Генетическая модернизация: развеиваем мифы о ГМО
Во вселенной стратегической компьютерной игры StarCraft внеземная раса зергов примечательна тем, что научилась усваивать генетический материал других организмов и преобразовывать собственные гены, меняясь и адаптируясь к новым условиям. Эта, на первый взгляд, фантастическая идея намного ближе к реальным возможностям живых организмов, чем кажется.
Сегодня мы очень много знаем про ДНК: этой двухцепочечной молекуле посвящено более двух миллионов научных публикаций. Молекулу ДНК можно рассмотреть как текст, написанный с использованием алфавита из четырех букв (нуклеотидов). Совокупность всех нуклеотидов, составляющих хромосомы любого организма, называется геномом. Геном человека насчитывает примерно три миллиарда «букв». Отдельные участки генома представляют собой обособленные гены — функциональные элементы, которые чаще всего отвечают за синтез конкретных белков. У человека около 20 000 кодирующих белки генов. Белки, как и молекулы ДНК, являются полимерами, но состоят не из нуклеотидов, а из аминокислот. «Алфавит» аминокислот, входящих в состав белков, насчитывает 20 молекул. Зная нуклеотидную последовательность гена, можно точно определить аминокислотную последовательность белка, который он кодирует. Дело в том, что все организмы используют один и тот же (с небольшими вариациями) хорошо изученный генетический код — правила соответствия кодонов (троек нуклеотидов) определенным аминокислотам. Подобная универсальность позволяет генам из одного организма работать в другом организме и при этом производить тот же самый белок.
Естественная инженерия
Один из основных методов генной инженерии растений использует агробактерии и разработанный ими механизм модификации растительных геномов (см. «ПМ» № 10'2005). Гены обитающих в почве агробактерий кодируют специальные белки, способные «протащить» определенную молекулу ДНК в растительную клетку, встроить ее в растительный геном и тем самым заставить растение производить нужные для бактерии питательные вещества. Ученые позаимствовали эту идею и нашли ей применение, заменив нужные бактериям гены на те, которые кодируют белки, необходимые в сельском хозяйстве. Например, Bt-токсины, которые производят почвенные бактерии Bacillus thuringiensis, абсолютно безопасные для млекопитающих и ядовитые для некоторых насекомых, или белки, придающие растению устойчивость к конкретному гербициду.
Обмен генами для бактерий, даже не родственных — очень распространенное явление. Именно из-за этого микробы, устойчивые к пенициллину, появились уже через несколько лет после начала его массового применения, а в наши дни проблема устойчивости к антибиотикам стала одной из самых тревожных в медицине.
От вирусов к организмам
Естественной «генной инженерией» занимаются не только бактерии, но и вирусы. В геномах многих организмов, включая человека, есть транспозоны — бывшие вирусы, которые давно встроились в ДНК хозяина и, как правило, не принося ему вреда, могут «перескакивать» с одного места в геноме на другое. Ретровирусы (такие как ВИЧ) умеют встраивать свой генетический материал прямо в геном эукариотических клеток (например, клеток человека). Аденовирусы не встраивают свою генетическую информацию в геномы животных и растений: их гены могут включаться и работать без этого. Эти и другие вирусы активно используются в генной терапии для лечения целого спектра наследственных заболеваний.
Таким образом, естественная генная инженерия очень широко используется в природе и играет огромную роль в адаптации организмов к окружающей среде. Еще важнее то, что все живые организмы постоянно подвергаются генетическим изменениям в результате случайных мутаций. Из этого следует важный вывод: по сути, каждый организм (если не считать клонов) является уникальным и генетически модифицированным по сравнению со своими предками. У него есть как новые мутации, так и новые комбинации существовавших ранее вариантов генов — в геноме любого ребенка обнаруживаются десятки генетических вариантов, которых не было ни у одного из родителей. Кроме возникновения новых мутаций, в ходе полового размножения в каждом поколении возникает новая комбинация уже существующих у родителей генетических вариантов.