Генная инженерия. 
Генная инженерия и растения

Генетическую инженерию нельзя назвать новой наукой — это просто основанный на достижениях клеточной и молекулярной биологии новый метод в арсенале ученых. Он не только помогает создавать новые сорта растений, но и служит инструментом фундаментальных исследований. Их результаты впоследствии используются в опытах по коммерческой трансформации (генетической модификации) растений. Важным направлением генетической инженерии остается разработка более эффективных способов трансформации.

Ставшая символом наших дней, генетическая инженерия позволяет расширить разнообразие свойств растений, составляющих «палитру» селекционеров. Сегодня уже более 120 видов (от плодово-ягодных и злаковых до декоративных и древесных) модифицированы методами молекулярной селекции. В отличие от обычной селекции, сложившейся исторически как технология эмпирическая, делающая ставку на счастливое (и в значительной мере случайное) сочетание признаков родительских форм в потомстве, молекулярная селекция позволяет вводить конкретный ген, ответственный за тот или иной признак, в растение конкретного генотипа, что резко повышает качество и эффективность работы. Впрочем, серьезные ученые, занимающиеся молекулярной селекцией, признают, что генетическая инженерия не заменяет традиционную селекцию — она лишь важный этап селекционной работы (12, с.66).

Итак, генетическая инженерия 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). Кроме того, она 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 гипотетические риски в будущем, но и угрозу, якобы уже сегодня нависшую над человеком и природой.

Между тем, перенос генов от одних организмов к другим не просто сулит заманчивые перспективы. Растения, устойчивые к болезням, вредителям, гербицидам уже вышли на поля многих стран. Не секрет, что сегодня основной предмет научных и околонаучных дебатов — именно эти формы, «стойкие» к различным вредителям или гербицидам. В 2000 г. этими культурами в мире было засеяно более 40 млн. га (без учета Китая, по которому нет достоверных данных), т. е. 10% всех площадей, пригодных для земледелия. Понятно, что при таких масштабах экспансии новых сортов в спорах о них наряду с научной есть и экономическая подоплека: идет борьба за рынки, в конечном итоге — за выбор пути развития сельского хозяйства. Так, на полях России пока нет ни одного «трансгенного» сорта (13, с. 20).

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 переносит наследственную информацию. В 1953 г. Ф. Крик и Дж. Уотсон выяснили, как биологическая функция ДНК (воспроизводство, копирование и передача наследственной информации) обусловлена ее структурой. В 1972 г. П. Берг получил рекомбинантную (искусственно собранную) молекулу ДНК. А уже в начале 1980;х годов в нескольких лабораториях одновременно создали генетически модифицированные (их еще называют трансгенными) растения (12, с.67).

Изучая почвенную бактерию Agrobacterium tumefaciens, образующую на стволах деревьев и кустарников характерные наросты (корончатые галлы), ученые выяснили, что в процессе эволюции бактерия выработала сложный и изощренный способ паразитировать на растениях. В определенных условиях (например, при наличии ранки на растении) бактерия переносит фрагмент собственной ДНК (получивший название Т-ДНК, от англ. transferred — переносимая) в ядро растительной клетки, где он встраивается в хромосому. Механизм растения, отвечающий за «считывание» собственной ДНК и синтез белка, воспринимает ДНК бактерии как свою собственную и «считывает» ее вместе с обычными растительными генами (этот процесс называется транскрипцией). В Т-ДНК есть две группы генов: первая отвечает за синтез обычных растительных гормонов (ауксинов и цитокининов), вторая — питательных веществ для бактерии (опинов). Усиленная экспрессия (выработка) растительных гормонов в месте поражения, кодируемая первой группой, приводит к образованию опухолей (наростов), поэтому эту группу генов часто называют онкогенами. Образующиеся наросты — экологическая ниша агробактерии, иными словами, паразитируя на молекулярном уровне, агробактерия вынуждает растение вырабатывать опины.

Этот способ паразитировать уникален. Типичный представитель 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 организмов, участком ДНК. Впрочем, и сам механизм трансформации растения, т. е. переноса Т-ДНК в растительную клетку, ее попадания в ядро и внедрения в хромосому, еще до конца не изучен. Зато в деталях известно, как происходит первый («бактериальный») этап трансформации. Т-ДНК находится в бактерии в составе кольцевой ДНК, называемой плазмидой (характерный для бактерий внехромосомный генетический элемент, выполняющий вспомогательные функции, например, перенос генетической информации между клетками). При поражении растения агробактерией в его геном переносится 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. Получается, что ни онкогены, ни гены синтеза опинов не влияют на трансформацию (12, с.68).

Это открытие оказалось очень важным для генетической инженерии растений. Собственно, ее история и началась с момента, когда ученые научились заменять онкогены и гены синтеза опинов в Т-ДНК генами, которые необходимо ввести в растение. В таких растениях корончатых галлов уже не было, не вырабатывались в них и опины. «Обманутая» бактерия, внедряя свою ДНК в хромосому растения, в свою очередь, «обманывает» его геном, вынуждая исправно синтезировать необходимые человеку продукты.

Основанный на целенаправленном переносе генов агробактериями, метод генетической инженерии придал мощный импульс развитию фундаментальной и прикладной биологии и биотехнологии. Первыми трансформированными видами стали растения семейства пасленовых — табак и картофель. Дело в том, что пасленовые сравнительно легко модифицировались с использованием различных штаммов (видов) агробактерий. Со временем выяснилось, что так удается трансформировать большинство представителей класса двудольных.

Природный процесс имитируют так. Нарезают стебли или листья молодых побегов и наносят на них суспензию агробактерий. Повреждение тканей растения в нарезаемых кусочках (эксплантатах) облегчает перенос Т-ДНК из бактерии — ее рецепторы воспринимают выделяемые в разрезах фенольные соединения как «сигнал к атаке». Далее процесс полностью зависит от агробактерий с ее отработанными за тысячелетия навыками «генного инженера». Исследователь априори не знает, какая клетка эксплантата трансформируется, сколько копий Т-ДНК встроится в геном и в какие хромосомы, и не в силах это контролировать, но, одновременно модифицируя множество эксплантатов, впоследствии отбирает те регенерировавшие растения, что представляют для него интерес. Собственно, эта работа сродни труду селекционера, который после скрещивания из множества вариантов отбирает нужный. Как в обычной селекции есть маркеры (признаки), по которым ведется отбор, так и в генетической инженерии есть набор генов-маркеров, по экспрессии которых определяются факт трансформации, эффективность «работы» введенных генов в определенных клетках и тканях, а с недавних пор — даже их положение в определенной хромосоме (5, с. 19).

Специалисты выделяют три «волны» в создании новых форм растений. Первая — создание растений с новыми свойствами устойчивости к вирусам, паразитам или гербицидам. На гребне этой «волны» (в конце 1980;х годов) получены генетически модифицированные сорта основных сельскохозяйственных культур с ключевыми признаками устойчивости. В растениях «первой волны» устойчивость обеспечивалась экспрессией всего одного гена, т. е. синтезом одного дополнительного белка. Относительно быстрый успех в создании растений «первой волны» во многом объясняется именно этим, а также тем, что «полезные «гены «брали «либо у вирусов растений (ген белковой оболочки вируса, обеспечивающий устойчивость к данному вирусу), либо у почвенных бактерий (устойчивость к насекомым, гербицидам), иными словами, в хорошо изученных биологических объектах.

Ныне мы, похоже, вблизи от гребня «второй волны», которая принесет нам растения с новыми потребительскими свойствами. Прежде всего, это масличные культуры с повышенным содержанием и измененным составом масел, а также фрукты и овощи, содержащие больше витаминов, более питательные зерновые и т. д. Один из примеров недавних достижений — «золотой рис». Ученым из Технологического института в Цюрихе (Швейцария) удалось ввести в геном риса гены, ответственные за синтез бета-каротина (провитамина А), и гены, способствующие росту содержания железа в зернах. Появилась надежда преодолеть дефицит железа и витамина, А в рационе многих миллионов страдающих анемией людей (прежде всего — в Азии), для которых рис — основная или даже единственная пища.

Наконец, уже сегодня в ведущих лабораториях мира создают растения «третьей волны», которые в ближайшие 10 лет появятся на рынке. Исследования идут в нескольких основных направлениях: растения-вакцины, растения-фабрики лекарств, растения-биореакторы для производства промышленных продуктов (различных видов пластика, красителей, технических масел и присадок к ним, например, для двигателей внутреннего сгорания и т. д.).