Генетически модифицированные организмы

Словосочетание «Генетически модифицированный организм» (ГМО) звучит сложно и непонятно, и когда человек сталкивается с чем-то таким, его естественная реакция — настороженность и неприятие, которые, однако, он обычно не может обосновать. Понятие ГМО относится к сложным темам, потому что затрагивает совершенно разные области: агрокультуру, экологию, физиологию, микробиологию и даже экономику с политикой.

В этом обзоре мы не сможем дать ответ на почти гамлетовский вопрос: «Есть или не есть ГМО?», но объясним, что, как и зачем модифицируют, что происходит с ДНК продуктов в нашей пищеварительной системе, и как ГМО может влиять на человека и другие живые организмы.

ДНК, гены и белки

Клетки каждого живого организма содержат генетическую информацию в форме ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), основными структурными единицами которой являются азотистые основания: А, Т, Ц и Г (аденин, тимин, цитозин и гуанин).

Удивительно, но абсолютно все организмы используют эти четыре основания. Длина цепочек ДНК и последовательность оснований будет разной в разных организмах, но сами основания одинаковые.

Геном человека (условно — вся ДНК в клетке) состоит из более чем 3 миллиардов таких оснований. Их последовательность кодирует абсолютно всю информацию о человеке: курносый будет нос или с горбинкой, какого цвета будут глаза, волосы и т. д. Часто геном сравнивают с книгой: если знать «код», то можно понять, что означают комбинации А, Т, Ц, Г.

Особенно важны гены и их последовательности. Наши клетки могут «читать» гены и синтезировать белки по этим «инструкциям». Белки выполняют гигантское количество функций в клетке, а также часто определяют предназначение той или иной клетки или целого органа. Например, клетки поджелудочной железы производят белки-ферменты, которые необходимы для пищеварения. Клетки кишечника на своей поверхности содержат специальные белки-транспортёры, которые помогают всасывать различные вещества.

Генетически модифицированные продукты

Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) дает следующее определение [1]:

Данное определение очень общее. В частности, оно недостаточно точно описывает, что такое «неестественные» методы.

Задолго до открытия ДНК селекторы интуитивно использовали изменения в геноме растений, чтобы путем селекции получить продукт с желаемыми свойствами. Например, никто и не подумает, что теосинте (многопочатковая кукуруза) и современная кукуруза имеют что-то общее. Геном современной кукурузы накопил сотни отличий от генома теосинте за период одомашнивания культуры, благодаря чему современная кукуруза является более привлекательной для сельского хозяйства.

Развитие генной инженерии позволило изменять геномы, не оставляя следов. Например, если растение содержит известный аллерген, можно мутировать соответствующий ген и сделать аллерген безвредным. При этом такие мутации могут происходить спонтанно, естественным путем, но их вероятность мала. В этом случае, методы генной инженерии позволяют значительно ускорить процессы, которые уже применялись в селекции.

В данной статье под ГМО мы будем подразумевать растения, в которые были встроены гены от других организмов с использованием методов биотехнологий.

Какие продукты бывают модифицированы?

Из-за огромной популярности темы ГМО в средствах массовой информации иногда создается впечатление, что почти все продукты питания могут содержать модифицированную ДНК.

Согласно базе данных ISAAA [2] в Российской Федерации можно использовать следующие ГМ растения:

• кукуруза (12 сортов);
• картофель (2 сорта);
• рис (1 сорт);
• соевые бобы (7 сортов);
• сахарная свекла (1 сорт).

В настоящее время на территории Российской Федерации действует Федеральный закон от 3 июля 2016 г. N 358-ФЗ «О внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации в части совершенствования государственного регулирования в области генно-инженерной деятельности». Создание ГМО в России возможно только для научных целей.

С полным списком ГМ организмов, которые можно выращивать в коммерческих целях во всем мире, можно ознакомиться в конце статьи или на сайте ISAAA [2].

Таким образом, если вы видите в магазине грибы или морковь с пометкой «не содержит ГМО», то это рекламный ход и не более того.

Что модифицировано в ГМ растениях?

Если у вас когда-либо был огород, то вы, скорее всего, имеете чёткое представление, какими бы «магическими» качествами вы наделили вашу картошку или капусту. Например, устойчивость к засухе, чтобы не нужно было заниматься поливкой, или устойчивость к гербицидам, чтобы сорняки умирали, а культурные растения росли.

Основная идея, которая лежит в создании ГМ продуктов, — это получение большего и более качественного урожая.

Сейчас используются модификации геномов растений, которые влияют на следующие характеристики:

• устойчивость к болезням растений (например, к некоторым разновидностям вирусов);
• устойчивость к гербицидам;
• защита от насекомых;
• ускоренный рост;
• модифицированные свойства (например, картошка менее подвержена образованию черных точек);
• система контроля опыления (в этом случае растение становится стерильным).

Важно отметить, что в процессе создания ГМ растения, биотехнологи добавляют не только ген или гены, отвечающие за то или иное новое свойство, но также специальный ген, помогающий отобрать растения, которые удалось модифицировать.

Такие гены называют селективными маркерами, и в большинстве случаев — это гены устойчивости к антибиотикам (чаще всего к канамицину). Это новое свойство никак не используется в дальнейшем при культивировании того или иного растения.

Также интересен тот факт, что место в цепочке ДНК, куда попадают новые гены, абсолютно случайно и не контролируется учёными. Современные технологии позволяют определить их расположение со 100% точностью. Тем не менее, зная только позицию в геноме, невозможно сказать, как повлияла вставка на организацию и регуляцию «родных» генов растения.

Получается, ГМ растения содержат новые гены (один или несколько), селективный маркер и свой «родной» геном. Так как новые гены тоже активны, клетки ГМ растения содержат белки — продукты активности генов, которые и отвечают за новые свойства. Например, ГМ картофель или кукуруза производят ВТ-токсины, которые разрушают клетки кишечника насекомых и делают эти растения устойчивыми к вредителям.

Переваривание ДНК продуктов

Мы все знаем про жиры, белки и углеводы и представляем, сколько примерно их нужно съедать в день для поддержания сил и здоровья. Сколько же нужно съедать ДНК? Почему никто не указывает количество ДНК в том или ином продукте?

Дневное потребление ДНК варьирует от 0.1 до 1 г в день [4], [5]. Наш организм способен производить достаточное количество азотистых оснований, чтобы наши клетки продолжали делиться. ДНК, содержащаяся в еде, не представляет питательной ценности и не содержит компонентов, которые наш организм не может произвести сам. Тем не менее наш ЖКТ умеет переваривать ДНК и забирать азотистые основания для нужд организма, а также отличать ДНК вредоносных организмов, таких как вирусы.

Как мы уже отметили, ДНК есть у всех растений. ДНК ГМ продуктов состоит из таких же азотистых оснований, как и у не-ГМ продуктов. Единственное отличие — это то, что их геном содержит вставку, которая делает их особенными.

Однако, сама вставка, с точки зрения молекул, не отличается от соседних «родных» участков генома. Более того, размер вставки не сопоставим с размером генома растения.

Например, длина вставки в модифицированной кукурузе — 5000 пар оснований, а размер всего генома — 2 300 000 000 пар оснований [5]. Следовательно, если вы целый день будете есть исключительно модифицированную кукурузу, в ваш организм поступит около 0,22−0,22 г «неродной» ДНК.

Механическая переработка, высокие температуры и изменения кислотности приводят к разрывам в цепочке ДНК. Было подсчитано, что средняя длина цепочек ДНК после термической обработки составляет примерно 300 пар оснований [5], а это 1/16 часть вставки в модифицированной кукурузе.

Такие короткие цепочки уже не представляют собой полноценный ген, а значит, не кодируют продукт активности гена — белок. При некоторых процессах, таких как очистка сахара или растительных масел, ДНК почти или полностью убирается [5]. Некоторые части растений, например хлопок, сами по себе не содержат ДНК, тогда как само растение (в данном случае хлопчатник) — содержит.

Наш желудочно-кишечный тракт постоянно сталкивается с чужеродной ДНК — не только из продуктов питания, но и с ДНК бактерий, дрожжей и вирусов. Поэтому цель ЖКТ — переварить съеденное и защитить организм. Это происходит за счёт расщепления белков, жиров, углеводов и ДНК специальными ферментами, которые выделяются органами ЖКТ. Например, поджелудочная железа производит нуклеазы, задача которых — расщепить цепочки ДНК до отдельных небольших фрагментов и оснований (А, Т, Г, Ц).

В конечном итоге ДНК любого продукта внутри клеток кишечника будет выглядеть как набор оснований А, Т, Г, Ц и пойдет на использование в различных процессах.

ГМО продукты: мифы и страхи

Может ли ДНК ГМ продуктов встроиться в наш геном?

Процесс пищеварения, как и любой процесс, не эффективен на 100%: не вся ДНК превращается в короткие нефункциональные цепочки, не всё съеденное переваривается до конца, и часть веществ покидает организм до полной деградации.

В нескольких исследованиях на людях [6] и животных [5] оценили процент содержания ДНК в разных отделах кишечника, и пришли к выводу, что более 95% ДНК переваривается и всасывается в верхних отделах кишечника здоровых людей.

Не до конца расщепленные фрагменты ДНК из продуктов питания, в том числе и ГМ растений, теоретически могут попасть в клетки кишечника или другие клетки нашего организма. Следует подчеркнуть, что это касается всей ДНК растений и животных, которые мы потребляем, а не только генетических «вставок» в ДНК продукта.

Многие исследования ставили своей задачей выявление фрагментов чужеродной ДНК в разных органах и тканях. Чаще всего этот вопрос изучался на животных, которые потребляют ГМ корм. Несмотря на разнообразие методов и моделей, исследователи пришли к выводу, что большинство цепочек ДНК расщепляется в ЖКТ [7]. Так, например, только в некоторых органах курицы (мышцы, печень, селезенка и почки) удалось обнаружить трансгенную ДНК, но в яйцах, при этом, её не было [7].

В исследовании на мышах, где ученые кормили животных 0.5 г «чужеродной» ДНК в чистом виде, обнаружили присутствие этого фрагмента в кишечнике, селезенке, печени и лейкоцитах до 24 часов после кормления [8]. Уже через 42 часа «чужеродную» ДНК обнаружить не удалось [8].

Можно сделать вывод, что фрагменты ДНК из продуктов питания действительно могут проникать в клетки организма, но при этом через какое-то время они всё равно распадаются.

Может ли ДНК ГМ продуктов встроиться в геном бактерий в нашем кишечнике?

При попадании в толстый кишечник, процесс переваривания замедляется, и фрагменты ДНК могут попасть в бактерии, которые населяют наш кишечник, и интегрироваться в их геном. Такой «захват» новых генов называется горизонтальным переносом генов и играет огромную роль в эволюции, так как позволяет организмам приобретать новые свойства. Опасно ли это?

Как вы помните, ГМ продукты содержат вставку, частью которой являются гены устойчивости к антибиотикам (в большинстве случаев, к канамицину) [7]. Может ли потребление ГМ продуктов привести к увеличению числа бактерий, устойчивых к антибиотикам? На данный момент считается, что такая вероятность очень мала [4].

Выявить бактерии с трансгеном, содержащимся в ГМ сое, у людей с полноценной функцией кишечника не удалось [6]. К тому же бактерии, устойчивые к канамицину, уже находятся в окружающей среде в небольших количествах, в том числе и в нашем кишечнике [4]. Тем не менее, присутствие подобных генов в ГМ продуктах представляет риск, и сейчас разрабатываются другие маркеры селекции [4].

Могут ли ГМ продукты спровоцировать болезни?

Любая публикация, связывающая ГМ организмы и риск для здоровья, вызывает огромный интерес и много шума в СМИ. К сожалению, очень часто в погоне за красивым и понятным широкой публике заголовком исследования сильно обобщаются.

Ученые также иногда склонны делать выводы, которые недостаточно подтверждаются их данными. Так случилось с исследованием влияния ГМ кукурузы, устойчивой к гербициду Roundup, и одного из компонентов этого гербицида (глифосата) на частоту развития рака у крыс [9].

Хотя научная группа грамотно поставила эксперименты, к сожалению, из-за маленького количества животных невозможно сделать однозначный вывод о том, учащается ли возникновение рака от потребления ГМ кукурузы или глифосата или нет. Из-за огромного внимания к этой работе и недостаточных доказательств было принято решение отозвать статью. Текст исследования доступен для чтения, но помечен красным словом RETRACTED (отозвана).

В настоящий момент нет достаточного количества научных работ, чтобы однозначно ответить на вопрос, могут ли ГМ продукты спровоцировать развитие болезней.

Могут ли ГМ продукты быть токсичными?

Гены, которые встраиваются биотехнологами в геном некоторых растений, могут кодировать вещества, токсичные для насекомых-вредителей. Самые распространенные — это Cry-токсины или БТ-токсины, которые в природе производятся бактериями Bacillus thuringiensis.

Ещё до того, как ученые научились манипулировать геномами, растения опрыскивались самой Bacillus thuringiensis. Личинки насекомых, которые поедали растения, также поглощали и споры этих бактерий с токсином внутри. БТ-токсины связываются с эпителиальными клетками кишечника личинок и разрушают их, что приводит к гибели насекомого.

Из-за различий процессов пищеварения и устройства клеток кишечника было показано, что этот тип токсинов безопасен для млекопитающих (включая людей) [4]. Во любом случае, каждый продукт активности трансгена должен проходить проверку на токсичность.

Могут ли ГМ продукты вызвать аллергию?

Так как ДНК не является аллергеном, то следует рассматривать только опасность аллергии на белки, синтезируемые растениями.

Теоретически сложно предсказать реакцию определенного человека на тот или иной продукт, включая ГМО. Всемирная Организация здравоохранения (ВОЗ) разработала специальные инструкции для оценки возможной аллергенности ГМО [4].

Сначала определяется, похож ли «чужеродный» белок (продукт активности трансгена) на какой-либо известный аллерген и может ли он быть «распознан» иммуноглобулинами Е человека. Этот этап подразумевает биоинформатический анализ и in vitro тесты (тесты «в пробирке» с сывороткой крови). Далее нужно определить, насколько эффективно «чужеродный» белок будет расщеплен в ЖКТ. Также рекомендуется проводить тесты на аллергенность, используя специальные модели животных.

Ни один из этих подходов (особенно поодиночке) не даст однозначного ответа, как именно организм человека (а не лабораторного животного или крови в пробирке) отреагирует на то или иное вещество.

Пока ученые разрабатывают новые, более эффективные методы тестирования на возможную аллергенность, некоторые ГМ растения уже были запрещены к разведению и продаже на основании содержания в них потенциальных аллергенов.

Итоги

• Все продукты растительного или животного происхождения содержат ДНК, а значит, и гены.
• Генетически модифицированные продукты содержат дополнительные фрагменты ДНК.
• 95% ДНК полностью переваривается в верхних отделах ЖКТ.
• В течение определенного времени (до суток) ДНК из продуктов питания может присутствовать в клетках организма, но после 42 часов следов не остается.
• Нет достоверных доказательств того, что ДНК продуктов питания встраивается в геном человека или животных.
• Вероятность передачи генов от продуктов питания бактериям в кишечнике мала.
• Продукты активности «чужеродных» генов теоретически могут быть токсичными веществами или аллергенами, но все выпускаемые на рынок ГМО проверяются на возможную токсичность и аллергенность.
• Методы создания и проверки ГМО, а также правила и нормы постоянно совершенствуются.

«Генетически модифицированные организмы. Часть 1.». Скачать аудиоверсию статьи.