Рекомбинация (combinatio — соединение)- перераспределение генетического материала родителей в потомстве, приводящее к наследственной комбинативной изменчивости организмов. обусловленная обменом отдельными сегментами (участками) двойных спиралей ДНК. В случае несцепленных генов (лежащих в разных хромосомах)это перераспределение может осуществляться при свободном комбинировании хромосом в мейозе, а в случае сцепленных генов — обычно путём перекреста хромосом — кроссинговера.[9]
Рекомбинация — универсальный биологический механизм, свойственный всем живым системам — от вирусов до высших растений, животных и человека. Рекомбинация является главным фактором непостоянства генома, основой большинства его изменений, обусловливающая естественный отбор, микро- и макроэволюции. В настоящее время процессы рекомбинации используют в генной инженерии.
В работе Лещинской И.Б [2] было кратко описаны преимущества генной инженерии. Для того, чтобы понять принципиальное отличие генной инженерии от классической селекции, перечислим ограничения, с которыми сталкиваются селекционеры при получении новых пород животных, сортов растений или практически ценных организмов,
-нельзя скрещивать не родственные виды;
- нельзя извне управлять процессом рекомбинации в организме;
- нельзя предугадать, какое получится потомство.
Известно, что в природе скрещиваются между собой только близкородственные организмы, так как существуют специальные клеточные барьеры скрещивания клеток. Кроме того, процесс рекомбинации заключается во взаимодействии междугомологичными, то есть близкими по своей молекулярной структуре, хромосомами. Постоянство своего генетического состава организм очень надежно охраняет. Даже самая богатая фантазия не может вообразить, каких монстров породила бы природа, если бы не охраняла чистоту вида, препятствуя скрещиванию неродственных форм. Генетическая рекомбинация в организме —очень сложный процесс, которым управлять извне не под силам селекционерам. Это обстоятельство делает путь к получению новой породы или расы очень тернистым, долгим, а подчас и невозможным. Стали понятными причины ограничений классической селекции, а также то обстоятельство, что природные механизмы, стоящие на страже чистоты и стабильности своего генома, преодолеть практически невозможно.
Итак, подведем итог: ниже представлены основные направления, по которым генная инженерия превосходит традиционную селекцию:
1. Можно скрещивать индивидуальные гены видов, стоящих на разных ступенях эволюции. В основе рекомбинации гетерологичных ДНК in vitro лежит прием, позволяющий с помощью рестриктаз подготовить молекулы для скрещивания, то есть разрезать разные ДНК с образованием одинаковых липких концов.
2. Можно управлять процессом рекомбинации, так как он происходит в пробирке и не защищен запрещающими механизмами организма.
3. Можно предсказать результат, т.к. отбирается потомство одной молекулы ДНК (молекулярное клонирование).
Таким образом, суть генной инженерии состоит в том, что процесс рекомбинации производится вне организма и таким образом преодолеваются все ограничения, с которыми сталкиваются ученые, используя приемы классической селекции.
2. ТРАНСГЕННЫЕ СЕЛЬСКОЗЯЙСТВЕННЫЕ РАСТЕНИЯ С УЛУЧШЕННЫМИ КАЧЕСТВЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
2.1 К а ч е с т в е н н ы е х а р а к т е р и с т и к и р а с т е н и й к а к
о б л а с т ь п р и м е н е н и я г е н н о й и н ж е н е р и и.
Это группа исключительно ценных для потребителя форм, при получении которых не используются чужеродные гены. Добавляя в генетический материал растения дополнительные копии определенных генов, выделенных из собственной ДНК растения, можно добиться существенного ослабления активности этих генов. В свою очередь это может привести к изменению качественных характеристик того продукта, в генетическом контроле биосинтеза которого задействованы данные гены.
Так, для качества растительного масла исключительно важное значение имеет соотношение в нем различных жирных кислот. В ассортименте допущенных к использованию трансгенных сортов имеется ряд форм масличных культур с улучшенным составом масла. Среди них следует назвать, например, такую культуру, как соя, которой добавили дополнительную копию гена фермента десатуразы, в результате чего ее собственный ген десатуразы «замолчал». Это привело к снижению в соевом масле уровня полиненасыщенных жирных кислот линолевой и линоленовой и компенсационному увеличению уровня мононенасыщенной жирной кислоты олеиновой до 80%, что даже больше, чем в оливковом масле; в немодифицированной сое ее уровень был всего 23%. Полученное масло заметно превосходит по потребительским свойствам масло сои традиционных сортов, в частности, оно более стабильно при нагревании, всегда сохраняет привлекательный для потребителя жидкий вид (не загустевает). [8]
Второй интересный пример использования явления «замолкания генов» — создание сортов трансгенного картофеля с улучшенным качеством крахмала.
Крахмал, выделенный из обычных сортов картофеля, содержит две основные формы этого полисахарида: ветвистый — амилопектин и неветвистый —амилоза. Чем больше амилопектина и меньше амилозы, тем выше качество крахмала. Генно-инженерный сорт картофеля с повышенным качеством крахмала создан путем добавки дополнительной копии гена амилозы (в перевернутом по отношению к промотору виде, то есть в виде так называемой антисмысловой конструкции). В результате уровень менее ценной амилозы в крахмале трансгенного сорта был понижен практически до нуля. Этот отличный показатель для экспериментов генной инженерии и мы можем видеть, что в данном случае антисмысловая конструкция сработала ~100%, что явилось следствием получения урожая, который удовлетворял ожидаемым результатом. [8]
Другой пример. При создании трансгенного рапса с улучшенным составом масла использован более традиционный для генетической инженерии подход горизонтального переноса генов от неродственных видов. В генетический материал рапса был «подсажен» ген тиоэстеразы от калифорнийского лаврового дерева. Вследствие этого трансгенный сорт получил способность образовывать масло, в котором появились не свойственные для рапса лавровая и миристиновая жирные кислоты. Такое масло по качеству приблизилось к наиболее ценным растительным маслам: пальмовому и кокосовому. [8]
Есть еще один довольно интересный пример, где применяют генную инженерию, чтобы изменить качественную характеристику плодов. Он был описан в трудах Лещинской И.Б. [2] Наверняка вы слышали о сортах с/х растений, плоды которых не имеют косточек. Чтобы добиться такого результата ученые изучают роль гормонов в развитии растений. Суть экспериментов заключалась в получении трансгенных растений с комбинацией определенных бактериальных гормональных генов, например только iaaM или ipt и т.д. Эти эксперименты внесли существенный вклад в доказательство роли ауксинов и цитокининов в дифференцировке растений.
В последние годы этот подход стали использовать в практической селекции. Оказалось, что плоды трансгенных растений с геном iaaM, находящимся под промотором гена Def (ген, который экспрессируется только в плодах), являются партенокарпическими, то есть сформировавшимися без опыления. Партенокарпические плоды характеризуются либо полным отсутствием семян, либо очень небольшим их количеством, что позволяет решить проблему "лишних косточек", например в арбузе, цитрусовых и т.д. Уже получены трансгенные растения кабачков, которые в целом не отличаются от контрольных, но практически не содержат семян.
Итак, небольшой вывод по рассмотренной проблеме: появление поколения трансгенной продукции, обладающей новой потребительской ценностью и улучшенными качественными характеристиками, поможет провести необходимые изменения в сельскохозяйственной сфере АПК. ГМ продукция сельскохозяйственного назначения, лучше отвечающая условиям переработки, кардинально изменит сектор переработки продуктов питания и пищевую промышленность в целом. Улучшение питательных макроэлементов в продуктах питания с помощью биотехнологий позволит решить проблему качества продовольствия. Функциональные продукты питания, содержащие в своем составе вещества, улучшающие здоровье населения, будут дополнять, и расширять эти изменения.
2.2 С о р т а с / х р а с т е н и й с и з м е н е н н ы м в н е ш н и м
в и д о м п л о д о в и м е т о д ы и х п о л у ч е н и я.
Изменение цвета собранных овощей и фруктов создает серьезные проблемы при их реализации. Один из способов борьбы с изменением внешнего вида пищевых продуктов состоит в использовании различных пищевых добавок, что, впрочем, создает другие проблемы. Так, недавно возникли сомнения относительно безопасности одного из видов добавок - сульфитов.
В трудах Глика и Пастернака была подробно описана данная проблема. [4] Изменение цвета овощей и фруктов начинается с окисления монофенолов и о-дифенолов до о-хинонов. Катализатором процесса служат ферменты полифенолоксидазы. Они кодируются ядерной ДНК, имеют молекулярную массу примерно 59 000 и локализуются в мембранах хлоропластов и митохондрий. Предположение о том, что ингибирование полифенолоксидазы поможет решить проблему изменения цвета плодов, было проверено на трансгенном картофеле, несущем различные кДНК-конструкции полифенолоксидазы.
Чтобы продолжить разговор о способе получения данного вида трансгенного картофеля, необходимо прояснить такой момент как «антисмысловая РНК.
Антисмысловая РНК (antisense RNA) — получаемый искусственно или природный полирибонуклеотид, комплементарный определенной мРНК и подавляющий ее биологическую активность за счет образования с ней дуплекса, что препятствует трансляции мРНК на рибосомах. Природные А.РНК являются ключевыми компонентами одной из систем негативной регуляции экспрессии генов как у бактерий, так и у эукариот. Для искусственного получения А.РНК в экспрессионный вектор вставляют нуклеотидную последовательность ДНК из целевого гена в обратной ориентации по отношению к промотору, чтобы транскрибировалась незначащая цепь гена с образованием А.РНК; затем на такой рекомбинантной плазмиде осуществляют синтез А.РНК (обычно в бактериальных клетках). [10]
Были созданы векторы, содержащие фрагмент или полноразмерную кДНК (ДНК, синтезированная из зрелой мРНК в реакции, катализируемой обратной транскриптазой. кДНК часто используется для клонирования генов эукариот в прокариотах) полифенолоксидазы картофеля в «смысловой» или «антисмысловой» ориентации, которые находились под контролем одного из трех промоторов: 35S-npoMoropa вируса мозаики цветной капусты, промотора гена синтазы гранулосвязанного крахмала или промотора гена пагатина.
Последние два промотора специфичны для клубней картофеля. Два коммерческих сорта картофеля, трансформированные этими конструкциями,
были устойчивы к черной пятнистости (ферментативное изменение цвета), причем уровень устойчивости был на порядок выше чем тот, которого удалось достичь при обычном скрещивании. Трансгенные растения, несущие ген кДНК полифенолоксидазы, преднамеренно повреждали, а затем оценивали их устойчивость к черной пятнистости. Большинство трансгенных растений, в геноме которых присутствовал антисмысловой вариант гена полифенолоксидазы, находящегося под контролем либо 35S- промотора вируса мозаики цветной капусты, либо промотора гена синтетазы гранулосвязанного крахмала, были значительно более устойчивые, чем нетрансформированные. Все растения, содержащие смысловые конструкции содержали полифенолоксидазу в большом количестве и были подвержены поражениями в большей степени, чем контрольные.
Аналогичная «антисмысловая» генетическая конструкция была использована и при создании трансгенного сорта томатов Flavr Savr с удлиненным периодом хранения плодов. Томат Flavr Savr был первым коммерчески выращиваемым и генетически созданным продуктом питания, которому предоставили лицензию для потребления человеком. Он был подготовлен калифорнийской компанией Calgene. [6]
Серьезной проблемой при транспортировке фруктов и овощей является их преждевременное созревание и размягчение. Установлено, что при созревании плодов в растениях активируются специфические гены, кодирующие ферменты целлюлазу и полигалактуроназу, и если подавить экспрессию одного или нескольких из них, то созревание может начаться позже. Для инактивации указанных генов были созданы трансгенные растения, в которых синтезировались антисмысловые РНК-версии этих генов. При введении гена, кодирующего антисмысловую полигалактуроназную РНК, в растении томата — культуры, ежегодно приносящей в США 1,3 млрд. долл. прибыли, — и количество соответствующей мРНК, и активность фермента уменьшились на 90%. 18 мая 1994 г. Департамент по контролю за качеством пищевых продуктов, медикаментов и косметических средств США пришел к выводу, что томаты FLAVR SAVR столь же безопасны, как и полученные обычным скрещиванием, а потому при их продаже нет необходимости указывать их происхождение. [6]
Есть и другой подход. Регулятор роста растений этилен инициирует экспрессию множества генов, ответственных за созревание и старение плодов. Он синтезируется из S-аденозилметионина с образованием промежуточного продукта, 1-аминоциклопро- пан-1-карбоновой кислоты (АСС). Обработка растений химическими препаратами, блокирующими синтез этилена, задерживает и созревание плода, и старение. Таким образом, преждевременное созревание плода можно предотвратить подавлением способности растения синтезировать этилен. Для этого можно использовать разные подходы. Так, были созданы трансгенные растения, синтезирующие антисмысловые версии мРНК либо АСС-синтазы, либо АСС-оксидазы, ферментов, необходимых для синтеза растением этилена. У таких растений уровень этилена был гораздо ниже нормы, а потому плоды имели длительный срок хранения.
Кроме того, при помощи скрининга было идентифицировано большое количество штаммов почвенных бактерий, разрушающих АСС. Ген фермента АСС-дезаминазы, выделенный из одного такого штамма, был помещен под контроль 358-промотора вируса мозаики цветной капусты и встроен в геном томата. Полученные растения синтезировали меньше этилена, чем нормальные, а их плоды тоже имели гораздо более длительный срок хранения. Большинство работ по выведению трансгенных растений с пониженным содержанием этилена касаются томатов, но имеется одно сообщение о создании трансгенной мускусной дыни с такими же свойствами.
Все эти данные говорят о том, что данный подход может быть весьма результативным, применительно к различным плодовым культурам и тем самым при транспортировки фруктов и овощей или их долгосрочном хранении решиться проблема сохранения вкуса и презентабельного внешнего вида.
2.3 С о р т а с / х р а с т е н и й с и з м е н е н н ы м в к ус о м
п л о д о в и с п о с о б ы их п о л у ч е н и я.
Невкусные фрукты и овощи вряд ли будут пользоваться покупательским спросом, даже если они имеют высокую пищевую ценность. Конечно, вкус пищевых продуктов можно улучшить в процессе приготовления добавлением соли, сахара, ароматизаторов или других добавок, однако с экономической точки зрения было бы лучше, если бы пищевые продукты исходно обладали необходимыми вкусовыми качествами и выглядели более аппетитно.
В работах Глика и Пастрнака описан один из разработанных приемов. [4] В плоде африканского растения Dioscoreophyllum cumminsii Diels содержится белок монеллин, примерно в 100 000 раз более сладкий, чем сахароза в эквимолярных количествах. Этот белок вполне может служить заменителем сахара, обладающим еще и тем преимуществом, что, не являясь углеводом, он не должен оказывать вредного воздействия на метаболизм. Монеллин — это двухцепочечный диаметр; А-цепь состоит из 45 аминокислотных остатков, В-цепь — из 50. Цепи связаны между собой слабыми нековалентными связями, и это ограничивает его применение в качестве подсластителя, поскольку при нагревании в процессе приготовления пищи или под действием кислот(например, лимонной или уксусной) он легко диссоциирует и теряет свои вкусовые качества. Задача создания трансгенных растений или микроорганизмов, способных синтезировать монеллин, усложняется тем, что необходимо клонировать и координирование экспрессировать два отдельных гена.
Чтобы решить эту проблему, был химически синтезирован ген монеллина, кодирующий А- и В-цепи как один полипептид. Были созданы трансгенные растения томата и салата, синтезирующие химерный белок. Для этого использовали два разных промотора. В случае томатов это был Е8-промотор,специфичный для плодов и активизирующийся в самом начале их созревания.
В растениях салата ген находился под контролем 35S-промотора вируса мозаики цветной капусты. В обоих случаях использовались сайты терминации транскрипции/полиаденилирования генанопалинсинтазы в составе Ti-плазмиды. Синтетический ген монеллина вводили в растительные клетки инфицированием их A. tumefaciens, используя коинтегративную векторную систему на основе Ti-плазмид. Монеллин был обнаружен в зрелых и частично зрелых плодах и в листьях салата, но не в зеленых помидорах, при этом его содержание в томатах повышалось при резком повышении концентрации растительного гормона этилена.
Вот еще один довольно интересный пример, очень подробно описанный в работе С.В. Долгова. [5] В природе существует множество белков, которые защищают растения от болезней, вызываемых фитопатогенами — бактериями и грибами. Ученые их классифицировали: в настоящее время известно около 10 групп таких соединений, в частности, семейство PR-5 (pathogenesis-related proteins — белки, устанавливающие отношения с патогенами). Оно объединяет вещества, первоначально выделенные из западно-африканского тауматококкуса (Thaumatcoccus danielli) и широко распространенной кукурузы (Zea mays) и названные по латинским именам этих растений: тауматин-зеаматин-подобные. Позднее выяснилось, что они широко распространены и в той или иной форме присутствуют практически во всех растениях, обеспечивая их устойчивость к фитопатогенным грибам наряду с разрушающим хитин ферментом хитиназой (хитин содержится в структуре грибного мицелия).
Формирование тауматина у тауматококкуса приурочено ко времени созревания плодов. В ходе эволюции, по-видимому, возникла спонтанная мутация гена, кодирующего данный белок, в результате чего в периферийной части его молекулы произошли изменения, связанные, в первую очередь, с пространственным расположением остатков лизина. Плоды тауматококкуса стали вызывать у шимпанзе и горилл ощущение чрезвычайной сладости, что им понравилось. Человекообразные обезьяны начали активно их поедать и распространять семена, а это могло способствовать эволюционному закреплению признака. Следует отметить: сладкий вкус тауматина ощущают лишь высшие приматы благодаря присущим им особенностям вкусовых рецепторов. Ни насекомые, ни низшие животные его не чувствуют.
Между тем в наше время недостаточная сладость плодов и ягод — серьезная проблема для производителей сельскохозяйственной продукции во многих странах — Испании, США, Чили, Австралии. И генетики могут приблизиться к ее решению. Так, в экспериментах по повышению устойчивости земляники к фитопатогенам ученые нашей станции «Биотрон» с успехом использовали ген, кодирующий суперсладкий белок тауматин-П (один из тауматин-подобных). Последний примерно в 3000 раз слаще, чем сахароза, если сравнивать в весовом отношении, и в 100 000 раз — если рассматривать молярные соотношения. И естественно, возникла идея воспользоваться им не только для защиты растений от болезней, но и для улучшения вкуса плодов и ягод.
Ген тауматина-II клонировали в Лейденском университете в Голландии в начале 80-х годов XX в. Тогда этот белок попытались использовать в производстве кулинарного и фармацевтического подсластителей, которые были бы полезны в первую очередь для людей, страдающих диабетом. Рекомбинантный ген (примерно 1000 нуклеотидных оснований) интродуцировали в геном бактерий и достигли нужной экспрессии — образования сладкого белка. Однако наладить его широкомасштабное производство тогда не удалось, так как не была решена проблема эффективной экспрессии гена эукариотического организма (высшего растения) в геноме прокариота (организма, не имеющего оформленного ядра и хромосомного аппарата, каким является бактерия). Тем не менее подсластитель, получаемый из природного тауматина, и сейчас производят под коммерческим названием «талин».
В середине 90-х годов XX в. англо-голландская фирма Unelever предоставила российским биологам ДНК гена, кодирующего тауматин-II и на этой основе на станции «Биотрон» был сконструирован вектор для трансформации растений. Полученная комбинация, несмотря на простоту — вирусный промотор 35S (инициирует передачу генетической информации) и безинтронная (не имеющая неинформативных участков) смысловая часть с минимальными сигнальными последовательностями (они управляют транспортом и локализацией белков в клетке), — вышла довольно удачной. Применяя ее, ученые ряда институтов РАН и РАСХН создали трансгенные растения яблони, груши, томатов, моркови, картофеля, продуцирующие тауматин-II.
В течение года сотрудники станции «Биотрон» проводили испытания нескольких линий трансгенной моркови, в том числе в полевых условиях (совместно с Институтом селекции и семеноводства овощных культур РАСХН). Было установлено: эти растения устойчивы к двум видам патогенных грибов, однако их корнеплоды не обладают выраженной сладостью. Интересно, что томаты, полученные посредством интродукции гена тауматин-подобного белка, демонстрируют и увеличение устойчивости к фитофторозу в условиях защищенного грунта, и ярко выраженную сладость плодов. Но наилучших результатов сотрудники станции «Биотрон» добились в работе с садовой земляникой (Fragaria ananassa). Был проведен четырехлетний цикл полевых испытаний ее трансгенных линий и отобраны формы с улучшенным вкусом. В то же время они более устойчивы к серой гнили (Botrytis cinerea) — болезни, к которой ни один из известных сортов земляники не имеет иммунитета, приносящей наибольшие потери урожая.
Чтобы получить трансгенную землянику, ген, кодирующий тауматин-II был перенесен в ее геном методом агробактериальной трансформации(Ti-плазмидой). В составе Ti-плазмиды есть область Т-ДНК, способная встраиваться в геном растений. Именно в этот участок вводят заданные гены. В данном случае был сконструирован бинарный вектор, в котором на участке Т-ДНК бактериальной плазмиды находился ген тауматина-II. Кроме того, в вектор ввели ген, придающий устойчивость к антибиотикам, благодаря чему можно впоследствии выявить и отобрать трансформированную клетку среди обычных, не обладающих подобной устойчивостью (своеобразная маркировка).
Полученный вектор перенесли в агробактерию. В качестве экспланта (материала, из которого впоследствии воссоздается или регенерируется целое растение) для экспериментов по генетической трансформации использовали листья растений земляники, которые предварительно культивировали в стерильных условиях in vitro на искусственных питательных средах при определенных температуре и освещении. Растительную ткань инфицировали агробактериями, несущими плазмиду с геном тауматина-II при температуре около 23 °С и отсутствии освещения. Затем несколько месяцев на среде с антибиотиками отбирали клетки с функционирующей вставкой чужеродных генов.
На следующем этапе необходимо было осуществить регенерацию растений земляники из единичных трансформированных клеток, что для культурных сортов довольно сложно и зачастую сопряжено с негативными явлениями (соматическими мутациями и вариациями, хромосомными перестройками и другими, ведущими к потере сортовых качеств).
Размножая вновь созданные растения земляники, были получены более 20 линий, несущих новую наследственную информацию. Но дальнейший анализ показал: ген тауматин-подобного белка проявлялся не в каждой из них. Так, при испытании на устойчивость к возбудителю серой гнили часть трансгенных линий не проявила ожидавшегося иммунитета даже в лабораторных условиях. Что на языке генетиков означает отсутствие экспрессии гена тауматина-II — он «молчит». Подобное явление зачастую обусловлено случайностью его встраивания в хромосому и вероятностью попадания в зону, где он слабо проявляет кодируемые им свойства. Ген может повредиться при переносе, даже «вывалиться», а также подвергнуться модификации, например метилированию. Бывает и так: маркер переносится, а смысловой ген — нет.
Помимо устойчивости трансгенной земляники к фитопатогенам, также контролировали вкусовые качества ягод, их размеры, морфологию растений. Все эти признаки невозможно оценить в лабораторных и тепличных условиях, необходимы полевые испытания. Это — неотъемлемый этап анализа трансгенных растений перед их практическим использованием. Ведь известно, что и при классической селекции растений (скрещивание двух форм) из десятка тысяч гибридов отбирают два-три. При использовании методов генной инженерии, в частности регенерации из отдельной клетки, могут также произойти разные изменения, даже не связанные с переносом гена, вследствие чего характеристики полученного растения будут отличаться от исходного сорта.
Трансгенные и нетрансгенные растения земляники высаживали на одних и тех же делянках в нескольких случайно распределенных по площади (рендомизированных) повторностях, чтобы нивелировать влияние почвенных условий и прочих факторов на их развитие. Параллельно осуществляли почвенно-агрохимический контроль. А во время цветения растения изолировали пленочными укрытиями, предотвращая неконтролируемый перенос пыльцы.
В конце сезона из 24 линий отобрали только 3, обладавшие всеми необходимыми свойствами: наличием смыслового гена (кодирующего тауматин-подобный белок), присутствием белка и хорошими производственными качествами.
Итак, исследования, которым посвящена данная статья, ведутся уже 10 лет. В настоящее время наибольший интерес к работе по получению трансгенных культур отечественных сортов и изучению биологической безопасности их культивирования проявляет Министерство сельского хозяйства РФ. Ведь, к примеру, яблоки в средней полосе России зачастую довольно кислые. Так что работа по повышению сладости плодов продолжается.
Как мы видим, достаточно сложно получить «все и сразу», так как ученые сталкиваются с рядом проблем, описанных выше. Даже если все рассчитать и правильно провести процесс трансформации, можно не получить желаемого результата. Но уже есть довольно много успехов в этой области применения генной инженерии и наука не стоит на месте, создавая все новые и новые сорта растений, превосходящие своих предшественников по ряду признаков.
3. ДОСТИЖЕНИЯ В РАБОТЕ С ТРАНСГЕННЫМИ РАСТЕНИЯМИ
Прошло уже много лет с момента создания первого экспериментального трансгенного растения. За этот период произошли кардинальные перемены в понимании фундаментальных и прикладных аспектов биологии растений.
Трансгенные технологии сыграли ключевую роль в понимании работы генов, их регулирования и постепенно, шаг за шагом складывалось представление о том, как можно управлять их работой и создавать растения с полезными для человека свойствами.
Методами генной инженерии был получен ряд важных культур таких как кукуруза, хлопок, соя, рапс и различные овощные культуры, например томат, картофель, капуста и салат и другие.
К числу основных достижений генной инженерии растений до сих пор относят толерантность к насекомым вредителям и болезням, устойчивость к гербицидам, и улучшение качественных характеристик продукции.
В трудах Глеба Ю.Ю [1] были рассмотрены основные направления, по которым развивается генетическая инженерия. Генетически измененные растения с устойчивостью к различным классам гербицидов в настоящее время являются наиболее успешным биотехнологическим продуктом. К настоящему времени клонированы гены, кодирующие нечувствительные к действию гербицидов ферменты-мишени, что дало возможность получать трансгенные растения, устойчивые к таким гербицидам, как глифосат (коммерческое название Roundup), хлорсульфуроновым и имидазолиноновым гербицидам и другим.
Интересный подход, обеспечивающий устойчивость растений к насекомым, предложила генетическая инженерия растений. Уже довольно давно известна бактерия Bacillus thuringiensis, продуцирующая белок, являющийся очень токсичным для многих видов насекомых, в то же время безопасный для млекопитающих- (дельта-эндотоксин, СRY-белок). Безопасность токсина и его составных белков для человека и других млекопитающих полностью доказана. Оказалось, что встраивание гена этого белка в геном растений дает возможность получить трансгенные растения, не поедаемые насекомыми.
К тому же растения являются безусловно наиболее дешевым продуцентом белков. Поэтому исследования последних лет имели целью, с одной стороны, показать возможность получения биологически эквивалентных форм того или иного белка в трансгенных растениях, а с другой - повысить содержание белка и облегчить и удешевить его последующую очистку. К настоящему времени уже показано, что растения могут производить белки животного происхождения. Так, встраивание в геном растений Arabidopsis thaliana и Brassica napus химерного гена, состоящего из части гена запасного 2S-белка арабидопсиса и кодирующей части для нейропептида - энкефалина, приводило к синтезу химерного белка до 200 нг на 1 г семени. Два структурных белковых домена были связаны последовательностью, узнаваемой трипсином, что давало возможность в дальнейшем легко изолировать чистый энкефалини. В другом эксперименте удалось после скрещивания трансгенных растений, в одном из которых был встроен ген гамма-субъединицы, а во втором - ген каппа-субъединицы иммуноглобулина, получить у потомства экспрессию обеих цепей. В результате растение формировало антитела, составляющие до 1,3% суммарного белка листьев. Также было показано, что в растениях табака могут собираться полностью функциональные секреторные моноклональные иммуноглобулины. Секреторные иммуноглобулины обычно выделяются в ротовую полость и желудок человека и животных и служат первым барьером на пути кишечных инфекций. В упомянутой выше работе получили продукцию в растениях моноклональных антител, которые были специфичны для Streptococcus mutans - бактерий, вызывающих зубной кариес. Предполагается, что на основе таких моноклональных антител, продуцируемых трансгенными растениями, удастся создать действительно антикариесную зубную пасту.
Генетическая инженерия метаболизма жиров уже привела к новым коммерческим продуктам Из других проектов, связанных с изменением состава жирных кислот, можно упомянуть работы, ставящие целью повышение или снижение содержания ненасыщенных жирных кислот в растительном масле. Интересными представляются эксперименты с петрозелиновой кислотой — изомером олеиновой кислоты, где двойная связь находится за шестым углеродным членом. Эта жирная кислота входит в состав масла кориандра и определяет его более высокую температуру плавления (33°С), в то время как при наличии олеиновой кислоты температура плавления составляет только 12°С. Предполагается, что после переноса генов, определяющих синтез петрозелиновой кислоты, в растения - продуценты растительного масла удастся производить диетический маргарин, содержащий ненасыщенную жирную кислоту. Кроме того, из петрозелиновой кислоты очень легко получать лаурат путем окисления озоном. Дальнейшее изучение специфики биохимического синтеза жирных кислот, по-видимому, приведет к возможности управлять этим синтезом с целью получения жирных кислот различной длины и различной степени насыщения, что позволит значительно изменить производство детергентов, косметики, кондитерских изделий, затвердителей, смазочных материалов, лекарств, полимеров, дизельного топлива и многого другого, что связано с использованием углеводородного сырья.
Растения также являются важнейшим источником сахаров и продуктов на их основе. Среди наиболее важных для нас продуктов следует упомянуть целлюлозу, крахмал, а также пищевые моно- и дисахариды. Проводится работа по созданию трансгенных растений картофеля и других крахмалнакапливающих культур, в которых это вещество будет находиться в основном в виде амилопектина, то есть разветвленной форме крахмала, или же в основном только в виде амилозы, то есть линейных форм крахмала. Раствор амилопектина в воде более жидкий и прозрачный, чем у амилозы, которая при взаимодействии с водой образует ригидный гель. Так, например, крахмал, состоящий в основном из амилопектина, по-видимому, будет иметь спрос на рынке производителей различных питательных смесей, где сейчас в качестве наполнителя используется модифицированный крахмал.
Итак, в заключении я хочу сделать вывод: генная инженерия растений, на мой взгляд, сделала большой скачок в развитии за последние 10 лет. Были созданы сорта сельскохозяйственных растений, обладающие исключительно новыми характеристиками.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Научная база для исследования тематики моей курсовой работы постоянно пополняется, имеется ряд научных разработок в этой сфере и уже достигнутых результатов. Изучив некоторую литературы по данному вопросу я пришла к ряду выводов: трансгенные растения на сегодняшний день играют очень важную роль в нашей жизни. Создано большое количество сортов сельскохозяйственных растений, имеющих ряд полезных признаков, которые удовлетворяют потребностям человека. Это выводит сельскохозяйственное производство на совершенно новый уровень, заменяя традиционные методы селекции методами генной инженерии, имеющими ряд неоспоримых преимуществ о которых уже было сказано.
Методы генной инженерии, позволяющие получать новые признаки растений, активно используются и постоянно совершенствуются. Для себя я выяснила что для улучшения качественных характеристик растений учеными активно использовалась «антисмысловая конструкция» и перенос генов в клетки растений посредством векторных систем. Эти методы достаточно глубоко изучены и результаты проводимых манипуляций порой достигают ~99% от ожидаемых. Уже получены различные сорта картофеля, томатов, риса, сои, рапса и других культур, обладающих улучшенными качественными показателями, что позволяет решать такие проблемы: как обеспечить население Земли более качественными и полезными для здоровья продуктами питания, со сбалансированным аминокислотным составом и повышенным уровнем содержащихся в них витаминов, тем самым снижая риск развития многих заболеваний; как и чем прокормить растущее население Земли и многие другие вопросы, требующие своего решения.
Генная инженерия является одной из наиболее активно развивающихся и перспективных технологий нашего времени. На мой взгляд, генетическая
модификация организмов при разумном контроле над этим процессом, способна решить многие серьезные проблемы современности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ