Курсовая работа (т): Генетически модифицированные организмы. Принципы получения, применение

.2.2 Химическая промышленность

Общеизвестно, что микроорганизмы синтезируют целый ряд ценных веществ. Сегодня, благодаря направленным генетическим манипуляциям, удается не только увеличить продуктивность биосинтеза, но и получать вещества, химическое производство которых ранее было невозможно. Пищевые добавки, аминокислоты, витамины, ароматизаторы, ферменты - вот далеко не полный перечень веществ, которые получают при помощи генетически модифицированных микроорганизмов. В ряде случаев, биотехнологические методы производства этих соединений уже заменили традиционный химический синтез.

Преимущества биотехнологического производства с использованием генетически модифицированных микроорганизмов очевидны: микроорганизмы быстро растут и, в большинстве случаев, легко культивируются. В отличие от традиционного химического синтеза, биосинтез протекает при нормальных условиях, а значит, для него не требуется создание таких дополнительных условий как повышенная температура, давление, или применение агрессивных химикатов. Очевидна экологическая привлекательность биосинтеза, основанного на использовании возобновляемых природных ресурсов, а также того факта, что неиспользованная продукция легко подвергается биодеградации и оказывает минимальное загрязняющее воздействие на сточные воды. [3]

Генетически модифицированные микроорганизмы используются в настоящее время для производства фармацевтических препаратов, вакцин, продуктов тонкого органического синтеза, пищевых добавок и других сопутствующих соединений пищевой промышленности. Вот только некоторые примеры продуктов микробного синтеза:

·        Витамин B2 (краситель, рибофлавин E 101), витамин C (консервант, аскорбиновая кислота E 300);

·        Загуститель ксантан (E 415), регулятор кислотности лимонная кислота (E 330);

·        Консервант, натамицин (E 235), низин (E 234), лизоцим (E 1105);

·        Аминокислоты: глутамат - усилитель вкуса и запаха (E621), аспартам - подсластитель (E 951) или цистеин (E 921), используются для улучшения качества пищевых продуктов и кормов;

·        Ферменты, необходимые для производства сыров, хлеба, выпечки, алкогольных напитков, соков, сиропов, глюкозы, и других продуктов также во многих случаях получают при помощи генетически модифицированных микроорганизмов. [12]

Генетическая инженерия позволяет существенно расширить возможности микробиологического производства, повысить микробную продуктивность и сделать биосинтез экономически более выгодным по сравнению с химическим производством. Клонирование в микробную клетку генов определенных метаболических путей позволяет не только существенно увеличить количество конечного целевого продукта, но и добиться синтеза таких несвойственных для микробного метаболизма веществ. Генная инженерия позволяет перевести т.н. "индуцибельные" гены (экспрессируются при наличии в среде определенного соединения), в "конститутивные" (экспрессируются постоянно на высоком уровне). В том случае, если необходимое вещество синтезируется микроорганизмом неприспособленным для роста в культуре, достаточно клонировать гены, отвечающие за синтез этого соединения в другой, хорошо адаптированный для роста в биореакторе штамм. [12]

.2.3 Другие варианты применения ГММ

Студенческая исследовательская группа из Университета Ньюкасла вырастила весьма полезных микробов, которые способны "заштопать" мелкие трещины в бетоне с помощью вырабатываемого ими связывающего вещества. Bacillus subtilis или BacillaFilla, как окрестили эту бактерию молодые ученые, проникает в трещины и "расползается" внутри. Достигнув дна трещины, BacillaFilla начинает производить смесь карбоната кальция и бактериального клея. Этот "строительный раствор", заполненный нитеобразными бактериальными клетками, связывает стенки трещины, увеличивая прочность конструкции и продлевая срок её эксплуатации. [Приложение 4, рис.1]. Руководитель проекта, доктор Дженнифер Холлинен (Jennifer Hallinan) говорит, что "бактериальный" способ ремонта будет более благоприятным для окружающей среды, чем производство бетона и возведение новых конструкций. "Это может быть особенно полезным в сейсмоопасных районах, где сотни зданий идут на снос только потому, что в настоящее время нет простого способа их ремонта". Споры BacillaFilla начинают прорастать только при контакте с бетоном, реагируя на специфический рН материала. В геном бактерии встроен ген "самоуничтожения", поэтому она не способна выжить в условиях окружающей среды. Сформировавшиеся на поверхности бетона бактериальные клетки начинают проникать в трещины на его поверхности. В районе дна трещины бактериям становится "тесно" и клетки начинают слипаться друг с другом. Это служит сигналом к началу дифференциации бактериальных клеток. Одни из них начинают вырабатывать карбонат кальция, другие - бактериальный клей, а третьи выступают в роли "армирующего волокна". В результате такого разделения труда трещина заполняется связывающим веществом и перестает представлять угрозу прочности конструкции. [13]

Американские ученые из Калифорнийского университета в Сан-Франциско создали некое подобие фотопленки из генетически модифицированных бактерий. Как сообщает New Scientist, в ходе экспериментов команда Криса Войта, применяла кишечные палочки E.coli, которые в процессе жизнедеятельности не используют свет. Для того чтобы придать E.coli нужные свойства, ученые поместили в клеточную мембрану бактерии гены сине-зеленой морской водоросли. В результате кишечная палочка "научилась" реагировать на красный свет. Далее колония бактерий с генетически модифицированным кодом была помещена в среду со специальными молекулами-индикаторами. При облучении полученной "фотопленки" красным светом происходит отключение одного из генов E.сoli, что, в свою очередь, приводит к изменению цвета индикатора. Таким образом, меняя состояние бактерий на определенных участках "биопленки", можно формировать монохромный рисунок. Причем благодаря микроскопическим размерам бактерий изображения, если их можно так назвать, имеют рекордное разрешение - до 100 миллионов пикселей на квадратный дюйм. Правда, на получение каждого "кадра" уходит порядка четырех часов. Исследователи отмечают, что их разработка вряд ли когда-либо найдет применение в сфере традиционной фотографии. Однако новая методика может привести к появлению "нанофабрик", способных синтезировать определенные вещества точно в тех местах, на которые попадает свет. В настоящее время команда Криса Войта продолжает исследования и пытается создать живую фотопленку, способную воспроизводить несколько цветов. [12]

.3 Использование трансгенных растений

Несмотря на впечатляющие достижения генетической инженерии в области медицины, наибольший резонанс в обществе, однако, вызвало применение генетически модифицированных организмов для производства сельскохозяйственной продукции. Сейчас в мире уже существуют множество растений (кукуруза, соя, хлопок, рапс, томат, картофель и т.д.) устойчивых к гербицидам, насекомым, вирусам, с улучшенными качественными характеристиками.

Одной из основных проблем сельскохозяйственного производства является борьба с сорняками. Генетическая инженерия решает эту проблему довольно просто. Достаточно перенести в генетический материал растения нужный ген от устойчивых к гербицидам микроорганизмов. Среди всех трансгенных культур гербицидустойчивые формы составляют подавляющее большинство, т.к. это позволяет существенно снизить издержки производства за счет эффективного контроля над сорными растениями. [5]

Безусловным лидером среди всех трансгенных культур является соя, устойчивая к гербициду глифосфату. Гербицид глифосфат (Раундап) относится к гербицидам тотального действия. Его "мишенью" в растении является фермент 5-энолпирувилшикимат-3-фосфат синтаза (EPSPS), который играет важную роль в синтезе ароматических аминокислот (тирозина, фенилаланина, триптофана). Под действием гербицида у неустойчивых к нему растений наблюдаются симптомы азотного голодания, и они погибают в течение 2 недель. В выращиваемых во всем мире трансгенных коммерческих сортах сои встроен мутантный ген cp4 от почвенной бактерии Agrobacterium tumefaciens CP4. Генетическая конструкция, созданная с помощью технологии рекомбинантных ДНК для переноса этого гена в растения, содержит также промотор CaMV35S от вируса мозаики цветной капусты, терминальную последовательность от гена nos нопалинсинтазы Agrobacterium tumefaciens и небольшую последовательность, кодирующую хлоропластный транзитный пептид от петунии, необходимый для доставки мутантного EPSPS к хлоропластам - месту синтеза ароматических аминокислот в клетке. Для переноса этой конструкции в генетический материал сои использован метод "бомбардировки" клеток с помощью "генной пушки". [3]

Второй ключевой проблемой растениеводства является повышение эффективности контроля численности насекомых-вредителей сельскохозяйственных культур. Среди биопестицидов широко используется так называемый Bt-токсин, получаемый из Bacillus thuringiensis. Токсин, как утверждают специалисты губителен для насекомых и совершенно безвреден для млекопитающих. Так, Bt-ген регулируется фоточувствительным промотором, он экспрессируется на свету в 100 раз сильнее, чем в темноте. Соответственно в клубнях Bt-протеина образуется в 100 раз меньше, чем в листьях. [4]

Еще одно важное направление генетической инженерии - селекция сортов, устойчивых к стрессовым факторам среды: засухе, жаре, холоду, повышенному засолению почвы. Идет работа над выделением, клонированием и переносом в растения трансгенов, кодирующих образование различных осмопротекторов (ионов, протеинов, аминокислот, сахаров), регулирующие содержание ненасыщенных жирных кислот в мембранах клеток. С помощью генной инженерии повышают урожайность сельскохозяйственных растений. Например, встраивание в геном картофеля гена фитохрома В от арабидопсиса приводит к повышению интенсивности фотосинтеза и увеличению урожая клубней. [3]

Сейчас ведутся работы и получены обнадеживающие результаты по созданию кофе без кофеина, табака без никотина, арахиса, не содержащего характерных для него аллергенов. Создан "золотой" рис: в него перенесли 3 гена от разных организмов, необходимых для биосинтеза каротина (гены фитоендесатуразы и ликопин β-циклазы от нарцисса и ген каротиндесатуразы от бактерий). [1]

Японским исследователям удалось получить растения картофеля и табака с встроенным геном человеческого интерферона альфа, который применяют для лечения человека от гепатита С и некоторых форм рака. Созданы растения табака с человеческим интерлейкином 10 (стимулятор иммунитета). Преимущества таких "биофабрик" очевидны. Можно производить вещества, являвшиеся ранее очень редкими и дорогими, практически в неограниченных количествах. При этом не стоит проблема их тщательной очистки, как в случае с генетически модифицированными микроорганизмами. [3]

Большой интерес представляет использование трансгенных растений в целях получения съедобных вакцин для повышения устойчивости организма человека к опасным заболеваниям. Стенки клеток растений обеспечивают эффективную защиту находящегося в них антигена в ротовой полости и в желудке. "Упакованный" антиген эффективно достигает кишечника, где индуцирует иммунный ответ на уровне слизистых оболочек. Важной особенностью съедобных вакцин является их потенциальная дешевизна, биологическая биобезопасность, простота хранения и применения. Концепция производства вакцин в трансгенных растениях впервые сформулировали Х.Мэйсон с соавторами (1992 г.). Они получили картофель, экспрессирующий поверхностный антиген вируса гепатита В. Также сравнительно недавно удалось получить растения бананов, поедание плодов которых индуцирует образование антител к вирусам папилломы. [5]

Направления использования трансгенных растений могут быть совершенно неожиданными. Так, предполагается применять их для очистки почвы от загрязнений нефтью и тяжелыми металлами наряду с микроорганизмами. Самое удивительное, что растения табака с подобными свойствами уже получены. Предполагается использование трансгенных растений для дешевого и гуманного регулирования численности популяций некоторых диких животных. Для этого в геном растения встраивают гены, кодирующие антигены половых клеток (сперматозоидов) или половых гормонов. [6]

.4 Трансгенные животные в сельском хозяйстве

Основным направлением исследований в области генетической инженерии животных является выведение пород с повышенной продуктивностью, устойчивостью к болезням и т.д. Например, трансгенные свиньи с добавленным геном гормона роста более мускулистые и менее жирные. То есть из туши трансгенного кабанчика можно получить больше мяса, чем из обычного, и меньше сала. [6]

Свиньи с добавлением гена фитазы (один из ферментов переваривания пищи) эффективнее усваивают корма за счёт лучшей усвояемости фосфора, что выражается в усилении их роста. К тому же это дает возможность в меньшей степени загрязнять окружающую среду фосфатами. Трансгенные свиноматки с добавленным им геном β-лактальбумина более эффективно вскармливают своих поросят. [7]

Сейчас ученые пытаются реализовать ряд проектов, такие как улучшение качества шерсти овец, выведение пород крупного рогатого скота, в молоке которого будет снижена концентрация β-лактоглобулина и многое другое. Трудности связаны с определенными техническими (сложности получения и размножения), финансовыми, а иногда и этическими проблемами.[3]

Таким образом научные исследования в области применения генетически модифицированных организмов ведутся по целому ряду перспективных направлений. Уже получены интересные результаты, значит, в будущем следует ожидать появления новых сортов, видов, штаммов с новыми возможностями.

Глава 3. Неблагоприятные эффекты генно-инженерных организмов

Сегодня, находясь в определенной эйфории от достижений "генной революции", человечество, к сожалению, не осознает все возможные ее угрозы и вызовы. В полной мере оценить их сегодня, пожалуй, и невозможно, поскольку в процессе внедрения определенного гена, модифицированный организм приобретает или может приобрести целый ряд свойств, появление и особенности которых предсказать невозможно из-за недостаточной изученности механизмов функционирования генома. Вследствие этого при производстве ГМО, их коммерческом использовании, распространении и потреблении возникает целый ряд нежелательных явлений и рисков, которые необходимо исследовать, чтобы предупредить возможные негативные воздействия и проявления ГМО в будущем. [1]

Общая методика оценки риска возможных неблагоприятных эффектов ГМО включает следующие этапы:

·        выявление любых новых генотипических и фенотипических характеристик, связанных с присутствием трансгенов, которые могут вызвать неблагоприятное воздействие ГМО на здоровье человека и окружающую среду;

·        оценка вероятности возникновения неблагоприятных последствий исходя из интенсивности, продолжительности и характера воздействия генетически модифицированного организма на человека или на потенциальную принимающую среду;

·        оценка последствий в том случае, если такое неблагоприятное воздействие действительно будет иметь место;

·        оценка совокупности риска, вызываемого ГМО, на основе оценки вероятности возникновения и последствий выявленных неблагоприятных эффектов;

·        вынесение рекомендации относительно того, являются ли риски приемлемыми или регулируемыми, включая, если это необходимо, определение стратегий для регулирования таких рисков.[3]

3.1 ГМО и здоровье человека

Среди потенциальных рисков для здоровья человека, связанных с использованием генно-инженерных организмов, рассматриваются следующие:

·        синтез новых для реципиентного организма белков-продуктов трансгенов, которые могут быть токсичными и/или аллергенными;

·        изменение активности отдельных генов живых организмов под влиянием вставки чужеродной ДНК, в результате которого может произойти ухудшение потребительских свойств продуктов питания, получаемых из этих организмов;