Генна інженерія. Генно-модифіковані й трансгенні організми. Одним з найбільш перспективних і сучасних напрямів біотехнології вважають генну інженерію — маніпуляції з генетичним апаратом і певними генами, що дає змогу за допомогою молекулярно-біологічних методів штучно конструювати нові генотипові комбінації або навіть утворювати нові геноми. Ключовим процесом генної інженерії є введення до генетичного апарату одного організму генів або ділянок ДНК іншого, інколи зовсім неспорідненого організму.

Генна інженерія уможливила створення організмів з новими, раніше не властивими їм якостями, які виявляються дуже цінними для людини. Відомо, що мільйони хворих на цукровий діабет людей потребують щоденних ін'єкцій інсуліну — гормону білкової природи. До того як у процес виробництва інсуліну втрутилася генна інженерія, гормон одержували з підшлункових залоз свиней, великої рогатої худоби й китів. Свинячий інсулін відрізняється від людського однією амінокислотою, інсулін великої рогатої худоби — трьома, а інсулін китів — ще більшою кількістю амінокислотних заміщень. Тому зрозуміло, що інсулін від цих тварин не міг повністю замінити людський. Але як його одержати? Відповідь на це запитання дала генна інженерія. До генетичного апарату певних видів бактерій був уведений ген інсуліну людини, який у них справно працює, унаслідок чого в клітинах бактерій накопичується людський інсулін.

Генетично модифіковані й трансгенні організми. Найбільш молодим напрямом сучасної генетичної інженерії є одержання трансгенних організмів, тобто живих істот, які містять трансгени (від лат. транс — через і ген) — гени бактерій, грибів, рослин або тварин, чужорідні для цього виду організмів. Це може бути, наприклад, акваріумна рибка (іл. 60.1), генетичний апарат якої містить гени від коралів чи медуз, завдяки яким вона здатна світитися. Організми, генетичний апарат яких змінений завдяки генно-інженерним маніпуляціям, отримали назву генетично модифікованих організмів (ГМО).

Іл. 60.1. До генетичного апарату акваріумних рибок даніо-реріо підсаджені гени, які зумовлюють флуоресцентне забарвлення

Зазвичай на практиці поняття трансгенний та генетично модифікований організм є синонімами. Більш того, коректнішою вважають термін трансгенний організм, однак на практиці частіше можна чути про ГМО.

Надзвичайна цінність методів генної інженерії полягає в тому, що її методи допомагають здійснити давнішні мрії селекціонерів: додати організму такі ознаки, які не можна перенести шляхом схрещування з близькоспорідненими видами й зробити процес селекції майже миттєвим.

За одне покоління можна наділити рослину чи тварину необхідними властивостями, на що за звичайної селекції шляхом штучного добору підуть десятиліття.

Генна інженерія народилася в 1972 р. разом з першими трансгенними організмами у Стенфордському університеті (США), коли американський біохімік Пол Берг уперше об'єднав у пробірці фрагменти ДНК фага лямбда, кишкової палички та мавпячого вірусу. Отриману рекомбінантну ДНК було введено в бактерію, що стала першим трансгенним організмом. Перші препарати людського інсуліну, отримані з трансгенних бактерій, надійшли у продаж вже у 70-ті роки XX ст. й з того часу активно використовуються в усьому світі.

Завдяки трансгенним бактеріям, дешево, швидко й у значній кількості одержують інтерферон, імуноглобуліни, різні гормони, незамінні амінокислоти й інші біологічні активні речовини.

Далекі від біології люди часто сприймають слово «модифікований» як неодмінну вказівку на те, що продукт одержаний методом генної інженерії. Наприклад, так трактують термін «модифікований крохмаль». Нагадаємо: крохмаль — це хімічна речовина, вуглевод. Модифікація крохмалю — це хімічний процес поділу довгої молекули крохмалю на коротші відрізки, унаслідок чого одержана суміш полісахаридів має високу здатність утримувати вологу й застосовується як згущувач. Модифікований крохмаль не має ані найменшого стосунку до генетично модифікованих організмів, оскільки не є організмом і не має генів.

Методи одержання трансгенних організмів у лабораторіях. Зазвичай для перенесення генів використовують віруси, фати або плазміди. Вони мають природну здатність атакувати клітини, проникати усередину і вбудовувати свою генетичну інформацію у клітинну ДНК. Ці генетичні основи, що використовують для перенесення генів, називають векторами перенесення генетичної інформації.

Спочатку в плазміду бактерії вбудовувається необхідний ген. Для цього використовують особливі ферменти — рестриктази, здатні розпізнавати ДНК і розщеплювати її в ділянках з відповідною послідовністю нуклеотидів. Відомо понад 500 видів рестриктаз, і кожна специфічно розщеплює ДНК — ріже її, як ножиці, у конкретному місці, а потім вирізує необхідні фрагменти. Частини й розриви ниток ДНК склеюють за допомогою іншого ферменту — лігази. Таким чином, використовуючи «ножиці»-рестриктази і «клей»-лігазу, з однієї ДНК «вирізують», а в іншу ДНК «вклеюють» необхідні гени. Далі трансгенні бактерії культивують разом з клітинами рослини. У результаті того, що плазміди проникають до клітин рослин, фрагменти чужорідної ДНК вбудовуваються в ДНК рослин. У результаті виникають трансгенні клітини, з яких у лабораторних умовах вирощують цілі рослини.

Трансгенні рослини. Перші трансгенні рослини у 1983 р. виростили вчені Інституту рослинництва в Кельні (Німеччина). У 1996 р. компанія «Монсанто» (м. Сент-Луїс, США) одночасно випустила на ринок перші генетично модифіковані сільськогосподарські культури: трансгенну сою і бавовну, стійку до комах. Відтоді лише в цій компанії одержано понад 45 тис. ліній трансгенних рослин, у тому числі: яблуні, сливи, виноград, томати, капуста, баклажани, огірки, кукурудза, пшениця, соя, рис, жито, тютюн тощо.

Генетично модифіковані рослини теж можуть виробляти лікарські речовини. Однак більшість генних модифікацій у рослин спрямовані на розвиток стійкості до сільськогосподарських шкідників або вірусів, виживання в разі обробки полів гербіцидами, підвищення смакових і технічних якостей. Звичайно, поліпшення якості харчової продукції досягають не лише за допомогою генетичних змін, а й іншими, традиційними способами. Наприклад, вирощують рослини, застосовуючи велику кількість хімічних добрив, рослинних гормонів, обробляють плоди спеціальними речовинами, які уможливлюють їх тривале зберігання. У продукти додають хімічні речовини: консерванти, ароматизатори, покращувані смаку. Генетичний склад вихідного організму не змінюється, але до генетично модифікованих організмів подібні методи поліпшення якості продукції не мають жодного стосунку.

Зараз трансгенні рослини вирощують на площі, що становить близько 12 % усіх орних земель. Перше місце з вирощування трансгенних рослин посідають США, Канада, Бразилія, Аргентина, Індія.

Особливості трансгенної картоплі. Одним з найвідоміших прикладів трансгенної рослини є сорти картоплі, стійкі до різноманітних патогенів і шкідників. Особливу популярність отримали різні сорти картоплі, стійкі до колорадського жука. До геному одного із сортів було вмонтовано ген хітинази — ферменту, що розчиняє хітин, який було виділено з певного виду ґрунтових бактерій. Така картопля починає синтезувати невластивий їй фермент хітиназу й накопичувати його в листках і стеблах. Паразитичні гриби, клітинні стінки яких, як ви, напевно, пам'ятаєте, складаються з хітину, і комахи, що мають хітиновий покрив, не можуть живитися зеленою масою такої картоплі, оскільки хітиназа їх ушкоджує. Для людського організму хітиназа безпечна, адже в людському організмі абсолютно відсутній хітин.

Існують ще й інші способи отримання стійкої до колорадського жука картоплі. До геному картоплі вводять ген певного виду ґрунтових бацил, що кодує особливий білок протоксин (від грец. про — попереду і токсікон — отрута), якій стає отрутою для комах лише в кишечнику. Для теплокровних тварин і людини протоксин — небезпечний. Трансгенна картопля не потребує обприскування різноманітними отрутами, а отже, є екологічно безпечнішою, ніж звичайна, оброблена пестицидами.

Застереження під час застосування трансгенних організмів. Генетичні модифікації бактерій, рослин і тварин мають величезне значення для всіх сферлюдського життя — від сільського господарства до виробництва біопалива й охорони здоров'я. Однак існують проблеми безпеки, які не варто залишати поза увагою, впроваджуючи нові сорти генетично модифікованих організмів. Наприклад, «пересадження» рослинам гена стійкості до гербіцидів може спровокувати те, що поле, засаджене такими рослинами, почнуть обприскувати більшими дозами цих гербіцидів, ніж потрібно за технологіями. Унаслідок цього частина отрути може потрапити у воду, на сусідні лани та навіть у їжу. Неприпустимими є генетичні модифікації, за яких рослини зможуть синтезувати небезпечні для людини токсини.

Крім того, у результаті генетичних модифікацій у рослинах починають синтезуватися невластиві їм білки. Це може викликати алергії. Саме з такою небезпекою пов'язана необхідність маркування про вміст у їжі ГМО.

Однак слід пам'ятати, що шкода, яку можуть заподіяти нові генетично модифіковані сорти, — це найчастіше шкода опосередкована. Страхи, що трансгени можуть мігрувати з генетично модифікованих організмів і вбудовуватися у геном людини, безпідставні.

Усі трансгенні сорти рослин перед їх широким застосуванням проходять ретельну перевірку на безпечність для людини й навколишнього середовища. Саме це зумовлює надзвичайно високу вартість розробки й надання висновку про випуск на ринок нових трансгенних рослин-продуктів (від 50 до 200 млн доларів). Як не парадоксально, але трансгенні рослини генетично більш вивчені, ніж сорти, які одержують методами звичайної селекції.

Сучасна біотехнологія дає змогу втручатися в генетичний апарат і конструювати нові комбінації генів і навіть нові геноми. Саме в такий спосіб одержу ють генетично модифіковані, або трансгенні, організми.