Geum.ru

Курс лекций по дисциплине «безопасность жизнедеятельности»

Вид материалаКурс лекций

Содержание


Экологические риски при интродукции генетически
Однако следует обращать внимание на возможные негативные последствия применения интродуцированных ГММ.
Подобный материал:
1   ...   6   7   8   9   10   11   12   13   14
Тема 7


ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ РИСКИ ПРИ ИНТРОДУКЦИИ ГЕНЕТИЧЕСКИ

МОДИФИЦИРОВАННЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ И ТРАНСГЕННЫХ

РАСТЕНИЙ В ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

1. Проблема биологической безпасности в связи с использованием генетически модифицированных микроорганизмов и трансгенных растений.

В последнее десятилетие ХХ в. в различных лабораториях мира начаты интенсивные и широкомасштабные эксперименты по конструированию генетически модифицированных микроорганизмов (ГММ). Изначально предполагалось, что полезное действие ГММ должно проявляться в открытых экосистемах. Идеологи этого направления полагают, что внедрение (интродукция) трансгенных микроорганизмов в различные открытые экосистемы сможет применяться для восстановления плодородия тех земель, которые уже стали пустынями, так как некоторые штаммы ГММ способны эффективно поглощать и связывать влагу атмосферы. Они также могут применяться для уменьшения парникового эффекта за счет поглощения избыточного углекислого газа атмосферы или для повышения урожайности сельскохозяйственных растений путем использования трансгенных азотфиксаторов или других продуцентов. Перспективны подавления сельскохозяйственных вредителей и фитопатогенов с помощью трансгенных биопестицидов, повышение биопродуктивности планктона Мирового океана, очистка от загрязняющих веществ почв и водоемов с помощью трансгенных штаммов.

Однако в настоящее время существуют серьезные опасения, что ГММ, созданные без учета их вероятных экологических характеристик и не прошедшие длительной коэволюции (гармонического совместного развития природы и общества) в природных экосистемах, смогут бесконтрольно и неограниченно размножаться в окружающей среде. Эта интродукция может привести к следующим явлениям:
  • вытеснению аборигенных природных организмов из их экологических ниш и к последующей цепной реакции нарушения экологического равновесия;
  • уменьшению биоразнообразия;
  • снижение сортового разнообразия сельскохозяйственных культур вследствие массового применения ГМО, полученных из ограниченного набора родительских сортов.
  • неконтролируемый перенос конструкций, особенно определяющих различные типы устойчивости к пестицидам, вредителям и болезням растений, вследствие переопыления с дикорастущими родственными и предковыми видами. В связи с этим снижение биоразнообразия дикорастущих предковых форм культурных растений и формирование «суперсорняков».
  • негативное влияние на биоразнообразие через поражение токсичными трансгенными белками нецелевых насекомых и почвенной микрофлоры и нарушении трофических цепей.
  • риски быстрого появления устойчивости к используемым трансгенным токсинам у насекомых-фитофагов, бактерий, грибов и других вредителей, под действием отбора на признак устойчивости, высокоэффективного для этих организмов.
  • риски появления новых, более патогенных штаммов фитовирусов, при взаимодействии фитовирусов с трансгенными конструкциями, проявляющими локальную нестабильность в геноме растения-хозяина и тем самым являющимися наиболее вероятной мишенью для рекомбинации с вирусной ДНК.
  • риски отсроченного изменения свойств (через несколько поколений), связанные с адаптацией нового гена генома и с проявлением как новых плейотропных свойств, так и изменением уже декларированных.
  • бесконтрольному переносу чужеродных генов из трансгенных организмов в природные и к дальнейшему хаотическому переносу этих генов в природных популяциях. А это приведет к активации ранее известных и/или к образованию ранее неизвестных патогенов животных и растений.

Колоссальную угрозу для сельского хозяйства представляет загрязнение традиционных сортов растений трансгенными формами.

Национальные интересы России в экологической сфере заключаются в сохранении и оздоровлении окружающей среды, чему противоречит коммерческое использование ГМ сортов растений в сельскохозяйственном производстве. С экологическими рисками использования ГМО неразрывно связаны агротехнические риски и риски производства фармацевтических препаратов на основе ГМО.

Все это обусловило необходимость формулировки самой концепции существования такого риска, а также необходимость разработки подходов и методов, с помощью которых можно было бы оценить риск потенциальных опасностей, которые смогут возникнуть после интродукции конкретного ГММ в окружающую среду. Это позволяет соответствующим органам принимать решение о возможности или невозможности создания и интродукции того или иного ГММ в конкретную экосистему или вообще в окружающую среду.

Одно из направлений биотехнологии и генной инженерии - создание ГММ, полезный эффект от которых ожидается после их интродукии в окружающую среду. К настоящему времени остро стоит вопрос: можно ли обоснованно оценивать последствия интродукции ГММ в объекты окружающей среды.

Рассмотрим как ожидаемую пользу от интродукции, так и возможные негативные последствия.

Ожидаемая польза в сельском хозяйстве от интродукции ГММ.

В сельском хозяйстве инродукция ГММ может оказаться полезной для:

• повышения эффективности питания растений;

• борьбы с вредителями;

• защиты растений от климатических стрессов, например заморозков;

• защиты растений от образования опухолей в растительных тканях.

Например, для решения некоторых из этих задач эффективной может оказаться интродукция генетически модифицированных штаммов (ГМ-штаммов) симбиотических видов Rhizobiacea (почвенная бактерия) для усиления азотного питания растений. Такие штаммы уже сконструированы, и некоторые из них запатентованы.

Эффективно применяются в качестве биопестицидов генетически модифицированные бакуловирусы, губительные для некоторых вредителей сельского хозяйства. Например, в геном вируса ядерного полиэдроза (вызывающего заболевание соснового пилильщика и тутового шелкопряда) встроены гены, кодирующие диуретический гормон, а также нейротоксин скорпиона. В частности, диуретический гормон в больших концентрациях приводит к нарушению водного баланса насекомых, снижению их способности к размножению или даже к гибели. Специалисты считают, что перспективы развития мирового рынка биопестицидов на основе ГММ многообещающие.

Обитающий в почве патоген Agrobacterium tumefaciens является очень хитрым микроорганизмом. Проникая в растение в месте повреждения, бактерия внедряет часть собственной ДНК в его геном. Эти гены стимулируют выработку гормонов, способствующих росту растения, что вызывает разрастание тканей растения, приводящее к болезни, называемой галлом. Эти же гены заставляют растение вырабатывать опины - соединения, содержащие углерод и азот, которыми и питается микроорганизм.

Интродукция в окружающую среду ГМ-штаммов Agrobacterium tumefaciens не имеющего генов опухолеобразования у растений, приводит к вытеснению аналогичных штаммов этих бактерий, способных вызывать опухоли.

Если рассматривать применение ГМ-технологий в пищевой промышленности, то ГММ могут быть интродуцированы в окружающую среду не непосредственно, а из пищевых продуктов. В этой области ГММ широко используются, и уже получены практические результаты. Например, ГММ успешно применяются в производстве ферментов для сыроделия.

Выделены различные генетически модифицированные штаммы для интенсификации процессов брожения.

ГМ-штаммы также используют в молочной промышленности для улучшения технологических характеристик молочной бактерии, для обеспечения их устойчивости к фагам (вирусам бактерий), для придания им способности синтезировать пептидные антибиотики и тем самым ингибировать рост патогенной флоры.


Многообещающие перспективы вырисовываются при использовании ГММ-технологий в здравоохранении.

Например, это создание живых пероральных вакцин на основе бактерий Salmonellae (бактерии, вызывающие кишечную инфекцию). Данные вакцины предназначены для борьбы против сальмонеллезных инфекций у человека и животных. Они способны нести клонированные антигены - эпитопы вирусных, бактериадльных паразитов, следовательно выполнять роль вакцин (эпитоп - участок белковой или полисахаридной молекулы, обладающей способностью вызывать образование антител данной специфичности).

Одна из самых многообещающих областей применения ГММ - охрана окружающей среды.

Для примера приведем данные опыта по внесению в загрязненную почву на площади 10 га трех различных ГМ-бактерий-деструкторов. Загрязненная почва содержала угольную смолу и фенолы. После интродукции этих штаммов концентрация полихлорароматических углеводородов снижалась на 40%. В почве число жизнеспособных клеток ГМ-бактерий-деструкторов уменьшалось параллельно с уменьшением концентрации разрушаемого загрязняющего вещества. Однако существуют и негативные последстаия применения ГМ-бактерий-деструкторов, так как при интенсивной биодеградации они могут образовывать промежуточное соединение, более токсичное, чем исходное загрязняющее вещество. Тем не менее создание интродуцированных в природу ГММ - интенсивно развивающаяся отрасль биотехнологии, и только в США в 1995 г. средства на биоремедитацию (как исследования, так и применение) составили 153 млн долл.

Однако следует обращать внимание на возможные негативные последствия применения интродуцированных ГММ.


2. Негативные последствия интродукции ГММ.

Существуют несколько типов возможных негативных последствий интродукции ГММ. Проблема оценок риска таких негативных последствий усложнена тем, что к настоящему времени не зарегистрировано ни одного случая таких последствий. Поэтому нет никакой конкретной фактической информации о том, в чем могут выражаться эти отрицательные последствияРассмотрев возможные положительные и отрицательные последствия интродукции ГММ в окружающую среду, перейдем к описанию методологии оценки риска подобного вмешательства. За основу возьмем подходы экспертов Европейской биотехнологической федерации и Евросоюза (ЕС).

Эксперты ЕС разработали стандартный формат описания характеристик ГММ, необходимый для всесторонней оценки их безопасности. В Интернете это описание можно посмотреть на сайте: org/cd.php


3. Основы методологии оценки риска интродукции ГММ.

В основу этой методологии положены следующие основные принципы:

1) следует определить, какие именно объекты, экологические и гигиенические факторы и показатели (здоровье человека, животных, жизнеспособность растений, биоразнообразие, плодородие почвы, в дальнейшем - защищаемые объекты) могут быть подвергнуты вредному воздействию того или иного ГММ;

2) следует определить конкретный характер каждого из возможных опасных воздействий ГММ на каждый защищаемый объект природы;

3) составить сценарий возникновения и распространения каждой опасности - проследить последовательность этапов реализации опасности;

4) следует определить, к какому именно из четырех согласованных уровней риска относится данный ГММ по отношению к каждому из всех защищаемых объектов природной среды.


4. Уровни риска интродукции ГММ.

Риск первого уровня. На этом уровне риска вредных последствий от интродукции ГММ не наблюдается. Микроорганизмы, соответствующие этому уровню риска, считаются экологически безопасными.

Риск второго уровня. На этом уровне возможны вредные воздействия, но очень маловероятно, что они представят серьезную опасность в отношении объектов окружающей среды. Возможны локальные негативные последствия, иногда исчезающие спонтанно, но их можно предотвратить и благодаря саморегуляции компонентов окружающей среды или с помощью специальной обработки. Распространение вредных последствий за пределами места интродукции маловероятно.

Риск третьего уровня. На этом уровне вероятны локальные серьезные вредные воздействия на защищаемые объекты. Вероятность распространения опасности за пределами места интродукции ГММ мала. С помощью специальной обработки появления вредного воздействия можно избежать.

Риск четвертого уровня. Ожидаются серьезные вредные воздействия на защищаемые объекты природы, могущие происходить как в месте интродукции, так и за его пределами. Мероприятия по предотвращению вредных воздействий ГММ или по их удалению невозможны.

Принято условие, что если защищаемых объектов несколько, то наиболыпий уровень риска, приходящийся на какой-либо один объект, будет определять общий уровень риска при данном примере интродукции ГММ.

Следует оценивать не только опасность, возникающую при реализации конкретных целей интродукции, но и опасность возможных побочных эффектов, возникновение которых не планировалось. Например, для уничтожения кукурузного стебелькового мотылька, проволочника и других фитофагов на кукурузные поля интродуцируют бактерии ВТ-ГММ (Bacillus thringiensis). Однако при этом ВТ-ГММ может поражать полезных насекомых-опылителей и других насекомых, а это может привести к вредному эффекту для всего сообщества. Поэтому оценка возможного влияния интродукции ГММ на такие организмы должна быть включена в полную оценку риска.

При этом характеристиками каждого негативного сценария являются тяжесть отрицательного эффекта и вероятность его возникновения.


5. Оценка риска вредных воздействий на плодородие почвы.

Как с экологической, так и с сельскохозяйственной точки зрения плодородие почвы зависит от присутствия микроорганизмов, влияющих на ее физико-химические свойства: рН, деструкцию и трансформацию остатков биоты. Однако не исключено, что интродуцированные ГММ могут делать почву непригодной для сельского хозяйства. Когда почва является защищаемым природным объектом, оценка риска интродукции ГММ должна зависеть от возможности спонтанного возвращения почвы в исходное состояние либо от возможности уменьшить или ограничить отрицательное воздействие ГММ на почву.


6. Оценка риска вредных воздействий ГММ на биоразнообразие в экосистемах.

Актуальность этой оценки вызвана не столько необходимостью сохранения каких-либо конкретных биологических видов, сколько необходимостью сохранения всего генофонда как источника генетической изменчивости. В этом случае для оценки риска, т.е. вероятностной оценки тяжести сложившейся ситуации от интродукции ГММ в открытую экосистему предлагается также исходить из четырех градаций:

1) вредные последствия не обнаруживаются или крайне маловероятны;

2) временное и локальное вытеснение аборигенных видов, самоограничивающееся распространение ГММ;

3) массовое распространение интродуцированных ГММ, значительное вытеснение аборигенных видов, восстановление их численности возможно лишь за счет специальных мероприятий, и такие средства для ограничения и контроля такого распространения имеются;

4) нежелательное стойкое и необратимое вытеснение аборигенных и резидентных видов, массовое распространение интродуцированных ГММ. Отсутствует возможность его ограничения или контроля.

Один из современных методов оценки риска интродукции ГММ в окружающую природную среду:

оценка риска в модельных экспериментах должна проводиться сначала в экспериментальных условиях; затем, если в экспериментах не обнаружено опасных последствий культивирования ГММ для других микроорганизмов, дальнейшие исследования целесообразны в мелкомасштабном полевом опыте. Риск должен тогда оцениваться на основе следующих измеряемых параметров:

• способности интродуцированных ГММ конкурировать с аборигенными микробными популяциями;

• способности к горизонтальной передаче трансгенов;

• возможности реализации экологического мониторинга ГММ;

• управления результатами интродукции.

При оценке риска следует рассмотреть соотношение «целесообразность интродукции - уровень ее риска». При такой оценке рассматриваются следующие варианты.

1. Если по отношению хотя бы к одному защищаемому объекту ГММ относится ко второму уровню риска, то необходим специальный анализ в рамках оценки соотношения «риск-польза», который должен оправдать целесообразность самого процесса интродукции ГММ.

2. Если возможные отрицательные последствия будут относиться к такому защищаемому объекту, как здоровье человека, то даже при втором уровне риска оправдать целесообразность такой интродукции затруднительно независимо от степени ее потенциальной полезности.

3. Если ГММ соответствует третьему уровню риска по отношению хотя бы к одному защищаемому объекту, такой трансгенный организм не может являться перспективным кандидатом для интродукции в ту или иную среду.

4. Если ГММ попадает в четвертый уровень риска, он не должен интродуцироваться ни при каких обстоятельствах.

Наряду с интродукцией ГММ возникла проблема оценкй риска для человека и экосистем трансгенных растений.


7. Риск интродукции генетически модифицированных растений в окружаюшую среду

История исследований по созданию растений с полезными свойствами насчитывает всего два десятка лет. В 1983 г были опубликованы первые работы по получению трансгенных растений (ТР) табака, в которые методами генной инженерии введены чужеродные селективные маркеры устойчивости к неблагоприятным факторам среды. Первые полевые испытания генетически модифицированных растений проведены в 1986 г., а в 1999 г. в США уже даны первые разрешения на коммерциализацию трансгенных сортов растений и продуктов их урожая. В 2000 г. во всем мире под трансгенные сельхозкультуры отведено 44,2 млн га посевных площадей.

Однако наряду с большими надеждами на несомненную выгоду для человечества от применения технологий трансгенеза растений появились уже тогда и существуют сейчас некоторые опасения. В обществе полагают, что такие растения потенциально могут оказаться опасными как для человека, так и окружающей его природной среды. В настоящее время эти опасения основаны на теоретических предпосылках и результатах экспериментальных исследований.

Прежде чем специально оценивать потенциальных риск интродукции трансгенных растений, рассмотрим проблему генетической инженерии и генетической селекции растений.


8. Генетическая инженерия и генетическая селекция растений.

Методология классической селекции растений предполагает возможность переноса полезных или нужных генов только между организмами сходных биологических видов или родов. Селекция растений основана на поиске случайных благоприятных мутаций исходного генома и на последующем насыщении полезным мутантным геном той или иной популяции растений путем многочисленных скрещиваний и многостадийного отбора потомства. При переносе генов половым путем обычно происходит замещение целых блоков сцепленных генов, главным образом между гомологичными хромосомами. Эти хромосомы в полном наборе включают в себя весь регуляторный аппарат генов: соответствующие промоторы, регуляторные области и другие участки ДНК, необходимые для координированной экспрессии целевых генов.

Генно-инженерные методы позволяют целенаправленно переносить только отдельные «нужные» гены. При этом с большой долей вероятности исключается перенесение «балластных» генов и соответствующих им признаков. Технология генной инженерии предполагает перенесение в геном растения помимо «целевого» гена чужеродных регуляторных генетических элементов, прежде всего промоторных участков гена. Другая важная особенность генной инженерии - ее методы не только позволяют переносить в растения определенные гены, но и заставляют их активно и эффективно экспрессироваться. Однако в результате такого эффективного переноса чужеродного гена и его активной экспрессии может образовываться белковый продукт, влияние и нежелательное поведение которого в чужеродном клеточном окружении трудно предсказать. Кратко перечислим возможные нежелательные последствия, наличие которых известно уже сейчас.

Встраивание трансгена в геном растений может приводить к нежелательному действию на этот геном. Действительно, в процессе изучения ТР открыто много неожиданных эффектов. Например, трансформированные одной и той же ДНК трансгенные клоны даже в параллельном эксперименте приводят к разной экспрессии одного и того же гена.

Считается общепринятым, что для стабильной и эффективной экспрессии трансгена в растительной клетке необходимо соблюдение следующих условий:

• трансгенные культуры должны содержать не более одной копии встроенного гена на гаплоидный набор;

• сигнальные элементы переносимой «генной кассеты»: промоторы, терминаторы, энхансеры - не должны иметь длинных гомологий с хозяйским геномом;

• фрагменты векторной ДНК, используемой для перенесения в растение «нужного» гена, должны быть по возможности удалены из окончательной конструкции.

Пока неизвестны механизмы нарушения стабильной экспрессии трансгена, а это может стать причиной появления непредсказуемых последствий введения трансгена в растения. В целом можно сказать: интеграция чужеродного генетического материала в растительный геном в настоящее время не может рассматриваться как прогнозируемый процесс. Одним из побочных эффектов встраивания может быть появление «инсерционного» механизма, так как встраивание трансгена может нарушить первичную структуру ДНК в геноме растения (Инсерция - тип хромосомной перестройки, заключающийся в появлении вставки в каком-либо участке нуклеотидной последовательности).

Кроме того, трансген может приводить к незапланированным изменениям метаболизма растительной клетки. Введение в растения трансгенов может привести к появлению в клетках новых веществ, иногда с непредсказуемыми как для растений, так и для их потребителей свойствами. Тревога объясняется недостаточностью информации о механизмах регуляции активности ферментных систем как в процессе развития растения, так и под воздействием эдафических факторов (эдафические факторы среды - воздействующие на живые организмы факторы среды, связанные с местными особенностями почвы).

Например, в полевых условиях устойчивая к пестициду глифосату трансгенная соя оказалась чувствительной к действию повышенной температуры из-за увеличения накопления лигнина, что привело к нарушению структуры клеточных стенок растений и к растрескиванию побегов.

К сожалению, традиционное «ориентированное на продукт» химическое и биохимическое тестирование трансгенного материала ограничивается только анализом основных групп питательных веществ - белков, жиров и углеводов - и только небольшого числа вторичных метаболитов. Этому сопутствует также использование принципов, разработанных для оценки безопасности химических веществ и фармпрепаратов, что недостаточно для определения длительного воздействия на здоровье человека генетически модифицированных продуктов. Например, предполагается, что постоянное присутствие в пище высоких концентраций белков защитного ответа (лектинов, пектинов, ингибиторов протеаз), продуцируемых устойчивыми трансгенными растениями, может представлять определенный риск для потребителей. Это может быть связано с высокой токсичностью этих белков, поскольку их содержание в клетках обычных растений, как правило, низкое.

Следовательно, из-за наличия подобного риска проверка безопасности пищи, приготовленной из генетически модифицированных растений, должна быть многостадийной и постоянной. Такую проверку можно осуществлять:

• физико-химическими методами - исследовать спектр вторичных метаболитов трансгенного растения;

• определением токсичности пищевых продукгов в экспериментах на лабораторных животных.

Проблема несколько усложняется тем, что исследование отдаленных мутагенных и канцерогенных последствий употребления в пищу трансгенных растений или продуктов из них потребует многолетних наблюдений как в опытах на животных, так и в эпидемиологических исследованиях.

Проблема использования человеком трансгенных растений не только сложная, но и многогранная. Возникает вопрос: могут ли быть трансгенные растения аллергенами для человека и животных?

Когда при получении трансгенных растений используют гены, выделенные из генома растений, животных или микроорганизмов, в растительных клетках могут появиться новые белки с аллергенными свойствами.

Потенциальная аллергенность трансгенных растений проверена специалистами FDА - правительственной организацией США, контролирующей на государственном уровне фармацевтичсские препараты и пищевые продукты в этой стране. Документы этой организации определяют порядок тестирования трансгенных продуктов и предусматривают специальную маркировку, предупреждающую о возможной опасности. По мнению этой организации, потенциальную тревогу и риск могут вызывать только пищевые (или любые другие) продукты, содержащие гены, выделенные из 8-10 организмов, хорошо известных своими аллергенными свойствами.

Современная процедура тестирования аллергенности белков из трансгенных растений не дает стопроцентную гарантию выявления всех аллергенов. Наряду с этим существует также риск появления селективных и маркерных генов. Эти гены - своего рода свидетели полноценности переноса нужного гена в клетки испытуемого растения, молекулярный инструмент для отбора клеток, содержащих целевой трансген, и для анализа его экспрессии в трансгенных растениях.


9. Принципы и подходы для оценки возможного риска при использовании трансгенных растений.

Существуют два подхода к оценке потенциального риска использования любых трансгенных организмов.

Первый подход - ориентированный на продукт - основан на оценке опасности целевого продукта интродукции трансгена - целевого белка или целевого химического соединения. Не принимается во внимание, как создана генетическая модификация: традиционными методами генетики и селекции или генной инженерией. При этом руководствуются принципом: если продукт генетической модификации безопасен, кроме того, безопасен и реципиентный организм (организм, в который был введен чужеродный ген), то вероятность (риск), что из-за данной генетической модификации организм может стать опасным, вообще не рассматривается. Этот подход положен в основу концепции оценки риска, называемой «подобие по существу», и используется для оценки риска для людей, связанного с употреблением в пищу трансгенных растений.

Второй подход. В дополнение к первому подходу или самостоятельно используют второй подход. Он основан на всесторонней оценке всей процедуры генетической модификации и ответе на вопрос, не приобрел ли исходно безопасный реципиентный организм в процессе генетической рекомбинации каких-либо опасных свойств.

Таким образом, методология первого и второго подходов к оценке риска получения и использования как генетически модифицированных микроорганизмов, так и трансгенных растений до конца не разработана. Некоторые ученые-биологи утверждают: методы генной инженерии и традиционной генетической селекции практически идентичны. Однако выше приведенные данные о механизмах трансгенных переносов свидетельствуют, что растения, полученные с помощью двух разных технологий, аналогичными быть не могут. Отсюда следует: более «рискованными» для людей, по крайней мере на данный исторический период, являются трансгенные растения, полученные методом генной инженерии.