Останнім часом активно обговорюється питання дозволу вирощування ГМО в Україні. Чинна система реєстрації та контролю за оборотом ГМО так чи інакше потребує змін. Фактично в нашій країні за допомогою ГМО нелегально у великих обсягах вирощують окремі сільськогосподарські культури. Їх частка неконтрольовано збільшується з року в рік, і нині є потреба урегулювати це питання.
Існує думка, що за вирощування ГМО-культур виникає сумнівна економія коштів від засобів захисту від бур’янів, хвороб і шкідників. Але це залежить від того, з якого боку дивитися на це питання. Головна економія у вирощуванні ГМО-рослин полягає в тому, що в сортів і гібридів, стійких до гербіцидів, комах-шкідників, хвороб, посухи та інших абіотичних чинників, а також зі збалансованим складом амінокислот і зміненим складом жирних кислот, полегшується захист від бур’янів та знижується собівартість продукції через зменшення застосування інсектицидів і фунгіцидів, а головне — покращується якість і підвищується урожайність. Рослини чи зерно можуть також набувати нових властивостей, клітини яких синтезує і накопичує білки з різних гетерологічних систем, які можна використовувати в медицині та фармакології, важливих у терапії різних захворювань, які могли б бути використані як «їстівні вакцини».
________________
Головна економія у вирощуванні ГМО-рослин полягає в тому, що в сортів і гібридів, стійких до гербіцидів, комах-шкідників, хвороб, посухи та інших абіотичних чинників, а також зі збалансованим складом амінокислот і зміненим складом жирних кислот, полегшується захист від бур’янів та знижується собівартість продукції через зменшення застосування інсектицидів і фунгіцидів, а головне — покращується якість і підвищується урожайність
________________
Поліпшення господарсько цінних ознак сільськогосподарських культур: комерціалізація генетично модифікованих сортів рослин. Використання генно-інженерних методів для перенесення генів, що визначають господарсько цінні ознаки, відкрило великі перспективи для поліпшення важливих сільгоспкультур. На сучасному етапі селекції селекціонери стикаються з проблемою браку вихідного матеріалу з покращеними характеристиками, який можна було залучати до створення нових сортів і гібридів рослин. Проте за допомогою генно-інженерних методів з перенесення генів можливо створювати вихідний матеріал із кращими господарсько цінними ознаками та використовувати його у традиційній селекції для її пришвидшення. Насправді всі сорти й гібриди через направлену селекцію на покращення властивостей мають змінений геном із постійно оновлюваними генами. В природі у рослин, тварин, грибів, вірусів, бактерій постійно відбувається обмін нуклеотидами й ділянками генів. Уявлення на ділення рослин на ГМО і не ГМО-рослини з цього погляду вже не актуальне, а подальший прогрес у цьому напрямі досліджень тільки поглибить це уявлення і зітре надуману грань між ГМО і не ГМО-рослинами.
Останнім часом створено трансгенні рослини, стійкі до гербіцидів, комах-шкідників, вірусів і хвороб; рослини зі збалансованим складом амінокислот та зміненим складом жирних кислот; декоративні сорти зі зміненим забарвленням квітів тощо. Важливим успіхом генної інженерії є створення нового сорту рису з підвищеним умістом провітаміну А, заліза та фолієвої кислоти. Вживання такого «золотого» рису дозволяє компенсувати брак вітаміну А в повсякденному раціоні, особливо в країнах, що зазнають його дефіцит. Ще один сорт рису (високопродуктивний, стійкий до посухи та засолення ґрунтів) створили американські вчені з Корнелльського університету. Вони перенесли в рослинний геном від звичайної кишкової палички, що мешкає у шлунку людей, два гени, які контролюють синтез вуглеводу трегалози, що забезпечує високу стійкість рослин як до високих, так і низьких температур.
Отримано дозвіл на обробку нового сорту біотехнологічної картоплі Фортуна, стійкої до фітофторозу, що дозволяє скоротити кількість обробок рослин фунгіцидами та знизити втрати урожайності. На Філіппінах висівають «золотий» рис, в Індонезії — посухостійку цукрову тростину.
У 2002 році Індія вперше дозволила вирощувати генетично модифіковану бавовну, в країні не було схвалено жодної трансгенної культури. Але цей крок допоміг перетворити її на виробника бавовни №1 у світі та другого за величиною експортера, бо виробництво збільшилося в чотири рази. Індія також надала екологічний дозвіл на виробництво і вирощування генетично модифікованого насіння гірчиці, проклавши шлях для комерційного використання своєї першої ГМ-культури та зменшення імпортозалежності. Індія є найбільшим у світі імпортером харчових олій, який задовольняє понад 70% свого попиту з Аргентини, Бразилії, Індонезії, Малайзії, України.
Влада Індії прагне стимулювати використання у її сільському господарстві сучасних технологій, зокрема і генного модифікування. Це — з метою забезпечення продовольчої безпеки країни та зниження залежності від імпорту харчових продуктів. Тільки у 2021/22 фінансовому році Індія витратила рекордні 19 млрд доларів на ввезення рослинних олій. На думку вчених, населення Індії, що збільшується, і скорочення придатних для обробітку земель означають необхідність переходу на ефективніші методи ведення сільського господарства. Однак багато екоактивістів побоюються впровадження генетично модифікованих культур. Унаслідок їх лобізму 2010 року в Індії було заборонено вирощування генетично модифікованих сортів баклажанів.
У США дозволили вирощувати фіолетові ГМ-помідори, здатні стримувати розвиток раку й діабету. Для цього додали гени рослини левиного зіва до ДНК помідорів. У результаті дослідникам вдалося створити помідори, що містили високий рівень антоціанів. Перевага підвищеного рівня антоціанів у фіолетових помідорах полягає в подвоєнні терміну їх зберігання, порівнюючи з червоними помідорами. Антоціани допомагають затримувати перезрівання плодів і знижують сприйнятливість плодів до ураження грибами після збирання врожаю. Вони також захищають рослини від пошкодження ультрафіолетом і від хвороботворних мікроорганізмів, а також можуть бути корисними для здоров’я людей. Дослідження інших харчових продуктів, що їх містять, пов’язують їх зі зниженням запалення та ризиком діабету другого типу та раку. Вони також можуть захистити мозок від таких захворювань, як деменція. Очікується, що фіолетові помідори будуть доступними для продажу в США вже у 2023 році.
У Великій Британії випробовують ГМ-пшеницю з підвищеним умістом заліза та цинку в зерні. Продукція з такої пшениці має значні переваги для харчування, особливо для тих, хто потерпає від недоїдання. Пшениця була модифікована за допомогою двох генів, що беруть участь у транспортуванні поживних речовин навколо рослини. Було ідентифіковано ген пшениці, що кодує вакуолярний транспортер заліза (VIT2), що допомагає секвеструвати залізо в конкретних компартментах клітини. Інший ген нікотинамід синтази (NAS2) з рису, відповідальний за транспортування поживних речовин навколо рослини, було перенесено у лінію пшениці разом із VIT2. Завдяки підвищенню рівня NAS2 у рослині пшениці залізо та цинк стають більш рухливими, і більша їх кількість переміщується в зерна.
За останній рік Департамент сільського господарства Сполучених Штатів Америки (USDA) дав зелене світло на розвиток і впровадження 70 нових біотехнологічних культур із відредагованими генами. Культури з відредагованими генами не потребують такого ж рівня тестування і контролю, як традиційні ГМО. Фахівці галузі стверджують, що нові методи редагування генів, такі як CRISPR, дозволяють багатьом компаніям досягати неймовірних результатів без великих інвестицій і часових витрат. Наголошується, що видозмінені рослини нічим не відрізняються від отриманих селекційним шляхом. Культури з новими ознаками, створеними без застосування трансгенів (тобто генів, запозичених у інших видів), не відповідають визначенню регульованих ГМО. Замість цього редагування генів уважається технологією селекції рослин.
CRISPR-Cas[de] — технологія для спрямованого редагування геномів. На сьогодні CRISPR уважають найважливішим технологічним нововведенням у науках про життя з часів винаходу полімеразної ланцюгової реакції (ПЛР), відкритої трьома десятиліттями раніше. За впровадження методів редагування генів за допомогою CRISPR-Cas9 Дженніфер Дудна та Емманюель Шарпантьє отримали Нобелівську премію з хімії 2020 року.
________________
Потенційна сфера застосування трансгенних рослин надзвичайно широка. Наприклад, створено рослини для очищення навколишнього середовища від різноманітних забруднень, зокрема важких металів; для біодеградації полімерів тощо
________________
Застосування методик CRISPR-Cas[de] для спрямованого редагування геномів є перспективним напрямом у сучасній генній інженерії. Технологія CRISPR-Cas успішно застосовується в генній інженерії рослин, зокрема декоративних (наприклад, петунії) та багатьох важливих сільськогосподарських культур: рису, сої, пшениці, сорго, кукурудзи, томату й апельсину. Досліджуються можливості впровадження систем CRISPR-Cas у культурні рослини до створення противірусного імунітету. Для генної інженерії рослин може використовуватися система CRISPR-Cpf1. Останні роки вчені широко застосовують підходи на основі систем CRISPR-Cas у медицині для лікування спадкових захворювань, для адресної доставки ліків та їх вивільнення за зовнішньої дії.
Потенційна сфера застосування трансгенних рослин надзвичайно широка. Наприклад, створено рослини для очищення навколишнього середовища від різноманітних забруднень, зокрема важких металів; для біодеградації полімерів тощо. Методами генетичної інженерії можна змінювати ростові характеристики рослин, створюючи мініатюрні карликові форми декоративних культур.
Перші досягнення в галузі генної інженерії рослин досить швидко знайшли застосування у практиці. Перші трансгенні рослини були створені на початку 80-х років минулого століття, і вже 1994 року у США було отримано перший дозвіл на генетично модифікований харчовий продукт — томати Flavr Savr, а 1995-го відзначено вихід на ринок трансгенних рослин кукурудзи (Bt-кукурудзи), стійких до комах-шкідників. Площі, під першими комерційними сортами генетично модифікованих рослин у 1996 році становили 1,7 млн гектарів. 30-річний період комерціалізації трансгенних сортів рослин відзначався постійним неухильним ростом площ і великомасштабним виходом нових сортів, створених на основі генетично модифікованих рослин. У 2022 році площі під біотехнологічними культурами становили більше ніж 200 млн гектарів. Це свідчить про те, що біотехнологічні культури є найшвидшою адаптованою сільськогосподарською технологією. У світі були комерціалізовані такі види сільськогосподарських культур, як соя, кукурудза, бавовник, ріпак, цукровий буряк, папая, гарбуз, томати, солодкий перець, люцерна та тополя. До 2012 року близько 17 млн фермерів у 28 країнах розміщують трансгенні рослини на своїх полях. Усього біотехнологічні культури вирощують у 28 країнах, а в 31 країні дозволено їх увезення, тобто в 59 країнах світу генетично модифіковані культури використовують для економічних цілей.
Трансгенні рослини — біопродуценти фармацевтично цінних білків ветеринарного і медичного призначення (біофармінг). Для медичних цілей людство використовує рослини вже багато тисяч років. Однак тільки на рубежі ХХ–ХХІ ст. з допомогою методів генетичної інженерії стало можливим створювати нові типи рослин, у тканинах яких синтезуються і накопичуються білки з різних гетерологічних систем, що застосовують у медицині та фармакології.
На цей час створено трансгенні рослини, у ядерний і хлоропластний геноми яких перенесено гени, що контролюють синтез рекомбінантних білків, важливих у терапії різних захворювань. Генетично модифіковані рослини можуть служити дешевшим джерелом рекомбінантних білків, порівнюючи з традиційними системами експресії на основі бактерій, дріжджів, культур клітин комах і ссавців. Заслуговує на увагу застосування трансгенних рослин для синтезу білків медичного призначення, які могли б бути використані як «їстівні вакцини».
Принципи формування імунної відповіді у використанні «їстівних» вакцин засновано на антигенпрезентувальный здатності перитонеальних макрофагів тонкого шлунка ссавців. У шлунку спеціальні М-клітини, котрі широко представлені в товщі слизового епітелію, розпізнають чужорідний білок, що має антигенні властивості. М-клітини транспортують захоплений антиген до перитонеальних макрофагів і В-лімфоцитів, що находяться в лімфоїдних утвореннях тонкого кишківника (пеєрових бляшках).
У результаті презентації антигену на поверхні антигенпрезентувальних клітин відбувається активація Т-лімфоцитів-хелперів, які в поєднанні з антигеном активують В-лімфоцити. Диференційовані В-клітини виходять із лімфоїдних фолікулів слизової оболонки й надходять через загальну циркуляцію в мезентральні лімфатичні вузли, де відбуваються їх дозрівання та перетворення на плазматичні клітини, що синтезують специфічні антитіла. Плазматичні клітини здатні знову мігрувати до слизових оболонок дихальних шляхів, шлунково-кишкового та сечостатевого трактів. Секреторні імуноглобуліни IgA транспортуються на поверхню слизових оболонок, де зв’язуються з чужорідними антигенами та перешкоджають їх проникненню в організм.
Нині рослинні клітини є дуже перспективною альтернативною системою експресії для отримання рекомбінантних білків медичного призначення в багатьох провідних біотехнологічних лабораторіях і комерційних фірмах. Основну увагу дослідників спрямовано на створення трансгенних рослин — біореакторів фармацевтично цінних білків із використанням ядерної трансформації, тобто доставкою чужорідного гена у ядерний геном рослини. Серед компаній, діяльність яких засновано на використанні трансгенних рослин з ядерною трансформацією, слід вказати фірми Рrotalix (Ізраїль), Medicago (Канада), Lemna Gene (Франція), Planet Biotechnology (США), ProgyGene(Люксембург). Такі фірми, як Shlorogen Inc. (США) та Bayer AG (Німеччина) для отримання рекомбінантних білків використовують транспластомні рослини (доставка трансгена в хлоропластовий геном), а також транзієнтну експресію чужорідних генів у рослинних клітинах (метод агроінфільтрації).
Сергій ХАБЛАК, д-р біол. наук, агроном
Інститут харчової біотехнології та геноміки
