Почему генная инженерия - это не селекция? 5 фактов

Сторонники применения ГМО в сельском хозяйстве утверждают, что генная инженерия — это лишь расширение возможностей скрещивания растений в естественных условиях. Они говорят, что генетически модифицированные (ГМ) культуры ничем не отличаются от выведенных естественным путём культур, за исключением намеренно вставленного чужеродного ГМ гена (трансгена) и белка, для производства которого он был введён.  Но факты о генной инженерии говорят, что это не так.

Генетическая модификация представляет собой искусственную методику, применяемую в лабораторных условиях. Она разработана специально для того, чтобы сделать возможным обмен генами между неродственными или не близкородственными организмами. Более того, эта методика позволяет вводить в геном живых организмов искусственно синтезированную ДНК.

Тогда как естественное скрещивание возможно только между близкородственными формами жизни (кошек с кошками, а не кошек с собаками; пшеницы с пшеницей, а не пшеницы с помидорами или рыбой). При этом гены, содержащие информацию обо всех частях организма, упорядоченно передаются последующим поколениям.

Вот как процесс генной модификации организма описывается в вышедшей в феврале 2020 года Энциклопедии ГМО: мифы и правда (перевод с англ. и редакция Общенациональной Ассоциации генетической безопасности).

1. Выделение необходимого гена

Генная инженерия наделяет организм новым признаком посредством введения в геном организма ответственного за такой признак гена. Первым этапом в этом процессе являются идентификация отвечающего за желаемый признак гена и его выделение. Интересуемый ген, содержащий закодированную информацию о желаемом признаке, идентифицируют и «клонируют» с использованием существующих знаний о геноме конкретного организма.

Это означает, что ген физически изолируют и размножают внутри ГМ бактерии как часть молекулы ДНК, называемой плазмидой. В настоящее время подавляющее большинство запущенных в серийное производство ГМ организмов модифицировано так, чтобы они были устойчивы к одному или нескольким гербицидам или производили один или несколько инсектицидов.

2. Разрезание и слайсинг — создание ГМ генных кассет для введения в растение

Перед использованием для производства ГМ растения соответствующий ген должен быть объединён с подходящими элементами генетического регулирования, которые позволят включить этот ген внутрь нового растения-хозяина, чтобы он начал эффективно производить закодированный им белок. Также для различных целей в ген или вокруг него встраивают и другие элементы. Наиболее значимыми элементами генетического регулирования, определяющими границы необходимых генов, являются промотеры и терминирующие последовательности.

Промотер отмечает начало гена. Он притягивает и связывает мультипротеиновые комплексы, называемые аппаратом экспрессии гена. Этот аппарат считывает нуклеотидную последовательность ДНК гена и синтезирует комплементарную копию матричной РНК (мРНК) нуклеотидной последовательности гена. Терминирующий элемент, как следует из его названия, отмечает конец гена и останавливает процесс синтеза.

В качестве источников промоторов и терминирующих элементов должны использоваться такие организмы, которые позволят им работать внутри ГМ растения. Это могут быть как растения, так и, что случается чаще, вирусы растений, такой как вирус мозаики цветной капусты, ВМЦК (Cauliflower Mosaic Virus, CaMV). Промотеры, полученные из вирусов растений, обычно являются более предпочтительными, поскольку они более активны, чем промоторы генов растений, и повышают уровень экспрессии ГМ гена, а, следовательно, обеспечивают и повышенное производство ГМ белка.

В случаях, когда требуемый ген извлекается не из растения (например, из бактерии или животного), его обычно подвергают модификации и в других отношениях для того, чтобы сделать его более совместимым с аппаратом экспрессии генов в клетках растения-реципиента.

Специалисты в области генной инженерии используют ряд энзимов, чтобы разрезать ДНК на определённые последовательности, а потом срастить различные участки ДНК в плазмиды, переносящие клонированные или необходимые гены. В результате многочисленных операций разрезания и слайсинга получается полноценная генетическая конструкция, называемая генной кассетой.

Например, определённый ген, содержащийся в первом поколении генетически модифицированных сои, кукурузы, хлопчатника и канолы (вид рапса) разновидности Рундап® Рэди (Roundup® Ready), кодирует некий энзим (CP4 EPSPS), отвечающий за устойчивость к гербициду Раундап. Ген CP4 EPSPS был выделен из встречающейся в природе почвенной бактерии. Для того чтобы этот ген включался в растения должным образом, его связали с промотором CaMV 35S, получаемым из вируса мозаики цветной капусты. На своём переднем конце ген CP4 EPSPS также связан с фрагментом гена, называемым сигнальной последовательностью, который выделяется из цветущего растения петунии. Всё это делается для того, чтобы энзим CP4 EPSPS закрепился в нужном месте внутри клетки растения. В итоге к окончанию гена CP4 EPSPS присоединяется последовательность, останавливающая синтез молекул мРНК. Эта терминирующая последовательность извлекается из ещё одного вида почвенных бактерий — Agrobacteriumtumefaciens (A. tumefaciens).

Таким образом, генетически модифицированная генная кассета первого поколения с генетически модифицированной устойчивостью к гербициду Раундап соединяет в себе нуклеотидные последовательности генов четырёх различных организмов: двух видов почвенных бактерий, цветущего растения и вируса растений. В конце концов все они оказываются в сельскохозяйственной культуре, выведенной с помощью методов генной инженерии. Этот наглядный пример демонстрирует, какие невообразимые сочетания генетического материала могут быть использованы в процессе генной инженерии. Пример того, чего никогда не случилось бы в природе.

В дополнение к генам, отвечающим за характерные для конечной культуры признаки, в генную кассету часто включают и другую генетическую единицу. Эта дополнительная генетическая единица функционирует как селективный маркёр, экспрессия которого позволяет выявить определённый целевой признак. Обычно такой признак — это выживаемость в присутствии какого-либо антибиотика или гербицида. Сам ГМ ген может быть использован в качестве суррогатного маркёрного гена и если он кодирует устойчивость к гербицидам. После успешного введения маркёрного гена в геном клеток растения-реципиента (вместе с другим геном или генами в кассете) эти клетки приобретают защиту от воздействия конкретного антибиотика или гербицида. В дальнейшем специалист в области генной инженерии может отделить клетки с интегрированной ГМ генной кассетой от большинства остальных клеток культуры, подвергнув её воздействию антибиотика или гербицида. После этой процедуры выживают лишь клетки, успешно прошедшие процесс модификации и, следовательно, не подверженные воздействию такого антибиотика или гербицида.

3. Введение ГМ генной кассеты в культивируемые растительные клетки

Для того чтобы ввести ГМ генную кассету в геном растения-реципиента, миллионы клеток этого вида подвергают процедуре включения (трансформации) ГМ гена. Для этого растущие клетки растения-реципиента или частей тканей культивируемого растения выращивают в чашках, колбах или пробирках (система, известная как «тканевая культура»), после чего генную кассету вводят в клетки растения-реципиента, используя описываемые ниже методы. В результате в ДНК некоторых растительных клеток тканевой культуры вводится одна или более ГМ генных кассет. Подразумевается, что введённая ДНК перепрограммирует генетическую схему клеток, привнося в клетку совершенно новые свойства.

Существуют два наиболее распространённых способа вставки ГМ генной кассеты. При первом используется «генная пушка», которая произвольно обстреливает клетки растения микроскопическими наночастицами золота или вольфрама, покрытыми генетически модифицированной ДНК. Этот процесс называют бомбардировкой микрочастицами, или биобаллистикой. В некоторых случаях микрочастицы оказываются в ядрах клеток растения, ещё реже ДНК, покрывающей микрочастицы, удаётся встроиться в ДНК клетки растения.

Это абсолютно произвольный процесс, и специалисты в области генной инженерии не располагают никакими средствами, чтобы влиять на него. Им не известно в полной мере, что именно происходит при введении ДНК, и у них нет возможности контролировать, когда или на каком участке ДНК растительной клетки это произойдёт.

При втором способе генной вставки культивируемые клетки инфицируются почвенной бактерией вида A. tumefaciens. В своей естественной форме бактерия A. tumefaciens инфицирует растения в местах повреждений и вызывает у них образование корончатых галлов, опухолевидных образований. Процесс инфицирования включает непосредственную вставку ДНК бактерии A. tumefaciens в ДНК заражённого растения. Для того чтобы вставить ГМ генную кассету в ДНК культивируемых растительных клеток, в генной инженерии используется естественная способность бактерии вида A. tumefaciens внедрять свою ДНК в геном инфицированного растения. Для этого ГМ генную кассету сначала соединяют с фрагментом ДНК бактерии, называемой Ti-плазмидой. Затем такая модифицированная ДНК вводится обратно в бактерию A. tumefaciens. Далее культивируемые растительные клетки инфицируются бактерией, содержащей комбинацию ДНК из ГМ генной кассеты и Ti-плазмиды.

Небольшое количество растительных клеток, подвергнутых воздействию такой бактерии, успешно инфицируется и вставляет ГМ генную кассету в свою собственную ДНК. Так же, как и в случае биобаллистики, процесс вставки бактерии A. tumefaciens является произвольным, и генные инженеры не располагают возможностью контролировать, куда именно, в какой участок генома растительной клетки, будет вставлена ГМ генная кассета. Это метод проб и ошибок.

На данном этапе специалисты в области генной инженерии располагают тканевой культурой, состоящей из миллионов растительных клеток. Некоторые из них смогут подобрать ГМ генную кассету, в то время как у подавляющего большинства клеток этого не получится. Следовательно, специалистам необходимо отобрать неспособные к вставке клетки и исключить их из процесса.

4. Выбор модифицированных растительных клеток

В зависимости от типа маркёрных генов, входящих в состав ГМ генной кассеты (устойчивой к воздействию гербицида или антибиотика), тканевая культура растения, клетки которой прошли процесс генетического модифицирования, обрабатывается гербицидом либо антибиотиком. Эта процедура убивает все клетки, за исключением тех, что успешно ввели ГМ генную кассету в состав своей собственной ДНК и включили её. Только клетки, которые вставили в свой геном маркёрный ген и экспрессируют его, окажутся устойчивыми к воздействию химических веществ. Только они и выживут. Лишь малый процент операций по вставке ГМ генной кассеты приводит к экспрессии ГМ генов в растительных клетках.

5. Обработка гормонами

В дальнейшем те немногие растительные клетки, в которые успешно были внедрены ГМ генные кассеты и которые выжили после химического воздействия, обрабатываются растительными гормонами. Гормоны стимулируют размножение ГМ растительных клеток и их дифференциацию в миниатюрные ГМ растения, которые можно пересадить в почву и выращивать.

6. Подтверждение генетической трансформации

По мере роста ГМ растений генный инженер обследует их и избавляется от деформированных или плохо растущих экземпляров. Оставшиеся растения изучаются, чтобы определить один или более образцов, экспрессирующих ГМ гены на желаемом высоком уровне и с требуемой локализацией внутри растения. Из многих сотен или тысяч полученных экземпляров лишь некоторые смогут соответствовать требованиям. Они становятся кандидатами для массового производства.

Каждое из таких ГМ растений несёт в себе одну и ту же ГМ генную кассету, которая, однако, будет вставлена в разные участки генома растения. Уровень экспрессии ГМ гена у разных ГМ растений будет отличаться. Более того, в разных частях одного ГМ экземпляра экспрессия не будет одинаковой.

На данном этапе ГМ растения ещё не оценивались с точки зрения их безопасности для окружающей среды и здоровья человека или относительно их пищевой ценности. Описание этой операции можно найти в последующих главах.