11 клас

ТЕМА АДАПТАЦІЇ

ТЕМА ЕКОЛОГІЯ

До теми "ТИПИ ЗВ'ЯЗКІВ В ЕКОСИСТЕМАХ"

До теми "КОНЦЕПЦІЯ СТАЛОГО РОЗВИТКУ. ЕКОЛОГІЧНЕ МИСЛЕННЯ"

Вместе с Dutch Science Talks «Теории и практики» подготовлен Тест на знание экологических проблем и концепции устойчивого развития планеты

До теми "ЗАСТОСУВАННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ БІОДОСЛІДЖЕНЬ У МЕДИЦИНІ, СЕЛЕКЦІЇ ТА БІОТЕХНОЛОГІЇ"

До теми "КЛІТИННА ІНЖЕНЕРІЯ ТА СУЧАСНА СЕЛЕКЦІЯ"

Генна інженерія — ключовий напрям сучасної біотехнології

04.02.2009

Дедалі частіше лунають застереження щодо продовольчої кризи, яка породжує потребу інтенсифікації рослинництва. За прогнозами, до 2025 р. споживання продуктів харчування подвоїться через зростання населення, тоді як площа сільськогосподарських угідь не зростає. Вирішення проблеми полягає в збільшенні врожаю.
Потенціал традиційних методів селекції наразі уже вичерпано.

Ми стоїмо біля краю неосяжного моря. Тисячі різних дорогоцінних або шкідливих речовин — генів — розчинені в цьому морі... І це море хвилюється. Нечутно щохвилини відбуваються в них мутації, даючи нам нові цінності або отруюючи це море новими отрутами. Поволі розповзаються дифузійними процесами ці гени, захоплюючи все нові й нові зони. Складними потоками переливаються, змішуючись і крутячись, різноколірні струмені, народжуючи нові комбінації генів, часто невідомі людині... Ім’я цьому морю — генофонд. Пізнати, зрозуміти й оволодіти його схвильованим багатоскладовим життям — наше благородне завдання!
(Олександр Серебровський, 1928 р.)

Етапи розвитку селекції

Сорт являє собою унікальну комбінацію генів або алелів генів, яка різнить його з іншими. Традиційна селекція здійснюється під час схрещування двох генотипів (сортів). У популяції, що розщеплюється, хромосоми рекомбінують і обмінюються фрагментами ДНК, унаслідок чого складається нова комбінація генів. Хромосоми обмінюються сотнями й тисячами генів. Передання одного або кількох потрібних генів рослині є складною проблемою.

Особливості традиційної селекції

Процес пошуку потрібних рекомбінантів є ймовірним, у зв’язку з цим є великі витрати часу й великі масштаби схрещувань і досліджуваного селекційного матеріалу.
Новий сорт можна отримати через 12–14 років після гібридизації, коли вже поширено нові раси патогенів і шкідників. У цьому плані традиційна селекція “не наздоганяє” фіто- і ентомоз-санітарні потреби сьогодення.
На практиці сорт може бути стійким проти хвороб протягом п’яти-семи років.
Під час схрещування передаються сотні і тисячі генів.
Неможливо залучити гени із генетично віддалених видів.
Біотехнології відкривають нові перспективи для людства.

Сфери застосування сучасної біотехнології

Промислове виробництво антибіотиків. У другій половині ХХ сторіччя було відкрито низку терапевтично цінних антибіотиків з широким спектром антимікробної дії. Їхнє використання дало можливість ефективно боротися з мікроорганізмами — збудниками черевного тифу, дизентерії, холери, бруцельозу, туляремії, а також рикетсіями (збудниками черевного тифу) й великими вірусами (збудниками Psyttakoza, лімфогранулематозу, трахоми та ін.). На сьогодні кількість відомих антибіотиків перевищує 2000, але на практиці використовують близько 50 найменувань.

Біологічні методи боротьби із забрудненням навколишнього середовища. У 50-60-ті роки минулого століття, живі організми (мікроорганізми, водорості, вищі рослини тощо) почали широко використовувати в технологіях очищення стічних вод і знезараження промислових відходів. Промисловий біотехнологічний синтез. Мікроорганізми широко використовуються для промислового виробництва органічних розчинників (ацетону й бутанолу), амінокислот, кормових білків, ферментів, антибіотиків, вакцин і інших препаратів, широко використовуваних у промисловості, виробництві кормів, сільському господарстві, медицині та ветеринарії. Отримання нових видів палива. Виробництво рідкого моторного палива, зокрема етанолу, методом мікробіологічної ферментації різноманітної сільськогосподарської сировини (цукрова тростина, цукрові буряки і меляса, крохмаль картоплі, маніоки, топінамбур). У Бразилії виробництво етанолу (2004 р.) становило 8,4 млн т, що відповідає 5,6 млн т бензину найвищої якості.

Виробництво біогазу з целюлози й відходів життєдіяльності тварин і людини. Виробництво біогазу засноване на анаеробному розкладанні мікроорганізмами целюлози й органічної речовини, що містить азот, і отриманні з них метану, що використовується для приготування їжі, обігріву й вироблення електроенергії.
Застосування біотехнологічних методів у сільському господарстві привело до справжньої революції в традиційній селекції і дало змогу набагато прискорити процес отримання нових сортів рослин і порід тварин, а також створювати трансгенні форми організмів.

Сучасна біотехнологія в рослинництві

Сучасна біотехнологія заснована на використанні методів клітинної і генетичної інженерії.
Культура in vitro (“у пробірці”) – створення в штучних середовищах культур рослинних і тваринних клітин, тканин і протопластів (рослинні клітини, позбавлені целюлозної оболонки) для одержання безвірусного садивного матеріалу, розмноження цінних форм рослин і тварин, виробництво біологічно активних речовин, антитіл тощо.
ДНК-технології (молекулярні маркери) — добір і селекція рослин за допомогою молекулярних маркерів.
Генна інженерія і генетична трансформація — система методів і технологій, що дають можливість ідентифікувати, виділяти, клонувати й переносити окремі гени.

Генно-модифіковані організми

Генно-модифікований організм (ГМО) — це будь-який організм із новою комбінацією генетичного матеріалу, одержаний завдяки використанню методів генної інженерії. А генетично модифікованими є всі сорти рослин, одержані внаслідок модифікації генетичної структури вихідного генотипу.
Основною метою отримання ГМО є поліпшення агрономічно важливих ознак організму-реципієнта (наприклад, підвищення стійкості рослини до гербіцидів, комах-шкідників, патогенних мікроорганізмів) для зниження собівартості кінцевого продукту.

Етапи розвитку генної інженерії рослин

1944 ДНК — трансформація пневмококів
1953 ДНК — матеріальний носій генетичної інформації
1966 Coe, Sarkar — спроба генетичної трансформації кукурудзи

Передгенно-інженерний період

1970 Синтез гормонів людини в бактеріях
1973 Відкриття природного обміну генетичною інформацією між агробактерією і дводольними

Генна інженерія рослин

1994 Трансгенні помідори
2007 114,3 млн га ГМР

Біоінженерні технології

Процедура одержання ГМО має кілька основних етапів:

виділення та ідентифікація окремих генів (відповідних фрагментів ДНК або РНК), які потрібно перенести іншим організмам;
клонування (розмноження) гена, що переноситься;
перенесення гена (або трансгенної конструкції) всередину клітини і розміщення його в ДНК організму-реципієнта;
виявлення трансгенних клітин (організмів).

Переваги використання ГMР у сільському господарстві

Рослинництво

Стійкість (толерантність) до гербіцидів досягається завдяки перенесенню культурним сортам гена бактерії, мутанта грунтової бактерії Agrobacterium tumefaciens (CP4), ферменту, що обумовлює стійкість до дії гербіциду.
Стійкість трансгенного сорту до певного гербіциду (гліфосату і глюфозинату) дає змогу обприскувати культури цим гербіцидом, знищуючи бур’яни без шкоди для культурної рослини.

Потенційні переваги

Ефективна боротьба з бур’янами й збільшення доходів завдяки зниженню затрат праці.
Зменшення використання гербіцидів завдяки скороченню заявок на їхнє постачання.
Збільшення врожаю завдяки посиленню контролю над бур’янами й підвищенню доходів.
Використання нового (менш шкідливого) виду гербіцидів замість токсичних і хімічно стійких видів.
Стійкість проти комах-шкідників. Стійкість ГМ-рослин проти комах-шкідників досягається внесенням гена, що викликає вироблення інсектицидного токсину (такого, як токсин Bt з бактерії Bacillus thuringiensis). Найбільших успіхів у створенні Bt-сортів удалося досягти на картоплі, кукурудзі та бавовнику.
Зменшення об’єму хімічного інсектициду, використовуваного під час висіву.
Підвищення врожайності завдяки зменшенню збитку, завданого шкідниками, і зростання доходів фермерів.
Скорочення основного збитку до і після зняття врожаю завдяки використанню інсектицидів, застосованих для запобігання проникненню хвороботворних організмів у культуру.

Ризики, пов’язані з ГMР

Передача гена стійкості до гербіциду спорідненим диким видам, що дасть можливість їм перетворитися в гербіцидостійкі “супербур’яни”;
ГМ-культури самі можуть стати “супербур’янами” і розповсюджуватися на нові території, витісняючи інші культури або схрещуючись із ними;
Збільшення використання специфічних гербіцидів на ГM-посівах може призвести до появи гербіцидостійких форм смітних рослин. Зареєстровано низку видів злакових і бобових бур’янів, стійких до гліфосату;
Широке поширення гербіцидостійких сортів збільшує масштаби застосування гербіцидів і витісняє органічні методи боротьби зі смітною рослинністю;
Вирощування ГМ-рослин може призвести до генетичного забруднення посівів фермерів, які впровадили екологічне (органічне) виробництво й переробку, що завдасть великого економічного збитку;
Зниження сортової різноманітності;
Передання гена стійкості до комах-шкідників спорідненим диким видам дасть можливість перетворитися на інсектицидостійкі “супербур’яни”
Інсектицидні культури знищуватимуть нецільові (корисні) види комах. Bt-токсин, що виділяється трансгенними формами картоплі, уражує не тільки колорадського жука, а й 150 інших видів комах, які не поїдають картоплю.
Перехід шкідників на нові культури. Сорти рослин, модифіковані за допомогою ГМ-технологій, стануть непривабливими для шкідників, наприклад, картоплі (з допомогою Bt-токсину), внаслідок чого це може підштовхнути шкідників до освоєння нових, таксиномічно близьких, видів рослин, що масово не уражуються (для колорадського жука — інших пасльонових: томатів, перцю, баклажанів).

Порушення природного контролю спалахів чисельності шкідників

Дія токсинів ГМ-рослин на хижих і паразитичних комах може призвести до серйозних порушень в екосистемах, зокрема до неконтрольованих спалахів чисельності одних видів і вимирання інших. Відомі випадки порушення процесів зростання й життєдіяльності представників одного виду сонечок, основною їжею яких були личинки, вирощені на трансгенній картоплі.
У комах-шкідників почне розвиватися стійкість до інсектицидів, що з часом стане причиною зниження врожаю та використання нових, потужніших, інсектицидів. Так, у фітонематоди Caenorhabditis elegans було виявлено десять мутантів, стійких до Bt-токсину.

Стійкість до вірусних, грибкових і бактеріальних хвороб

Сучасні генно-інженерні технології створення стійких до вірусів сортів рослин базуються на використанні методу перехресного захисту (cross protection). Він заснований на явищі підвищеної стійкості рослин до агресивних форм якого-небудь вірусу за умови, що вони були заражені менш шкідливою формою того самого виду вірусів.

У 1986 році П. Абель уперше одержав стійку до мозаїчного тобамовірусу форму тютюну способом перенесення в геном рослини г ена, що кодує утворення білка оболонки цього вірусу.

З усієї різноманітності одержаних вірусостійких форм для комерційного використання допущено порівняно небагато: папайя, стійка проти вірусу плямистості; дві форми цукіні, стійкі проти кількох вірусів; сорти картоплі з комплексною стійкістю проти колорадського жука (Bt-ген) і проти одного з вірусів картоплі: У-вірусу (PVY) або вірусу скручування листя (PLRV).

Поліпшення якісних характеристик

Створення трансгенних сортів рослин із поліпшеними якісними характеристиками базується на введенні в геном рослини додаткових копій певних власних генів, що спричинює істотне ослаблення їхньої активності.
Наприклад, якість рослинної олії залежить від співвідношення в ній різних жирних кислот. Упровадження в геном сої додаткової копії гена ферменту десатурази призвело до того, що власний ген десатурази перестав працювати. Це спричинило зниження в соєвій олії рівня поліненасичених жирних кислот і призвело до компенсаційного збільшення рівня мононенасиченої жирної кислоти.
Трансгенні сорти картоплі з поліпшеною якістю крохмалю різняться з традиційно високим вмістом амілопектину й низьким — амілози.
Трансгенний сорт томату Flavrsavr різниться з вихідним подовженим періодом зберігання плодів. Гниття стиглих плодів пов’язане з дією ферменту полігалактонази, який руйнує пектин, що міститься в міжклітинному просторі плоду. Внаслідок уведення в геном рослини додаткової копії гена, що кодує цей фермент, вдалося різко знизити його концентрацію й збільшити тривалість зберігання плодів.

ГМ-продукти та харчова промисловість

ГМ-продукти — це продукти, одержані з ГМО або інгредієнтів, що містять їх. ГМ-продукти можна розділити на чотири категорії:

продукти, що містять ГМ-інгредієнти (в основному трансгенна кукурудза й соя). Ці добавки вносять у харчові продукти як речовини, що структурують, підсолоджують, фарбують, а також як речовини, що підвищують вміст білка;
продукти переробки трансгенної сировини (наприклад, соєвий сир, соєве молоко, чіпси, кукурудзяні пластівці, томатна паста);
трансгенні овочі й фрукти (а в недалекому майбутньому, можливо, й тварини), які безпосередньо вживатимуть у їжу;
харчові продукти, зроблені з тварин, вигодуваних на ГМ-продуктах.

Потенційні переваги використання ГМ-продуктів для харчової промисловості:

Поява дешевих джерел жирних кислот для використання їх у харчових і технічних цілях;
Отримання корисніших за своїми поживними властивостями продуктів;
Зниження витрат на виробництво крохмалю;
Подовження термінів зберігання й реалізації плодів.

Потенційні ризики:

Несподівані зміни якості сировини можуть поставити під загрозу безпеку продуктів харчування.
За комплексом білків, вітамінів, незамінних амінокислот харчові трансгенні продукти будуть такими самими, як звичайні, або навіть гіршими.
Погіршають експортні можливості країн, що вимагають маркування продуктів, одержаних з використанням ГМО.

Найімовірніші потенційні харчові ризики, пов’язані з ГМ-продуктами

Безпосередня дія токсичних або алергенних трансгенних ГМ-білків на людину та інших теплокровних.
Алергенна дія трансгенних білків-хітиназ, здатних руйнувати хітинові стінки шкідників. Генами хітиназ модифіковані рі зні сорти рису, картоплі, пшениці та інших культур. Водночас добре відомі так звані бананові алергії, головним алергеном яких є хітинази авокадо, бананів, каштана.
Лектин нарциса, що має яскраво виражені властивості інсектициду, є мутагеном, причому найсильніше мутагенна дія виявляється на культурах лімфоцитів людських ембріонів. Білки лектину були одними з перших трансгенів під час формування стійкості проти комах-шкідників. Роботи, які проводили з трансгенними інсектицидними лектинами бразильського горіха (Bertholletia excelsa), було припинено через їхню високу алергенність. Хітинзв’язуючі лектини з паростків пшениці й квасолі токсичні для ссавців.

Ризики, опосередковані множинною дією трансгенних білків на метаболізм рослин і можливістю накопичення в них небезпечних для здоров’я людини речовин. Нині існують трансгенні сорти помідорів і картоплі з посиленою продукцією флавоноїдів. Проте в таких сортах було виявлено суттєву зміну складу глікоалкалоїдів.
Проводячи роботи зі створення трансгенних рослин із стійкістю проти чинників середовища і для збільшення врожайності, використовують ключовий фермент — аргінін декарбоксилазу. Результатом посиленого синтезу цього ферменту в трансгенних тютюні й рисі є підвищений вміст агматину і вторинних продуктів його розпаду. Ці речовини здатні впливати на поділ клітин і сприяють утворенню пухлин.

Ризики, опосередковані накопиченням гербіцидів і їхніх метаболітів у стійких сортах і видах сільськогосподарських рослин:

У разі обробки Гліфосатом стійких до нього сортів цукрових буряків рослини накопичують токсичні метаболіти Гліфосату.
Зафіксовано здатність репродуктивних тканин бавовника, стійкого до Гліфосату, до дуже високого накопичення цього гербіциду.

Ризики горизонтального перенесення трансгенних конструкцій

Більшість сільськогосподарських ГМ-рослин, крім генів, що додають їм бажаних властивостей, містять маркерні гени стійкості до антибіотиків. Унаслідок цього є небезпека, що ці гени можуть бути перенесені в клітини патогенних або симбіонтних мікроорганізмів, що живуть у шлунково-кишковому тракті людини й сільськогосподарських тварин, і викликати в них стійкість до антибіотиків. У цьому разі використання антибіотика для лікування певної хвороби призведе до відбору бактерій, стійких до нього, й антибіотик почне засвоюватися мікрофлорою безпосередньо в кишківнику, не досягаючи цільових патогенних бактерій, або не впливатиме на стійкі до нього патогенні мікроорганізми.

ГМО і екологічні ризики

Джерела екологічних ризиків широкого використання в сільськогосподарському виробництві пестицидів і генетично модифікованих організмів. До найзначущіших аграрно-екологічних ризиків належать:

зниження різноманітності традиційних (аборигенних) сортів рослин і порід тварин;
скорочення видової різноманітності; швидкорослі види трансгенних організмів можуть витіснити звичайні види з природних екосистем;
неконтрольоване перенесення генів, особливо генів, що визначають стійкість до пестицидів, шкідників і хвороб, унаслідок перезапилення з дикорослими спорідненими й предковими видами;
збільшення використання гербіцидів широкого спектру (наприклад, гліфозинату або гліфосату) призведе до збіднення видового складу корисної ентомо- й орнітофауни (комахи й птахи) і до руйнування агробіоценозів;
виснаження й порушення природної родючості грунтів: ГМ-культури з генами, що прискорюють зростання й розвиток рослин, значно більше, ніж звичайні, виснажують грунт і порушують його структуру. Внаслідок пригнічення токсинами ГМ-рослин життєдіяльності грунтових безхребетних, грунтової мікрофлори й мікрофауни, відбувається порушення природної родючості грунтів.

ГМО і соціально-економічні ризики

Складності у визначенні економічної вигоди.
Насіння ГМ-культур коштує дорожче за звичайне насіння.
У США в 1998 році бушель ГМ-кукурудзи коштував 30 дол. США, сої — 5 дол., що на 20–30% дорожче за насіння звичайних сортів. У Європі в середньому вартість ГМ-насіння була на 35% вища за вартість звичайного: 57 євро/га для ГМ-сої порівняно із 42 євро/га для звичайної сої (2000 р.).
Агротехнічно зручніше вирощування ГМ-рослин складніше оцінити за затратами праці, оскільки фермерам потрібні нові навички для їхнього вирощування.
Використання ГМ-рослин не посприяло очікуваному зменшенню використання пестицидів.
Середня врожайність ГМ-рослин може бути не вищою, а іноді й нижчою, ніж традиційних культур.
Прибутковість виробництва ГМ-рослин виявилася нижчою за очікувану.
Фермери, які вирощують ГМ-культури, не мають контролю над посівним матеріалом, тому їм доводиться виплачувати так звану технологічну платню. У разі із використанням запатентованого насіння фермерам не дозволяється зберігати або використовувати його повторно.
Ситуація ускладнюється дедалі активнішим використанням біотехнологічними компаніями так званих “термінаторних” технологій: ГМ-насіння вирощених рослин роблять стерильним, і це змушує фермерів щорічно купувати дорогий насіннєвий матеріал.
Транснаціональні компанії монополізують ринок насіння.
За даними ООН, у всьому світі понад 1,4 млрд осіб залежать від посівного матеріалу, збереженого фермерами, і технологія “термінаторів” ставить під загрозу гарантування світової продовольчої безпеки.
Система патентування призвела до судових розглядів, де позивачами виступають біотехнологічні компанії, а відповідачами — фермери, що незаконно вирощують ГM-культуру або мають поля, які були генетично забруднені пилком трансгенних рослин.

Хто є супротивником розвитку біотехнологій?

Низка країн, що розвиваються, в яких існує історична недовіра до розвинених країн. Країни, що розвиваються, бояться стати полігоном для випробування нових видів продукції.
Країни ЄС, які протекціонізмом намагаються захиститися від дешевших та технологічно якісніших продуктів зі США, Аргентини й Бразилії.
Хімічні концерни, що виробляють засоби захисту рослин.
“Зелені”, яких фінансують хімічні концерни.
Релігійні організації, які все ж не виступають проти ліків, створених методами генної інженерії.
Політики, які начебто дуже турбуються про здоров’я населення — критикувати ГМО для них значно “доступніше”, ніж виділяти кошти на охорону здоров’я.
Журналісти “жовтих” видань у гонитві за сенсаціями — це вони пустили в обіг словосполучення “їжа Франкенштейна” і “харчовий Чорнобиль”.
Урядові організації, що блокують виділення коштів на розвиток біоінженерії.
Генетично успадковані шарлатани — борці з генетикою, кібернетикою тощо.

Ю. Сиволап, академік УААН, Південний біотехнологічний центр у рослинництві УААН, Одеса

До теми "ГЕННА ІНЖЕНЕРІЯ ТА СУЧАСНА СЕЛЕКЦІЯ"

Інфографіка

Flow Dark
Infogram

До теми "БІОЛОГІЯ ТА МАЙБУТНЄ ЛЮДСТВА"

До теми "БІОНЕБЕЗПЕКА. БІОТЕРОРИЗМ"