Глава 7 методология оценки риска при интродукции генетически модифицированных микроорганизмов и трансгенных растений в окружающую среду

В последнее десятилетие XX 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 подавление 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 в природных экосистемах, смогут бесконтрольно и неограниченно размножаться в окружающей среде. Эта интродукция может привести к:

* вытеснению аборигенных природных организмов из их экологических ниш и к последующей цепной реакции нарушения экологического равновесия;

* уменьшению биоразнообразия;

* 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.

Последнее обстоятельство 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 иди невозможности создания и интродукции того или иного ГММ в конкретную экосистему или вообще в окружающую среду.

7.1. Экологический риск, связанный с интродукцией генетически модифицированных микроорганизмов в окружающую среду

Одно из перспективных направлений биотехнологии и генной инженерии - создание ГММ, полезный эффект от которых должен реализоваться после их интродукции в окружающую среду. К настоящему времени все еще стоит вопрос; можно ли обоснованно оценивать последствия интродукции ГММ в объекты окружающей среды?

Попытаемся кратко охарактеризовать как ожидаемую пользу от интродукции ГММ, так и возможные не гати иные последствия такой интродукции.

Возможная польза от интродукции ГММ. В сельском хозяйстве интродукция 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 для усиления азотного питания растений. Такие штаммы уже сконструированы, и некоторые из них запатентованы [26]. В качестве эффективной формы подобной интродукции могут быть названы биопестициды генетически модифицированных энтомопатогенных штаммов Bacillus Thuringiensis, а также трансформированных штаммов Pseudomonas fluorescens для колонизации корневой системы или Clavibacter xuli - для роста в тканевых сосудах зерна. Эти виды бактерий способны включать в свой геном ген токсина из B. Thuringiensis и, следовательно, способны синтезировать данный токсин, соответственно, в новых экологических нишах.

Эффективно применяются в качестве биопестицидов генетически модифицированные бакуловирусы, губительные для некоторых вредителей сельского хозяйства. Например, в геном вируса ядерного полиэдроза Futographia californica 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.

Эффективными для конкретных целей могут быть интродуцированные штаммы Pseudomonas suryngae ice^-, которые из-за мутации в гене ice не способны инициировать формирование кристалликов льда. На практике при интродукции в растение больших количеств таких клеток они вытесняют дикий ice+-штамм. В результате при относительно небольших заморозках кристаллики льда в растениях не образуются, следовательно, не разрушаются их ткани.

Наконец, 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. Для этой цели используются рекомбинантные штаммы Saccaromyces cerevisiae, Kluyveromyces lactis, Aspergillus niger, в которые введен ген химозина теленка, с помощью которого и синтезируется этот фермент, Выделены различные генетически модифицированные штаммы Saccaromyces cerevisiae для интенсификации процессов брожения. Эти штаммы дрожжей способны:

• сбраживать мальтозу в присутствии глюкозы и маннозы;

• использовать крахмал в качестве субстрата;

• синтезировать и секретировать b-1,2-1,4-глюконазу ячменя и таким образом замедлять старение пива;

• синтезировать липокалгеназу из Pisum sativum и с ее помощью улучшать пекарские свойства муки.

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

Многообещающие перспективы вырисовываются при использовании ГММ-технологий в здравоохранении. Это создание живых аттенуированных пероральных вакцин на основе бактерий Salmonellae. Данные вакцины предназначены для борьбы против инвазивных сальмонеллезных инфекций у человека и животных. Они способны нести клонированные гетерологичные антигены - эпитопы вирусных, бактериальных и эукариотических паразитов, следовательно, выполнять роль поливалентных вакцин.

Известно, что живые вакцины эффективнее убитых. Живые вакцины могут вызывать сразу гуморальный, клеточный и секреторный иммунные ответы. Проблемы обеспечения безопасности живых вакцин, полученных рекомбинантными технологиями и предназначенных для введения в организм человека и животных, могут быть разрешены ослаблением жизнеспособности вакцинного штамма бактерий. Подобная аттенуированность достигается за счет введения множественных мутаций, приводящих к появлению ауксотрофности по различным факторам роста, которые не синтезируются в животных клетках. В результате аттенуированные штаммы могут размножаться только на специальных средах, содержащих соединения, не встречающиеся в природе.

Клонирование и экспрессия в таких штаммах специфических генов поверхностных белков ВИЧ-1, вируса гепатита человека, вируса герпеса указывают на перспективность этого подхода для создания живых рекомбинантных аттенуированных мультивалентных вакцин против инфекционных болезней человека и животных.

Одна из самых перспективных областей применения ГММ - охрана окружающей среды. Для примера приведем данные опыта по внесению в загрязненную почву на площади 10 га трех различных ГМ-штаммов Pseudomonas putida. 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 поллютанта. Однако существуют и негативные последствия 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.

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 последствия. Возможные отрицательные последствия представлены в таблице ниже [26].

Таблица