Сумма биотехнологии. Руководство по борьбе с мифами о генетической модификации растений, животных и - Панчин Александр

Склонность бактерий хватать чужие гены имеет серьезные последствия. Мы уже обсуждали пример, когда произошел обмен генами между двумя штаммами кишечной палочки и получился новый и весьма опасный для человека штамм, который убил несколько десятков людей в Германии. Другая проблема связана с тем, что некоторые болезнетворные бактерии могут позаимствовать гены устойчивости к антибиотикам у своих безобидных “коллег”, встречающихся повсеместно в природе.

Антибиотики, такие как классический пенициллин, выделенный из грибов, – эффективные антибактериальные средства, но чем больше мы их используем, тем хуже они работают. Используя антибиотики слишком часто, мы создаем условия, в которых бактерии начинают эволюционировать, вырабатывая устойчивость к этим препаратам. Мы убиваем бактерий антибиотиком, но бактерий очень много, а благодаря мутациям они еще и разнообразны. Некоторые бактерии с полезными мутациями, обеспечивающими устойчивость к антибиотикам, выживают. Горизонтальный перенос генов позволяет выжившим бактериям передавать устойчивость не только своим прямым потомкам, но и другим бактериям, в том числе и более опасным.

Сегодня в развитых странах пытаются снижать частоту применения антибиотиков. Становится ясно, что не стоит злоупотреблять антибиотиками в сельском хозяйстве, а новые антибиотики нужно использовать только при крайней необходимости, чтобы чрезмерно не стимулировать эволюцию бактерий. Не стоит употреблять антибиотики без назначения врача, а курс лечения следует проходить до конца, поскольку от малой дозы антибиотиков погибнут только наименее приспособленные бактерии, а потомки выживших могут стать еще лучше приспособленными и опасными. Еще один способ предотвращения такой нежелательной эволюции бактерий – использование сразу нескольких разных антибиотиков. К подобным “коктейлям” сложнее приспособиться.

Хорошая новость заключается в том, что если перестать использовать антибиотики, которые потеряли эффективность, то со временем бактерии утратят к ним устойчивость. Последовательно осуществляя ротацию антибиотиков при достаточном их разнообразии, мы можем обогнать эволюцию бактерий и защитить себя от инфекций. Но делать это желательно во всем мире. Тот же самый подход можно использовать и в случаях, когда у насекомых-вредителей возникает устойчивость к какому-то инсектициду или когда у сорняка возникает устойчивость к гербициду.

Но бактерии-зерги не ограничиваются лишь обменом устойчивостью к антибиотикам. Некоторые бактерии встраивают в свой геном последовательности вирусов, чтобы научиться защищаться от них, – это лежит в основе недавно открытого механизма бактериального иммунитета, так называемой CRISPR-системы¹¹⁷, о которой мы поговорим подробнее при обсуждении методов генной инженерии в тринадцатой главе. В общих чертах: вирус бактериофаг впрыскивает свою ДНК в бактерию в надежде, что бактерия ее размножит, но хитрая бактерия вместо этого вырезает кусочек вирусной ДНК и встраивает его в свой геном, в специальное место, которое называется CRISPR-кассетой. После этого бактерия синтезирует небольшие РНК-фрагменты, комплементарные вирусной ДНК, а специальный белок использует их, чтобы при следующем визите вируса распознать его. Всякая молекула ДНК, комплементарная РНК-фрагменту, подлежит уничтожению. По сути, бактерия создает базу данных “отпечатков пальцев” преступников, чтобы потом было легче их ловить.

Некоторые бактерии умеют генетически модифицировать не только себя, но и другие организмы. Агробактерия Agrobacterium tumefaciens живет повсеместно в почве. У нее есть специальная Тi-плазмида, а внутри плазмиды содержится особый участок, Т-ДНК, который агробактерия умеет встраивать в геномы растений. Речь идет не о передаче растению всей плазмиды целиком, а только о передаче короткого фрагмента. Бактерия прикрепляется к растительной клетке, и между ними образуется специальный канал, в формировании которого участвуют бактериальные белки. По этому каналу копия Т-ДНК в сопровождении ряда других белков переносится в цитоплазму растительной клетки. Бактериальные белки помогают Т-ДНК попасть в ядро, где она встраивается в геном растения, в какую-нибудь хромосому.

В дальнейшем эта вставка уже ничем не отличается от обычной наследственной информации растений. Когда ДНК растения удваивается, вставка удваивается вместе с ней. Когда клетка растения делится, вставка попадает в обе дочерние клетки. В ядре растительной клетки с генов, записанных на Т-ДНК, считывается РНК. В цитоплазме эта РНК служит матрицей для синтеза бактериальных белков, стимулирующих растительную клетку к активному делению и выработке питательных веществ, которыми питается бактерия. Почему-то эта форма генной инженерии никого не беспокоит с точки зрения возможных последствий, хотя бактерии занимаются ею исключительно в своих корыстных целях. Неужели даже после многочисленных эпидемий (чума, холера и так далее) человечество продолжает доверять бактериям больше, чем ученым?

В 2015 году интернациональная группа исследователей из Бельгии, США, Перу и Китая опубликовала в научном журнале PNAS результаты генетического анализа 304 образцов батата (сладкого картофеля)¹¹⁸. В анализ включили 291 образец культивируемого батата из регионов Южной и Центральной Америки, Африки, Азии и Океании, 9 образцов дикого сладкого картофеля и 4 образца родственных растений. Ученые обнаружили во всех исследованных образцах культивируемого батата не менее одной трансгенной бактериальной вставки, отсутствующей у диких родственников растений. В некоторых сортах батата они обнаружили даже несколько подобных вставок! По крайней мере одна трансгенная вставка появилась у общего предка культивируемых сортов сладкого картофеля предположительно несколько тысяч лет назад, причем перенесенные гены не были генетическим мусором – они были активны! Выходит, что все это время люди ели трансгенные растения с генами бактерий и даже не подозревали об этом!

Ранее трансгенные вставки бактериальных генов были обнаружены в геноме льнянки¹¹⁹. Но примеры горизонтального переноса генов не ограничиваются растениями. Например, в геноме жука Callosobruchus chinensis присутствует 30 % генов бактерии вольбахии¹²⁰, то есть в этом случае речь идет о переносе не одного или нескольких генов, а сотен! Существуют функциональные гены, перенесенные в геномы различных животных, в том числе и в геном человека¹²¹. Эти и многие другие примеры говорят о том, что современным генным инженерам еще очень далеко до самой природы в их попытках изменить наследственную информацию живых организмов. Природа работает в куда больших масштабах.

Весь процесс эволюции жизни на нашей планете от одноклеточных организмов до динозавров и далее до человека и других современных видов, длившийся несколько миллиардов лет, является процессом изменения генов. Вся история селекции, осознанного или неосознанного отбора людьми наиболее вкусных и хорошо растущих растений, – это история изменения генов культурных сортов. Генная инженерия отличается от селекции только тем, что это более точный и быстрый процесс с меньшим количеством нежелательных побочных эффектов. Но чтобы разрушить последние сомнения, давайте рассмотрим более старые биотехнологии, которые использовались и используются в селекции, но, в отличие от генной инженерии, тревоги ни у кого не вызывают.

Среди множества методов селекции используется создание полиплоидных организмов. Полиплоидные организмы – это организмы, у которых количество хромосом больше обычного. Например, не две копии каждой хромосомы, а четыре или восемь. У многих животных такая полиплоидия приводит к нарушению жизнеспособности, зато у растений это позволяет – в ряде случаев – получать более урожайные сорта. Для того чтобы получить полиплоидные растения, часто используют вещество колхицин – страшный и, кстати, совершенно натуральный яд, разрушающий структуры из микротрубочек, которые в норме связывают хромосомы и растаскивают их по разным полюсам делящейся клетки. После обработки колхицином клетка сможет удвоить свою ДНК, но не сможет разнести хромосомы к разным полюсам, поэтому не поделится и останется с удвоенным количеством хромосом. Таким образом, она будет увеличивать количество своей ДНК несколько раз, прежде чем ей позволят поделиться.