Генетически модифицированные микроорганизмы

Живые организмы, наследственный материал которых целенаправленно изменен с помощью генно-инженерных методов, называют генетически модифицированными организмами (ГМО). Целью создания любого ГМО является улучшение полезных свойств исходного организма, а также дополнение их рядом необычных характеристик, часто присущих организмам других систематических групп. Для генетической модификации в настоящее время чаще всего применяют перенос фрагментов ДНК из других организмов в организм-продуцент (получение трансгенных организмов). Значительную часть ГМО составляют генетически модифицированные микроорганизмы (ГЕМОМ). В качестве векторов прокариот используют плазмиды и фаги. Поскольку микробные клетки относительно просто устроены, быстро растут и легко подвергаются «конструированию», то ГЕМОМ широко используют в фундаментальных научных исследованиях и прикладных областях. Современная наука использует ГЕМОМ в качестве моделей для решения ряда проблем биологии и медицины (процессы старения и регенерации, закономерности развития некоторых заболеваний и т. д.). Для биотехнологических производств ГЕМОМ — это перспективные продуценты ценных веществ. При помощи генетически модифицированных микроорганизмов получают пищевые добавки, аминокислоты, витамины, ароматизаторы, ферменты, фармацевтические препараты, вакцины, а также некоторые дорогостоящие соединения, ранее производимые путем традиционного химического синтеза. Методами генной инженерии удается не только увеличить продуктивность процесса и удешевить его, но и получить микробиологическим путем необычные для микробного метаболизма продукты при физиологических условиях. Замена химического синтеза на биологический привлекательна с точки зрения экологической безопасности и использования возобновляемых природных источников. Международные стандарты качества производства (GMP) требуют, чтобы после завершающей стадии очистки конечный продукт не содержал микробной ДНК.

В последнее время растет число ГЕМОМ, предлагаемых для разрушения различных загрязнений как в природных местообитаниях, так и в искусственных очистных установках. Новое направление генно-инженерных разработок — это создание микроорганизмов-пробиотиков с заданными свойствами на основе молочнокислых бактерий. Получены штаммы с повышенной активностью использования лактозы и гидролиза белков молока, обладающие устойчивостью к бактериофагам. Перенос генов из неродственных штаммов позволяет «добавить» молочнокислым микроорганизмам ряд дополнительных возможностей (например, способность к образованию (а-кетоглутарата из глутамата).

Потенциальные проблемы, возникающие при неконтролируемом внесении ГЕМОМ в окружающую среду, вызвали широкие дебаты в научном сообществе, вовлекшие поборников защиты окружающей среды и правительственные органы. Основной вопрос заключался в том, как долго ГЕМОМ и их ДНК будут существовать в окружающей природе и смогут ли модифицированные гены от ГЕМОМ быть переданы аборигенным микроорганизмам. Первоначальные эксперименты показали, что ГЕМОМ быстро отмирают при внесении в природные ценозы, поскольку не способны конкурировать с существующими сообществами микроорганизмов. Предполагали, что чужеродная ДНК, внесенная в ГЕМОМ, снижает конкурентоспособность живых клеток по сравнению с «дикими» штаммами из-за больших энергетических затрат на репликацию ДНК. Это предположение было подтверждено при изучении выживания в почве ГЕМОМ Pseudomonas sp. с введенной плазмидой, несущей гены расщепления мощного гербицида, 2,4,5-трихлорфеноксиацетата. Клетки ГЕМОМ-исевдомонад быстро исчезали из почвенного образца и через несколько дней не обнаруживались при прямых высевах на среды. Однако спустя несколько недель ГЕМОМ-псевдомонады вновь можно было обнаружить в образце, что говорит о том, что они не отмирали полностью. Результаты этих и последующих экспериментов показали, что модифицированные псевдомонады могут жить в почве в течение длительного времени. Другие наблюдения показали существование ГЕМОМ в почвенных и водных экосистемах в виде некультивируемых форм бактерий. Специальные исследования также показали, что ДНК разрушенных ГЕМОМ-клеток, адсорбированная на частицах почвенной глины, устойчива к действию ДНК-аз и может существовать в таком «иммобилизованном» виде достаточно долго, а затем быть вовлечена в процесс трансформации. Гены в почвенных и водных экосистемах могут быть также перенесены в результате трансдукции. Так, через год после введения в водную экосистему специфического штамма Pseudomonas sp. В13 в ней были обнаружены виды, расщепляющие 3-хлорбензол (3-ХБ), которые ранее из этой экониши не выделяли. Более того, в геноме нового изолята были обнаружены последовательности, принадлежащие штамму В13. Предполагают, что новый штамм возник в результате обмена частью генома между аборигенной бактерией и внесенным штаммом В13, не способным утилизировать 3-ХБ. Таким образом, перенос генетического материала в природных нишах возможен в течение значительного времени после введения чужеродных генов, и следствием этого может быть изменение пула генов микробиоты данной экосистемы, что отразится на биоразнообразии и стабильности данного сообщества.

Еще одна проблема — это использование при получении ГМ О маркерных микробных генов устойчивости к антибиотикам, которые могут перейти к микробиоте кишечника, что приведет к невозможности лечения многих заболеваний с помощью антибиотиков. В связи с этим с декабря 2004 г. в странах ЕС запрещена продажа ГМО и их продуктов с микробными генами устойчивости к антибиотикам.

Любая интродукция ГЕМОМ в природные экониши опасна из-за возможности горизонтального переноса рекомбинантных генов от ГЕМОМ к другим представителям микробного сообщества. Ситуация осложняется отсутствием адекватных методов выявления и контроля над распространением ГЕМОМ в окружающей среде. Одним из путей может быть внедрение в переносимый наследственный материал генов «программируемой клеточной смерти», которые будут экспрессироваться после того, как функция ГЕМОМ в данном местообитании будет выполнена. Если эти гены будет нести рекомбинантная плазмида, то ее передача другому микроорганизму будет вызывать его гибель. Тем самым будет решена проблема распространения этих плазмид в окружающей среде.