Презентация: Митове и реалности около ГМО

На 14 юни 2016 година се състоя дискусионна среща (организирана от Българското либертарианско общество) с мое участие, на която обсъждахме трансгенните технологии и тяхното значение. Събитието се отличаваше от други подобни по това, че всичко изречено се основаваше на факти, не се разпространяваха лъжи, заблуди и митове, не се събираха входни такси и определено не се излъчваха конспиративни филми за различни корпорации (говоря за събития като ТОВА).

Основна цел на изминалото събитие е да не се говори за конспирации и големи корпорации. Целта на събитието бе да се говори за една модерна технология, да се сравни с останалите алтернативи, да се обсъдят евентуалните бъдещи приложения, да се обсъди безопасността, но не и да се говори за продукти, a за възможности. Изключително грешно и некомпетентно е трансгенните технологии да се обвързват САМО и ЕДИНСТВЕНО със земеделието или само и единствено с една корпорация.

Подобна дискусия е нужна, за да разбере обществото, че хората, които коват екологичните закони (включително и за подобни модерно технологии) са некомпетентни. Те нямат нужният ценз, нужните знания и нужният опит, за да определят дали подобна технология е опасна, дали е нужна, дали има потенциал за нещо повече. Тези хора създават закони поради лични и субективни убеждения, създават страхове, НО отказват да ги защитят АРГУМЕНТИРАНО . Така не се прави политика. Политиката трябва да се основава на наука (science based), на факти, на истини, а не на лични убеждения.

Според някои некомпетентни активисти (Мариана Христова от Коалиция “България, свободна от ГМО” – линк), за да се обсъждат подобни казуси не е нужно да имаш каквато и да е компетенция или познания по тази толкова специфична тематика. Очевидно 5 минути в интернет са достатъчни, за да вникне човек в тънките специфики на молекулярната биология.

Личният ми опит с трансгенни организми включва създаване на трансгенни бактерии E. coli и работа с модифицирана соя (определяне на физико-химични характеристики). Тук подчертавам, че популярните “светещи животни всъщност НЕ светят. Те експресират GFP (зелен флуоресциращ протеин), който флуоресцира при наличие на UV светлина. Това е силен инструмент за наблюдаване на различни процеси и структурни единици. Така този протеин може да бъде експресиран като свързан с FtsZ, който е основният протеин изграждащ Z пръстените при бактериите, които са основна структура при тяхното делене. Без тази техника тази структура не би могла да бъде наблюдавана във висока резолюция.

Но преди да се споменат рекомбинантните технологии, трябва да се разгледат други техники за манипулиране (пряко или непряко) на генома на един организъм. Защото всички тези техники водят до един и същи резултат – промяна на генома на един индивид от даден вид. Крайната цел е придобиване на устойчиви черти, които да се предават в поколението.

Селекцията е класически метод, който се използва от хилядолетия от хората. Той е и в основата на опитомяването на редица селскостопански видове и настоящи домашни любимци. Хората насилствено извършват кръстосано оплождане между индивиди (животни или растения) от един, а понякога и от различни видове. Крайната цел е да се пренасат нови ценни или подсилване на съществуващи белези. Създаването на устойчив фенотип, който се унаследява в поколенията води и до съответната промяна в генома. Така чрез изкуствен, насилствен натиск хората могат да променят генома на различни индивиди.

В показания пример от едно растения са получени над 6 различни селскостопански култури, които са с напълно различен фенотип. Брюкселското зеле е селекция на латералните пъпки при майчиното растение, при обикновено зеле има селекция на терминалните пъпки, при броколи селекция на стебло и цветна част и т.н.

Селекцията до такава степен е променила някои видове, че е превърнала техните неядливи плодове в истински деликатеси и наслада. Предшествениците на дини, банани, царевица, домати, пшеница и много други са давали неядливи плодове, но в резултат на натиск и селекция днес те са нещо обичайно. Дори много хора не знаят как изглеждат оригиналните растения. Това би трябвало да ни накара да се запитаме как селекцията влияе върху биоразнообразието и екологията на някои видове. Очевидно много хора не са и виждали предците на културните растения, а някои може би дори вече не съществуват.

При хората съществува и интересната “сексуална селекция”. Някои фенотипове се разпространяват успешно чрез този вид селекция – сексуален натиск. Може би сте виждали как изглеждат не малка част от западните туристи – много светла, бледа кожа, високи, светли коси и окосмение, сини очи, грацилен тип. Според някои изследователи този фенотип се харесва на много жени. Така, ако една жена има избор от трима чернокоси индивида и един светъл и русокос, много е вероятно тя да избере русокосия. Така се разпростанява именно този фенотип, който е резултат на мутация в няколко от множеството гени в генома ни, които кодират гена за пигмента меланин. Биолози в експерименти са увреждали регулаторните елементи на един или повече от въпросните гени. С интерес е установено, че колкото повече гени не експресират пигмента (гените не са активни), толкова по-светъл фенотип се проявява.

Този светъл фенотип е харесван не само от жените, но и от мъжете. А според грешните разбирания на Адолф Хитлер именно подобни индивиди са чисти – арийци.

Селекцията се използва не само при растения. Един от най-популярните примери е опитомяването на дивия вълк (Canis lupus) до домашния му вариант (Canis lupus familiaris). Селекцията до такава степен е променила вида, че е създала порода от мини кучета – toy dogs (кучета играчки). Но домашните кучета имат едно предимство, което вълците нямат и което силно унищожава техните популации – човекът. Човекът подсигурява условия за съществуването на тези нови породи, но ако човекът изчезне, ще изчезнат и повече (най-вече дребни и трудно приспособими) породи.

Селекцията е създала породи, с толкова променена физиология и анатомия, че създава сериозни здравословни проблеми на отделните индивиди. Английският булдог не може или трудно извършва полов процес. Много често е нужно стопаните да асистират, да участват активно по време на копулацията. Израждането на малките дори е още по-трудно, тъй като много често се налага секцио. Размерите на фетусите е толкова голям, че родилката трудно (често невъзможно) би родила. Без човешка помощ тази порода ще изчезне.

Дакелите са порода кучета, която също е жертва на селекцията. Диспропорцията в размерите на тялото е видима с просто око – издължено тяло и неестествено къси крака. Поради тази причина индивидите от тази порода често развиват заболявания на гръбначния стълб и опорно-двигателната система като цяло.

Други породи кучета са предразположени към развитие на различни заболявания, включително и злокачествени. Това е цената, която се плаща при селекция – унаследяване на белези, които не са очаквани. Истинска непредсказуем и никакъв контрол върху процеса на прехвърляне на нови белези.

Toва отново трябва да ни накара да се замислим как селекцията влияе върху биоразнообразието. В конкретния пример човекът унищожава естествените местообитания и дори избива дивите вълци, а в същото време стимулира разпространението на неговите не толкова перфектни производни – домашни кучета играчки.

При мутагенеза избран биологичен вид се излага на определено въздействие, при което се създават мутанти с потенциално полезни и ценни белези. Могат да се използват химични агенти – мутагени, които да индуцират мутации на произволни места в генома – етил-метансулфонат. Могат да се използват и физични фактори – UV лъчение, рентгеново лъчение, гама лъчение и други. Огромна част от популацията подложена на мутагенез умира, но оцелелите носят мутации в своя геном. Те се размножават, изследват, а в последствие могат да бъдат подложени на допълнителен мутагенез.

Мутациите, които могат да настъпят (промяна в генома) са множество видиве. Могат да са точкови – които засягат един нуклеотид. Те могат да бъдат субституции – замяна на един нуклеотид с друг (транзиции и трансверзии), делеции – премахване на един нуклеотид, инсерции – добавяне на един нуклеотиди. Но тези точкови мутации не винаги имат някаква изява (смисъл), тъй като резултатът на настъпилата промяна може да е идентичен с първоначалния вариант на засегнатия кодон. Мутацията може да е настъпила и в регион, който няма никаква функционалност. Но мутацията може напълно да промени един ген или дори да го инактивира. Могат да настъпят мутации и в много по-мащабни размери – внасяне на цели секвенции, промяна местата на цели секвенции. Могат да настъпят и мутации, които засягат цели хромозоми – геномни мутации.

Първите стъпки в генното инженерство са направени през 70-те години на миналия век. Първият модифициран организъм е бактерията Escherichia coli, чийто плазмид е модифициран, за да може бактерията да придобие резистентност към определен антибиотик. В последствие се модифицират миши ембрион – първите модифицирани животни. Открива се, че бактерията Agrobacterium tumefaciens има способността да инжектира свои плазмиди в растителни клетки на корените на растенията. Това е пример за естествено модифициране в природата.

Agrobacterium tumefaciens създава туморни образувания в растенията – недиференцирана тъкан. Интересното е, че всяка единична клетка от тази недиференцирана тъкан има способността да регенерира цялото растение – тотипотентност. Така могат да се създадат безкраен брой клонинги на оригиналното растение – технология, която се използва в клоналното микроразмножаване.

Хората могат да конструират “синтетични” плазмиди със специфични маркери, гени за резистентност, които да улеснят изолирането на трансформанта, специфични места, в които ензими (рестриктази) да вкарат прицелния ген – новия белег, който да се експресира. Плазмидите се експресират в микроорганизми.

Освен бактериални плазмиди, могат да се използват и вируси, като системи за пренос на генетична информация. Най-използваните вируси са ретровирусите, лентивирусите, аденовирусите и други. Ретровирусите могат да се инкорпорират в генома на прицелните клетки. Недостатъкът е, че те могат да инфектират само делящи се клетки, каквито невроните например не са. Лентивирусите са част от ретровирусите, но те имат способността да инфектират и неделящи се клетки. И двата вируса са уникални в това, че имат РНК геном, който презаписват в ДНК чрез специфични ензими (ревертаза), за да може да се инкорпорира в генома на гостоприемника.

Вирусите могат да са с инактивирана репликация – да не могат да създават свои копия и така да инфектират по 1 клетка за всяка вирусна частица. Другият вариант е да се репликират успешно и така да създават нови свои копия, които да пренасят новият ген до повече клетки.

Вирусите най-често се използват в генната терапия на различни генетични заболявания, но хората все още не притежават способността да контролират специфично къде точно вирусът ще инкорпорира своя геном. В някои случаи може да се инкорпорира в онкогени, което да предизвика развитие на ракови заболявания.

CRISPR-CAS9 (клъстерирани регулаторни междупространствени къси палиндромни повтори) е част от няколко от най-модерните инструменти в молекулярната биология, които бяха създадени през последните години. Учените първоначално откриват, че бактериите имат своя система за ефективен придобит имунитет срещу инфекция от различни фаги (бактериални вируси). След всяка фагова инфекция бактерията записва в регион от своя геном къса секвенция, която отговаря на инфектиращия фаг. При нова инфекция тези къси секвенции записани в ДНК се транслират в РНК молекули, които се използват като шаблони от ензими (нуклеази), за да разпознаят атакуващия фаг и специфично да го унищожат.

Биолозите осъзнават, че ако вкарат този ензим и синтезирана от тях специфична секвенция, те могат много точно да изрежат или да инактивират някой ген. Могат дори да го заменят с друг. Така могат специфично да изрежат неработещ ген и да го заменят с работещо копие. Прецизността е изключително висока.

TALENs (Transcription Activator-Like Effector Nuclease) са инструменти подобни на CRISPR-CAS9. Те са създадени от хора чрез обединяване на нуклеазен ензим с TALE домейн от бактерии Xanthomonas sp. Тези бактерии са растителни патогени, които използват тези TAL ефектори, за да активират или усилят експресията на някои гени, които благоприятстват патогенната бактерия.

Активният център на TALE домейна се състои от 33 аминокиселини. Аминокиселините на 13 и 14 позиция са силно вариабилни и е установено, че всяка една комбинация може да се свързва специфично и точно определено с един от 4-те нуклеотида (ATGC). По този начин може да се направи в TALE домейна, чийто сайт разпознава специфично секвнеция в ДНК с дължина 15-20 нуклеотида, при което разпознаване настъпва специфично прерязване от нуклеазния ензим. По този начин може да се наруши цялостта на определени гени и дори да се изрежат съществуващи и да е заменят с нови. Отлична възможност за генна терапия.

Цинковите пръсти са специфични пептидни структури, мотиви, които съдържат атом цинк. Те имат също способността специфично да разпознават определени нуклеотиди. Всеки цинков пръст може да разпознае няколко нуклеотиа, а клъстерирането на няколко пръста води до разпознаването на цяла секвенция от над 20 нуклеотида, което в комбинацията с нуклеаза (режещ ензим) води до специфично рязане на ДНК молекулата. По този начин отново може да се инактивира ген или да бъде специфично заменен с друг.

От трите описани инструмента най-специфични са TALENs. Трябва да се отбележи, че към момента тази техника се използва за модифициране на ограничен брой клетки извън организма, които след модифициране се имплантират обратно.

Друг интересен метод е биолистичният. При него подготвени фрагменти ДНК се свързват с тежки метали (често със злато) и се изстрелват под високо налягане с газ към тъканите на прицелния организъм. Методът е ефикасен.

Elysia chlorotica е мекотело, което се храни с водорасли и краде техните гени и хлоропласти. Хлоропластите са активни в мекотелото и то може да фотосинтезира. Хлоропластите са единствените растителни органели, които имат собствен полуавтономен геном (имат бактериален произход). Това означава, че за да функционират тези органели това животно трябва да е откраднало гени от водорасловия геном и да ги инкорпорирал в себе си. Идеален пример за модифициране в природата.

Бавноходките са изключително интересни животинчета. За тях е характерно, че могат да преживеят изключително високи температури, студа на космоса, високо налягане, глад, UV радиация, гама радиация и други. Те са безсмъртни. Установено е, че при абиотичен стрес геномът им се фрагментира. При репарация на генома в него се инкорпорират растителни и бактериални ДНК секвенции. Това обяснява изключителното голямото количество чужда ДНК в генома им – 18%. Нормално при други индивиди това количество не надвишава 1%.

Ламбда фагът е вирус, който инфектира бактерии и специфично E. coli. Интересното е, че този фаг може да инкорпорира генома си точно между гените за метаболизъм на галактоза (gal) и генът за синтез на биотин (bio). Когато в един момент фагът реши да се изреже от бактериалния геном, той често прави грешки и краде един от двата гена или просто трие част от тях. Понякога фагът открадва галактозните гени и се получава λgal фаг. Може да открадне и генът за синтез на биотин – λbio. И в двата случая бактерията губи част от своя фенотип и генотип. Но когато фагът се инкорпорира в нова бактерия, той пренася тези гени в нейния геном. Тя е модифицирана и придобива нови белези. Този процес се нарича трансдукция.

Транспозоните се наричат мобилни генетични елементи, защото имат способността да се движат и да променят местоположените си в генома. Някои транспозони кодират само ензими за своята транспозиция – ексцизионаза, интеграза, транспозаза. Други транспозони не кодират нужните ензими за своята транспозиция, но могат да ползват чужди – те имат нужда от подпомагане. Често транспозоните могат да се интегрират в активни гени, което води до мутации. Други транспозони след всяко движение остават след себе си – кратки секвенции. Човешкият геном има следи от транспозони, които след настъпила мутация са изгубили своята функция да се предвижват и вече не са активни. Те са част от интересната junk dna.

Отговорите на тези въпроси се намират в статията: Опасни ли са генетично модифицираните земеделски култури за околната среда?

Отговорите на тези въпроси са разгледани в статията: Опасни ли са хранителните суровини от ГМО за здравето на животните и човека?

Този въпрос е разгледан в статията: Ефектът от използването на растителни биотехнологии

Генното инженерство намира приложение и при секвенирането на геноми (тяхното прочитане чрез апаратура, подобна на тази на снимката). Геномите са огромни молекули ДНК, които не могат да бъдат секвенирани в интактно състояние. Геномът трябва да бъде фрагментиран, а от всеки фрагмент да се създаде клон с множество копия. Това става чрез инкорпориране фрагментите в изкуствени хромозоми (хората могат да създават изкуствени хромозоми с голям капацитет) – изкуствена дрождева хромозома (YAC) или изкуствена бактериална хромозома (BAC). В последствия избраната модифицирана хромозома се инкорпорира в съответния организъм (дрожди или бактерии), който започва да се реплицира – съответно се реплицира и изкуствената хромозома. Копията от всеки фрагмент се пречистват и секвенират.

Ефективността на един биосинтетичен процес може да се подобри значително чрез генно инженерство – манипулиране на метаболизма. При синтеза на аминокиселини се използват бактериални щам продуценти – най-често видове от род Corynebacterium. Но освен аминокиселини се синтезират и други нецелеви продукти, които изразходват ценни ресурси в хранителната среда, намаляват добива и правят по-трудно за пречистване прицелното съединение. Това може да се промени, ако се прекъснат пътищата за синтез на ненужните метаболити, но без да се инхибира растежа и развитието на организма. Това става най-често чрез gene knockout.

Синтезът на специфични протеини и ензими може да се улесни чрез използването на “експресионни системи“. Една такава е дрождевият представител – Pichia pastoris. Той има способността да метаболизира метанол чрез синтез на два ензима – алкохол оксидази. Генът на интересния за нас протеин се инкорпорира в първата оксидаза (АОХ1). Той подлежи на контрол от АОХ1 промотора. Синтезът на протеин започва, когато в средата навлезе метанол и спира при неговото отсъствие. Това позволява да се упражнява прецизен контрол върху процеса. В средата не се синтезират големи количества други метаболити, което улеснява пречистването на ценния за нас протеин.

Голяма част от хранителните добавки са продукт на ГМ организми. Такъв е и случаят с витамин С, чийто най-голям производител е Китай. Китайците използват модифициран щам Erwinia sp., който чрез биотрансформация превръща глюкозата в 2,5дикето-глюконат, а от него чрез една допълнителна химическа реакция до аскорбат. За сравнение старата технология е включвала 1 биотрансформация и 3 химически реакции – значително по-неефективен процес.

Китай дълго време отрича използването на ГМ щам продуцент. Днес там се произвежда 80% от световното количество от витамина. В началото Китай продава продукта си значително под себестойността му, което кара конкурентите да спрат производство. След очевадната победа цената на витамина е рязко покачена. България също е била един от производителите на витамин С.

Синтезът на инсулин е сред едно от най-епохалните постижения на биотехнологиите. Технологията се използва вече две десетилетия и замества конвенционалното убийство на животни и извличане на хормона от труповете им (брутален за много хора процес). За целта генът за човешки инсулин се инкорпорира в плазмид, който се експресира в E. coli при култивиране в биореактор. От получената маса се извлича инсулин в пречистен вид.

Преди около 2 години пламна епидемия от един от най-опасните вируси – Ебола. Нещо страховито и немислимо. Една от първите ваксини, които бяха разработени бе Zmapp, по чиято разработка участваше и българката Наташа Бохорова. Самата ваксина е изключително постижение на биотехнологията. Плъхове са били инфектирани с вирус, които по-късно изграждат антитела, чиито гени се изолират. Гените са модифицирани, за да може получените протеини да са човекоподобни и да не предизвикват тежки имунологични реакции. За да се получи достатъчно количество от антителата, гените са били инкорпорирани във вирусен вектор (Вирус на тютюневата мозайка), а той в Agrobacterium tumefaciens, която инфектира тютюневи растения. Вирусът се разпространява от клетка в клетка в цялото растение и започва масово продуциране антителата. Растителната биомаса се хомогенизира и от нея чрез хроматографски и други методи се получават пречистени антитела.

Модерните технологии вече дават положителни резултати под формата на генна терапия. Докладвано е, че може чрез CRISPR да се наруши реплкацията на вируса на СПИН и дори да се изреже от генома на имунни клетки. С помощта на TALENs системата успешно е излекувана малката Лайла от остра лимфобластна левкемия. Модифицираните имунни клетки експресират рецептор, който специфично разпознава ракови клетки и допълнително са направени устойчиви към химиотерапевтичните агенти, които потискат имунната система.

Противниците на модерните технологии винаги посочват “честния труд” на един френски автор. Той се прочу с това, че се опита да докаже, че ГМ соята причинява огромни тумори при плъхове в рамките на година. Световната научна общност и дори ЕК се възпротивиха на неговото проучване, защото се оказа, че то е манипулирано. Едно от най-големите му престъпления е, че той използва линия плъхове, които са предразположени към туморогенеза – имат продължителност на живот от 2 години и спонтанно образуват тумори. Това означава, че ако Сералини бе хранил своите плъхове с био ягоди, то той би стигнал до извода, че био ягодите са канцерогенни. Така наука не се прави.

Иронията в цялата ситуация е, че алтернативата на модифицираните организми – био и оганичните култури – са взели много повече жертви и са нанесли много повече щети. Такъв пример е от 2011 година, когато икономиката на ЕС бе парализирана, а причинените загуби бяха за около 3 милиарда евро. В допълнение 50 души починаха, а стотици бяха инфектирани с опасния щам E. coli 0104. Източникът на инфекцията са кълнове от малка биоферма в Германия. Биофермите имат практиката да избягват изкуствени торове и да торят с прясна оборска тор, която е източник на патогенни бактерии.

Преди 6-12 месеца САЩ отново бе разтресена от поредната епидемия от хранителни инфекции. Огромната верига за бързо “здравословно” хранене Chipotle продаваше на своите клиенти храна инфектирана с ентеробактерии и вируси. Множество хора пострадаха, веригата затвори огромно количество ресторанти, а иронията бе, че основното им рекламно послание е – храната ни е задравословна, защото е без ГМО . Източникът на инфекция отново бе продукт от биоферма.