безопасность ГМО нуждалась в экспериментальной проверке и исследовалась очень тщательно. В этом году был опубликован обзор научных работ, посвященных изучению ГМО за последние 10 лет [14]. Всего в обзор вошло 1783 работы. Из них 770 посвящены изучению безопасности использования ГМО в качестве продуктов питания. Вот некоторые из выводов, которые делаются в статье:
- Нет никаких научных подтверждений токсичности или дополнительной аллергенности одобренных к коммерческой реализации ГМ сортов.
- Только в трех исследованиях возникли подозрения о негативном влиянии трех конкретных ГМ сортов кукурузы, но эти подозрения не оправдались.
- Только в двух случаях была установлена потенциальная аллергенность ГМ сортов. Один случай не был подтвержден, другой касался гена бразильского ореха в ГМ сое. Этот сорт никогда не поступал на рынок.
Вокруг некоторых работ, якобы показывающих вред отдельных ГМ сортов растений, возникают курьезы: например - сомнительная публикация французского исследователя Сералини (Gilles-Éric Séralini), который утверждал, что ГМ кукуруза вызывает рак и увеличение смертности крыс [16] (это одна из трех упомянутых выше работ о возможной «небезопасности ГМО»). Как оказалось, его исследование содержало грубые ошибки интерпретации данных [17], поэтому было отозвано из научного журнала [18]. В работе было две основные неувязки. Первая - пренебрежение авторами методами статистического анализа. Допустим, я подкину монетку десять раз, а потом еще десять раз. Пусть в первом испытании решка выпала четыре раза, а во втором - шесть. Разница в полтора раза по «решковости» монетки! Означает ли это, что свойства монетки между сериями бросков различались? Вовсе нет, ведь эта разница находится в рамках статистической погрешности. В работе Сералини разница между группами крыс, которые ели ГМ кукурузу и обычную кукурузу, оказалась в рамках статистической погрешности [17] (подробный статистический анализ приведен мной в статье «Toxicity of roundup-tolerant genetically modified maize is not supported by statistical tests», опубликованной в том же журнале, что и работа Сералини). Кстати, следуя наивному подходу Сералини к анализу данных, из его работы можно было заключить, что ГМО в некоторой концентрации в пище приводит к увеличению продолжительности жизни самцов крыс, но об этом факте в статье авторы решили умолчать.
Вторая проблема состояла в том, что использованные крысы принадлежали к специально выведенной линии, широко используемой как модель для изучения раковых заболеваний. К 1.5 годам жизни у 45% крыс этой линии без дополнительных условий возникают раковые опухоли [19]. Сералини предоставил ряд фотографий крыс с крупными опухолями, и это произвело огромное впечатление на общественность, но ввиду вышеупомянутых фактов это никак не подтверждает опасность данного сорта ГМ кукурузы. Несмотря на то, что работа не выдержала объективной критики и была отозвана журналом, работу Сералини продолжают цитировать противники ГМО, а фотографии больных крыс до сих показывают с экранов. Как говорится: «ложки нашлись, но осадок остался». Научная сторона вопроса и проверка фактов противников ГМО, по-видимому, не интересует. Сам Сералини ответил на критику статистической обработки результатов уклончиво, сказав, что «статистика не говорит правду, но может помочь понять результаты» [20]. Тот факт, что результаты исследования находились в пределах случайного разброса данных, прокомментирован не был. Позже Сералини, не исправив ошибок, опубликовал свою статью в другом журнале, но это отдельная история, подробно разобранная в другом месте.
Научный уровень дискуссии о ГМО в центральных СМИ и в обществе поражает наивностью. На прилавках магазинов можно встретить крахмал, соль и даже воду «без ГМО». Можно подумать, что воду или крахмал можно «генетически модифицировать». ГМО постоянно путают с консервантами, пестицидами, синтетическими удобрениями и пищевыми добавками к которым генная инженерия не имеет прямого отношения. От реальных проблем безопасности питания подобные дискуссии уводят в область спекуляций и банальной подмены понятий. От ГМО не умер ни один человек, зато ежегодно огромное количество людей заболевает и гибнет в результате пищевых отравлений, вызванных совершенно натуральными (т.е. так называемыми «природными») микроорганизмами: клостридией, кишечной палочкой, сальмонеллой, листерией, шигеллой, золотистым стафилококком, вирусом гепатита А, норовирусами, энтеровирусами, ротавирусами, патогенными амебами, плоскими и круглыми червями. В Соединенных Штатах Америки из-за пищевых инфекций ежегодно происходит более 40 миллионов отравлений, более ста тысяч людей оказываются госпитализированными, более трех тысяч - погибают. В 2011 году в Германии четыре тысячи человек пострадало и 50 погибло из-за инфекции, вызванной патогенной кишечной палочкой, которая распространилась через продукты с «натуральной» органической фермы. «Натуральное» не значит полезное: природу совсем не заботит наше выживание.
Подчеркнем, что эта статья не пытается доказать, что ГМО «абсолютно безопасны». Ни один продукт питания не является абсолютно безопасным (хотя сомневаюсь, что такая постановка вопроса вообще имеет какой-либо смысл). Даже самая обычная картошка может содержать вполне токсичные алкалоиды [21]. Может ли как-то измениться работа уже имеющихся генов растения в результате встраивания нового гена? Да, может, но от изменений в работе генов не застрахован ни один организм, как мы разобрали выше. Может ли в результате генной инженерии появиться новый сорт растения, который распространится за пределы сельскохозяйственных угодий и как-то повлияет на экосистему? Теоретически и такое возможно, но и это происходит в природе повсеместно: появляются новые виды, экосистемы меняются, одни виды вымирают, другие занимают их место в освободившейся экологической нише. Когда-то в России не выращивали картошку и помидоры, не было и колорадских жуков. Тем не менее, осмысленно говорить о том, что оснований полагать, что генная инженерия несет в себе дополнительные риски для здоровья - нет. Но про эти риски постоянно трубят в СМИ. Почему?
Будет совершенно справедливо упрекнуть рынок ГМО в том, что он в значительной степени монополизирован. Среди гигантов на первом месте стоит компания Монсанто (Monsanto). Разумеется, крупные производители ГМ семян и технологий заинтересованы в прибыли, у них есть собственные интересы и собственное лобби. Тем не менее, они зарабатывают деньги не «из воздуха», а предлагая человечеству прогрессивные сельско-хозяйственные технологии и модернизированные продукты. Основные производители и поставщики органик-продуктов, выращенных с использованием устаревших технологий, и, следовательно, более дорогих (но не более качественных) - тоже не мелкие фермеры, а такие же крупные компании с многомиллиардными оборотами. В одних только США рынок органических продуктов составил на 2012 год 31.5 миллиардов долларов. Это серьезный бизнес, и, поскольку органик-продукты не могут похвастаться какими-либо преимуществами перед ГМО, но обходятся дороже в производстве, никто бы и не отдавал им предпочтение, если бы не страх перед ГМО. Именно ничем не обоснованный страх, раздуваемый средствами массовой информации, рождает спрос на дорогие и нетехнологичные «органик-продукты», и этот страх выгодно сказывается на продажах продуктов, произведенных по устаревающим технологиям.
Вторая причина «борьбы» с ГМО - исключительно политическая, и в чем-то более очевидная: защита отечественных производителей от иностранной продукции. Страны, значительно отставшие в сфере биотехнологий, пытаются найти повод не допустить более дешевые продукты из других стран на свой рынок. Это выгодно опять-таки компаниям производителям, работающим в этих странах (ведь уменьшается конкуренция!), но вовсе не выгодно конечному потребителю, который переплачивает за более дорогой (но не более качественный) продукт.
На сегодняшний день генная инженерия - одна из наиболее изученных с точки зрения безопасности технологий. Генная инженерия позволяет создавать более качественные продукты питания, уменьшить количество используемых на полях пестицидов и защитить окружающую среду. В то же время генную инженерию можно использовать для производства лекарственных препаратов и для лечения генетических заболеваний. Общество научных работников (ОНР) недавно опубликовало « Открытое письмо в поддержку развития генной инженерии в Российской Федерации». Это письмо было подписано 77 российскими учеными: кандидатами и докторами биологических, медицинских, сельскохозяйственных наук. После публикации на сайте ОНР, письмо подписало еще более двухсот ученых. Будем надеяться, что общество и Государство прислушаются к мнению научного сообщества, и сойдутся с ним во мнении, что нужно не запрещать ГМО, а развивать биотехнологии и создавать новые более качественные, безопасные и модернизированные сорта растений. Если же этого не делать, есть серьезный риск отстать от мирового научного и технологического уровня. Навсегда.
Список литературы
1. Griffith F: The Significance of Pneumococcal Types. The Journal of hygiene 1928, 27(2):113-159.
2. Avery OT, Macleod CM, McCarty M: Studies on the Chemical Nature of the Substance Inducing Transformation of Pneumococcal Types : Induction of Transformation by a Desoxyribonucleic Acid Fraction Isolated from Pneumococcus Type Iii. The Journal of experimental medicine 1944, 79(2):137-158.
3. Overballe-Petersen S, Harms K, Orlando LA, Mayar JV, Rasmussen S, Dahl TW, Rosing MT, Poole AM, Sicheritz-Ponten T, Brunak S et al: Bacterial natural transformation by highly fragmented and damaged DNA. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2013, 110(49):19860-19865.
4. Fraser CM, Gocayne JD, White O, Adams MD, Clayton RA, Fleischmann RD, Bult CJ, Kerlavage AR, Sutton G, Kelley JM et al: The minimal gene complement of Mycoplasma genitalium. Science 1995, 270(5235):397-403.
5. Klasson L, Kambris Z, Cook PE, Walker T, Sinkins SP: Horizontal gene transfer between Wolbachia and the mosquito Aedes aegypti. BMC genomics 2009, 10:33.
6. Wiedenheft B, Sternberg SH, Doudna JA: RNA-guided genetic silencing systems in bacteria and archaea. Nature 2012, 482(7385):331-338.
7. Ran FA, Hsu PD, Wright J, Agarwala V, Scott DA, Zhang F: Genome engineering using the CRISPR-Cas9 system. Nature protocols 2013, 8(11):2281-2308.
8. Pasternak JJ, Gruber MY, Thompson JE, Glick BR: Development of DNA-mediated transformation systems for plants. Biotechnology advances 1983, 1(1):1-15.
9. Hadley WM, Burchiel SW, McDowell TD, Thilsted JP, Hibbs CM, Whorton JA, Day PW, Friedman MB, Stoll RE: Five-month oral (diet) toxicity/infectivity study of Bacillus thuringiensis insecticides in sheep. Fundamental and applied toxicology : official journal of the Society of Toxicology 1987, 8(2):236-242.
10. Zhong C, Ellar DJ, Bishop A, Johnson C, Lin S, Hart ER: Characterization of a Bacillus thuringiensis delta-endotoxin which is toxic to insects in three orders. Journal of invertebrate pathology 2000, 76(2):131-139.
11. Annear MJ, Mowat FM, Bartoe JT, Querubin J, Azam SA, Basche M, Curran PG, Smith AJ, Bainbridge JW, Ali RR et al: Successful gene therapy in older Rpe65-deficient dogs following subretinal injection of an adeno-associated vector expressing RPE65. Human gene therapy 2013, 24(10):883-893.
12. Jolly CJ, Neuberger MS: Somatic hypermutation of immunoglobulin kappa transgenes: association of mutability with demethylation. Immunology and cell biology 2001, 79(1):18-22.
13. Kong A, Frigge ML, Masson G, Besenbacher S, Sulem P, Magnusson G, Gudjonsson SA, Sigurdsson A, Jonasdottir A, Jonasdottir A et al: Rate of de novo mutations and the importance of father's age to disease risk. Nature 2012, 488(7412):471-475.
14. Nicolia A, Manzo A, Veronesi F, Rosellini D: An overview of the last 10 years of genetically engineered crop safety research. Critical reviews in biotechnology 2014, 34(1):77-88.
15. Snell C, Bernheim A, Berge JB, Kuntz M, Pascal G, Paris A, Ricroch AE: Assessment of the health impact of GM plant diets in long-term and multigenerational animal feeding trials: a literature review. Food and chemical toxicology : an international journal published for the British Industrial Biological Research Association 2012, 50(3-4):1134-1148.
16. Seralini GE, Clair E, Mesnage R, Gress S, Defarge N, Malatesta M, Hennequin D, de Vendomois JS: Long term toxicity of a Roundup herbicide and a Roundup-tolerant genetically modified maize. Food and chemical toxicology : an international journal published for the British Industrial Biological Research Association 2012, 50(11):4221-4231.
17. Panchin AY: Toxicity of Roundup-tolerant genetically modified maize is not supported by statistical tests. Food and chemical toxicology : an international journal published for the British Industrial Biological Research Association 2013, 53:475.
18. Retraction notice to "Long term toxicity of a Roundup herbicide and a Roundup-tolerant genetically modified maize" [Food Chem. Toxicol. 50 (2012) 4221-4231]. Food and chemical toxicology : an international journal published for the British Industrial Biological Research Association 2014, 63:244.
19. Prejean JD, Peckham JC, Casey AE, Griswold DP, Weisburger EK, Weisburger JH: Spontaneous tumors in Sprague-Dawley rats and Swiss mice. Cancer research 1973, 33(11):2768-2773.
20. Seralini GE, Mesnage R, Defarge N, Gress S, Hennequin D, Clair E, Malatesta M, de Vendomois JS: Answers to critics: Why there is a long term toxicity due to a Roundup-tolerant genetically modified maize and to a Roundup herbicide. Food and chemical toxicology : an international journal published for the British Industrial Biological Research Association 2013, 53:476-483.
21. Korpan YI, Nazarenko EA, Skryshevskaya IV, Martelet C, Jaffrezic-Renault N, El'skaya AV: Potato glycoalkaloids: true safety or false sense of security? Trends in biotechnology 2004, 22(3):147-151.