ORGANIZMY TRANSGENICZNE BEZPIECZEŃSTWO DLA CZŁOWIEKA I ŚRODOWISKA Anna Werner Efekt końcowy Po zakończeniu seminarium powinieneś umieć: zdefiniować pojęcie organizmu transgenicznego, omówić korzyści płynące z zastosowania GMO w rolnictwie i medycynie, omówić zagrożenia związane ze stosowaniem organizmów transgenicznych. Biotechnologia, a szczególnie inżynieria genetyczna, to najszybciej rozwijające się działy nauki. Inżynierowie genetyczni zajmują się uzyskaniem wybranych cech w organizmach zmienionych za pomocą technik biologii molekularnej, a więc organizm genetycznie zmodyfikowany (GMO) lub organizm transgeniczny - to organizm, w którym materiał genetyczny został zmieniony w sposób niezachodzący w warunkach naturalnych wskutek krzyżowania lub naturalnej rekombinacji (Dz.U. nr 76, poz. 811, 22.06.2001). Geny przenoszone za pomocą technik inżynierii genetycznej do innego organizmu nazywamy transgenami. Warto nadmienić, że człowiek już od tysiącleci zmieniał organizmy będące źródłem jego pożywienia, służące do produkcji tkanin lub rośliny ozdobne. Z dzikich przodków roślin uprawnych uzyskiwano bardzo niskie plony. W związku z tym, już od dawna krzyżowano ze sobą rośliny o wybranych cechach (np. odporne na niską temperaturę, suszę lub choroby). W pokoleniach potomnych następowało wzmocnienie pożądanej cechy. Procesy te trwały zawsze bardzo długo i wiązały się z wykonywaniem dużej liczby krzyżówek, z których niestety większość była nieudana. W taki sposób otrzymano dzisiejsze odmiany warzyw, owoców i kwiatów, a także różne rasy zwierząt hodowlanych i domowych. Hodowcom udało się także stworzyć krzyżówki międzygatunkowe, np. muły, żubronie, pszenżyto, nektarynki. Natomiast nowoczesne metody biotechnologiczne umożliwiają znacznie szybsze tworzenie organizmów posiadających pożądane cechy. Związane jest to głównie z tym, iż obecnie można powiązać daną cechę z konkretnym genem. Istnieje kilka typów modyfikacji genetycznych polegających na: - usunięciu genów, - zmianie aktywności genów, - wprowadzeniu dodatkowej kopii genu do organizmu, - wprowadzeniu obcego genu do organizmu. Metody otrzymywania organizmów transgenicznych można podzielić na dwie grupy. Do pierwszej grupy należą techniki, w których materiał genetyczny jest przekazywany do organizmu za pomocą wektorów. Natomiast druga grupa uzyskiwania organizmów transgenicznych obejmuje techniki bez wykorzystania wektorów; np. elektroporacja, mikrowstrzeliwanie, użycie glikolu polietylowego (PEG), fuzja liposomów lub mikroiniekcja (patrz seminarium Podstawy biotechnologii). Postęp, jaki dokonał się w biotechnologii i coraz częstsze wykorzystywanie nowoczesnych technik biologii molekularnej, stworzył nowe możliwości rozwoju rolnictwa, ochrony środowiska, a także medycyny. Organizmy transgeniczne wykorzystywane w rolnictwie Głównym celem współczesnej biotechnologii żywności jest zwiększenie wydajności produkcji oraz polepszenie wartości żywieniowych i technologicznych surowców. Genetycznej modyfikacji poddawane są rośliny o dużym znaczeniu gospodarczym (np. soja, kukurydza, ryż, bawełna i rzepak). Również producenci roślin ozdobnych coraz częściej sięgają po nowo- 1
czesne metody biotechnologiczne, aby uzyskać rośliny o bardziej intensywnym kolorze, zapachu czy trwałości. Tabela. Przykłady modyfikacji organizmów transgenicznych. Gatunek Modyfikacja Odporność na zakażenie wirusami X i Y Morele i śliwy Odporność na zakażenie wirusem szarki Kalafior Odporność na zakażenie wirusem mozaiki kalafiora Tytoń, soja, rzepak, kukurydza, pomidory, Oporność na herbicydy (Glifosfat) Bt Odporność na stonkę Odporność na szkodniki (lektyna) Odporność na mróz (gen flądry arktycznej) Pomidor Flavr-Savr. Zwiększenie trwałości owoców (poligalakturynazę) Złoty ryż Ulepszone cechy odżywczych (β-karoten) Soja Ulepszone cechy odżywczych (metionina) Pomidory, ogórki Ulepszenie smaku (taumaryna) i Zwiększenie trwałości (oksydaza polifenolowa) Rośliny uprawne modyfikuje się najczęściej w celu uzyskania: - odporności na choroby wirusowe, bakteryjne i grzybicze, - oporności na herbicydy - odporności na szkodniki - lepszej adaptacji do niekorzystnych warunków środowiska (susza, mróz, zasolenie gleby) - lepszych cech jakościowych i odżywczych. Uodpornienie roślin na choroby wywołane przez bakterie i grzyby uzyskuje się przez wprowadzenie fragmentu DNA kodującego chitynazę lub glukanazę. Są to enzymy, które niszczą ścianę komórkową w.w. patogenów. Inną metodą stosowaną w celu uodpornienia roślin jest włączenie transgenu kodującego osmotynę - toksynę powodującą uszkodzenie błony komórkowej patogenu. W celu uodpornienia roślin na choroby wirusowe najczęściej stosuje się wprowadzenie do genomu rośliny białek osłonki wirusa (kapsydu) lub jego enzymów (replikazy lub proteazy). Także wprowadzenie genu łagodnego wirusa powoduje uodpornienie rośliny na zakażenie wirulentną odmianą. Jedną z najpowszechniej wykorzystywanych modyfikacji genetycznych jest uzyskanie roślin opornych na działanie środków chwastobójczych (herbicydów). Najczęściej modyfikacja ta związana jest z opornością na herbicyd, którego substancją czynną jest glifosfat. Działanie tego herbicydu polega na blokowaniu aktywności enzymu EPSPS (syntazy 3-enolopirogroniano-5-fosfoszikimianowej), który bierze udział w produkcji związków aromatycznych na drodze tzw. szlaku szikimowego. Ten szlak metaboliczny występuje tylko u roślin, a produktami jego przemiany są takie aminokwasy aromatyczne (tryptofan, fenyloalanina i tyrozyna). Oporność roślin na glifosfat uzyskano poprzez: zwielokrotnienie genu kodującego enzym EPSPS, wprowadzenie genu kodującego enzym niewrażliwy na działanie herbicydu lub wprowadzenie genu, którego produkt rozkłada herbicyd. Uprawa roślin opornych na glifosfat nie wymaga stosowania wielu herbicydów o wąskim zakresie działania, ponieważ glifosfat jest środkiem chwastobójczym o szerokim spektrum działania. Innymi zaletami glifosfatu jest jego mniejsza toksyczność i szybszy rozkład tego związku w glebie. Uzyskanie roślin odpornych na szkodniki związane jest z wprowadzeniem do genomu roślin genu bakterii glebowych (Bacillus thuringiensis), który koduje toksyczne białko. Rośliny transgeniczne, które zawierają gen kodujący tę toksynę nazwano roślinami Bt lub odmianami Bt. Dotychczas odkryto kilkaset genów kodujących różne odmiany tych silnych toksyn. 2
Geny pochodzące z różnych szczepów B. thuringiensis działają na różne grupy owadów, co pozwala producentom dobrać odpowiedni rodzaj toksyny do szkodnika zagrażającego danej uprawie. Istotną zaletą wykorzystania roślin Bt jest fakt, że białka te są toksyczne tylko dla określonych szkodników: chrząszczy (Coleoptera), meszek (Diptera), ciem i motyli (Lepidoptera); natomiast nie są szkodliwe dla innych organizmów, w tym dla człowieka. Wybiórcza toksyczność jest związana z faktem, iż uaktywnienie tej toksyny zachodzi tylko w silnie zasadowym środowisku, a właśnie takie ph jest w jelicie wrażliwych owadów. Rośliny zmodyfikowane w taki sposób, aby dobrze znosiły złe warunki środowiska (suszę, mróz lub zasolenie gleby), umożliwiają ich uprawę na terenach dotąd dla nich niekorzystnych lub też, na wcześniejsze rozpoczęcie ich uprawy. i odporne na niską temperaturę uzyskano przez wprowadzenie do ich genomu genu fladry arktycznej; wskutek tej modyfikacji genetycznej znacznie wydłużono okres uprawy tego warzywa. Zupełnie inne podejście do zwiększenia odporności na niskie temperatury zastosowano w przypadku bakterii z rodzaju Ervinia. Są to bakterie glebowe, które mogą rozwijać się na sadzonkach roślin. Wiosną wokół kolonii bakterii gromadzi się woda, która podczas przymrozków zamarza powodując uszkodzenia rośliny. Usunięcie genu odpowiedzialnego za syntezą białka wchodzącego w skład otaczającej bakterie błony sprawia, że kryształki lodu powstają w temperaturze niższej o 6 C. Ta modyfikacja genetyczna pozwala na szybsze uzyskanie plonów. Biotechnologia może także przyczynić się do wprowadzenia na rynek produktów o ulepszonych cechach jakościowych i odżywczych. Pierwszym takim produktem (1994) był pomidor o nazwie Flavr-Savr, który zachowuje dłużej jędrność, lepiej znosi warunki transportu i przechowywania. Uzyskanie pomidora Flavr-Savr polegało na wyłączeniu genu kodującego poligalakturynazę (PG). Jest to enzym odpowiedzialny za rozpad ścian komórkowych, a tym samym za mięknięcie owocu. Innym przykładem rośliny o poprawionych cechach jakościowych są ziemniaki z obniżoną aktywnością enzymu - oksydazy polifenolowej. Enzym ten powoduje ciemnienie miąższu, a więc prowadzi do znacznych ubytków podczas obierania ziemniaków i zwiększa straty podczas ich przechowywania. Przykładem żywności o ulepszonych cechach odżywczych jest złoty ryż. Roślina ta została tak zmodyfikowana, aby produkować β-karoten, który jest prekursorem witaminy A. Naturalne odmiany ryżu nie wytwarzają β-karotenu. Wydaje się, iż masowa uprawa złotego ryżu pozwoli zlikwidować problem niedoboru witaminy A w wielu rejonach Azji, Afryki i Ameryki Łacińskiej, gdzie ryż stanowi podstawę pożywienia. Prowadzone są także prace nad wzbogaceniem w witaminy i składniki mineralne także innych roślin uprawnych (pszenicy, kukurydzy, fasoli i sorgo). Organizmy transgeniczne wykorzystywane w medycynie Początki biotechnologii leków sięgają czasów II Wojny Światowej, kiedy to opracowano proces wielkoprzemysłowej produkcji penicyliny. Wdrożenie nowych technologii utorowało drogę dla rozwoju przemysłu farmaceutycznego i pozwoliło na wprowadzenie do leczenia między innymi takich produktów jak: aminokwasy, kwasy organiczne, enzymy, inhibitory enzymów, witaminy, alkaloidy, dekstran i leki steroidowe. Już w latach 80-tych ubiegłego wieku możliwa stała się produkcja na skalę przemysłową: - hormonów (insuliny, hormonu wzrostu AGH, gonadotropiny), - cytokin (interferony α, β, γ) i interleukin (IL-2, TNF-α), - czynników wzrostu (insulinopodobnego czynnika wzrostu, czynnika wzrostu skóry, erytropoetyny - EPO), - białek hemostazy (czynników krzepnięcia VIII, IX, XII i XIII), - czynników trombolitycznych (tkankowego aktywatora plazminogenu - t-pa, streptokinazy, stafylokinazy, α-1 antytrypsyna), - antygenów patogenów, - swoistych przeciwciał. 3
Leki, antygeny i przeciwciała uzyskane przy pomocy technik inżynierii genetycznej są wytwarzane w swoistych bioreaktorach. Takimi bioreaktorami mogą być hodowle zmodyfikowanych genetycznie komórek lub transgeniczne rośliny i zwierzęta. Prowadzone są także badania nad szczepionkami genetycznymi i jadalnymi oraz uzyskaniem transgenicznych zwierząt, których organy mogą być wykorzystane do transplantacji. Szczepionki Szczepionki są używane od dawna w walce z chorobami zakaźnymi. Tradycyjne metody produkcji szczepionek polegają na namnażaniu patogenów (zabitych lub atenuowanych 1 ) w hodowlach komórkowych (zwierzęcych lub bakteryjnych) lub w zwierzętach. Stosowanie szczepionek z żywych atenuowanych organizmów nie zawsze jest bezpieczne, ponieważ może dojść do powrotu organizmu do wirulentnej postaci i zakażenia osoby uodparnianej zjadliwą formą patogenu. Produkcja nowych generacji szczepionek oparta jest na wykorzystaniu oczyszczonych antygenów lub kombinacji różnych epitopów w hodowlach komórkowych zmodyfikowanych wirusów, bakterii lub drożdży. Prowadzone są też prace nad wykorzystaniem w tym celu roślin. Przykładem szczepionki otrzymanej tą metodą jest szczepionka przeciwko wirusowemu zapaleniu wątroby typu B (WZW typu B) wyprodukowana przy użyciu drożdży (Saccharomyces cerevisiae). Trwają też badania nad produkcją szczepionek genetycznych. Zasada ich działania polega na wywołaniu odpowiedzi immunologicznej, poprzez wprowadzenie fragmentu DNA patogenu kodującego antygen, bezpośrednio do komórek uodpornianego organizmu. Zaletą szczepionek genetycznych jest ich duża stabilność, niski koszt produkcji oraz możliwość podawania w jednej szczepionce kilku genów kodujących różne antygeny. Mechanizm działania szczepionki DNA przypomina zakażenie wirusem. Wiele zespołów badawczych pracuje nad stworzeniem szczepionek genetycznych przeciwko WZW typu B i C, grypie, wściekliźnie, AIDS oraz przeciw gruźlicy. Prowadzone są także badania nad szczepionkami jadalnymi. Ich produkcja polega na wprowadzeniu do genomu rośliny jadalnej genu kodującego antygen lub antygeny patogenu. Zasada ich działania opiera się na wzbudzeniu odporności śluzówkowej oraz ogólnoustrojowej. Antygeny patogenu znajdujące się w jadalnej szczepionce są wychwytywane przez komórki M znajdujące się w śluzówce jelita. Komórki te przekazują pobrane antygeny makrofagom i limfocytom B, które zapoczątkowują reakcję odpowiedzi immunologicznej. Po prezentacji antygenu przez makrofagi, pomocnicze limfocyty T pobudzają limfocyty B do produkcji przeciwciał. Aktywowane limfocyty B produkują i uwalniają przeciwciała swoiście wiążące się z antygenem patogenu. Podanie antygenu powoduje także przekształcanie się niektórych limfocytów T i B w długowieczne limfocyty pamięci, pozwalające zabezpieczać organizm przed ponownym zakażeniem. Szczepionki jadalne mają szereg zalet: - transgeniczne rośliny można hodować na miejscu przeznaczenia (eliminacja transportu), - możliwość kilkukrotnych zbiorów i mniejsze koszty produkcji, - bezbolesny i bezpieczny sposób podania szczepionki. Dotychczas udane próby wykorzystania jadalnych szczepionek w celu immunizacji zwierząt dotyczyły takich patogenów jak: wirusów Norwalk, zapalenia wątroby typu B i wścieklizny oraz enteropatogennych pałeczek okrężnicy, przecinkowca cholery i pałeczek Helicobacter pylori. Wyniki wstępnych badań przeprowadzonych na ludziach są obiecujące. U osób, które spożyły ziemniaki zawierające fragment toksyny produkowanej przez pałeczki okrężnicy lub antygen wirusa Norwalk doszło do wzbudzenia odporności immunologicznej. Podobne wyniki uzyskano we wstępnych badaniach dotyczących wzbudzenia odporności u ludzi po spożyciu transgenicznej sałaty zawierającej gen kodujący antygeny wirusa zapalenia wątroby 1 Atenuacja - sztuczne otrzymywanie niezjadliwych, niechorobotwórczych szczepów wirusów lub bakterii. 4
typu B. Wydaje się, że jadalne szczepionki mogą stanowić w niedalekiej przyszłości bardzo ważną role w zapobieganiu zakażeniom, szczególnie w krajach rozwijających się, w których dostęp do opieki medycznej jest niewystarczający. Organizmy transgeniczne - kontrowersje Organizmy zmienione genetycznie mają niewątpliwie wiele zalet. Nie wszystkich jednak zachwycają biotechnologiczne nowinki. Organizmy transgeniczne, a szczególnie żywność zmodyfikowana genetycznie, wywołują wiele kontrowersji. Dotyczą one: - możliwości przekazania oporności na antybiotyki organizmom żyjącym w przewodzie pokarmowym osób spożywających GMO, - zagrożenia dla bioróżnorodności, - działania alergizującego (np. białko Cry9c kukurydza StarLink, białko 2S soja), - możliwości powstania superchwastów, - zagrożenia dla nieszkodliwych i pożytecznych zwierząt związane z roślinami Bt (gąsienice monarcha), - możliwości uzyskania przez owady oporności na toksynę produkowaną przez rośliny Bt, - utraty kontroli nad zachowaniem czystości upraw, - względów ekonomicznych (potrzeba corocznego zakupu ziarna do siewu). Organizmy zmienione genetycznie, a szczególnie produkty spożywcze, mają licznych przeciwników. Wiele osób w różnych krajach protestuje przeciwko uprawie oraz importowi GMO. Należy jednak podkreślić, że organizmy transgeniczne mają wiele zalet i mogą być użyteczne dla człowieka i środowiska. Jednak wiedza o skutkach długotrwałej konsumpcji zmodyfikowanej żywności jest nadal niewystarczająca. Zatem bardzo ważnym problemem jest właściwe oznakowanie produktów spożywczych, ponieważ każdy konsument powinien mieć prawo wyboru żywności. Innym ważnym problemem jest możliwość wykorzystania technik inżynierii genetycznej do konstruowania broni biologicznej. Zatem wprowadzanie w życie tej technologii musi się wiązać z koniecznością zachowania ostrożności, a także opracowania odpowiednich ustaw prawnych regulujących oraz zabezpieczających ludzi i środowisko przed wprowadzeniem niedostatecznie zbadanych organizmów transgenicznych. Zalecane strony internetowe: http://www.biotechnolog. pl http://www.pfb.p.lodz.pl http://www.mos.gov.pl http://www.oecd.org http://www.isaa.org 5