Природознавство. 11 клас. Ільченко

§ 12. Химерні та трансгенні організми

Химерні організми, або химери — це організми або їх частини, що складаються з генетично різнорідних ділянок тканин або клітин. Якщо їх отримують шляхом щеплення або тканинної трансплантації, то називають штучними. Химерні організми можуть виникати внаслідок мутацій, порушення процесу мітозу, розщеплення пластид тощо. Тоді химери мають природне походження.

У 1981 р. Τ. Ф. Стевард і Б. Мінтс отримали мишу з клітин, частина яких походила із стовбурових клітин. Ізольовані стовбурові клітини ін’єкували в бластоцисти білих мишей, а потім переносили в матку іншої миші, яка народила живих мишенят-химер.

Серед рослин-химерів більшість отримані методом щеплення (мал. 4.32).

Мал. 4.32. Щеплення рослин

Це дозволяє вивчати взаємодію геномів різних біологічних видів на цілісних організмах. У химерних рослин клітини і тканини підщепи та прищепи можуть чергуватися або змішуватися, але вони не зливаються, зберігаючи відносну автономність і чіткі морфологічні відмінності. Таким чином можуть виникати нові форми рослин, схожі на дійсні гібриди, оскільки їх ознаки бувають проміжними в порівнянні з ознаками прищепленого. Якщо б це були справжні гібриди, то проміжний характер ознак зберігся б у потомстві, отриманому з насіння. Цього не відбувається, тому що генеративні органи зазвичай утворюються за рахунок тканин одного з компонентів щеплення. Насіннєве потомство буде відповідати тій рослині, з тканини якого розвинулися статеві клітини. Прищепні гібриди можна розмножувати лише вегетативним шляхом. При щепленнях, коли різні соматичні тканини перебувають у тісному контакті, можливі різні цитоплазматичні зміни, які можуть успадковуватися при насіннєвому розмноженні за типом тривалих модифікацій.

Методи ментора та вегетативного зближення, застосовувані І. В. Мічуріним та іншими дослідниками, дозволяють змінити ступінь вираженості ознак у прищепи, а в деяких випадках полегшити віддалену гібридизацію. При цьому мають справу з тимчасовими модифікаціями, а не з спадковими змінами.

Трансплантація тканин із метою отримання химерних тварин дозволяє вивчати генетичні закономірності сумісності тканин при пересаджуванні. На сьогодні розроблений метод отримання химерних тварин, наприклад, алофенних мишей. Суть його полягає в тому, що конструюється бластула, яка складається з генетично різних бластомерів і потім імплантується в матку гормонально підготовленої миші. Таким чином, у химерних тварин було встановлено, що гени можна умовно розділити на два типи: автономної та неавтономної дії. До перших належать такі гени, домінантні алелі яких не пригнічують прояв рецесивних алелей цього ж гена, що знаходяться в сусідніх клітинах в гомозиготному стані. З іншого боку, продукти активності домінантних генів неавтономного дії, проникаючи в сусідні клітини, визначають їх фенотип.

Навіщо ж потрібні химери? Перш за все, для точного картування генів — визначення їх положення в носіях спадкової інформації (хромосомах). Вкрай важлива така інформація для генетиків-онкологів, які вивчають причини виникнення і механізм розвитку ракових хвороб. Учених цікавить, які зміни генного набору викликають злоякісне переродження клітини, щоб знайти ліки проти цього.

Трансгенний організм — це такий організм, у якому генетичний матеріал змінений за допомогою штучних прийомів перенесення генів, які не відбуваються у природних умовах.

За допомогою методів генної інженерії в рослину вводять чужорідний ген, у результаті чого вона набуває нових властивостей. На сьогоднішній день уже більше 60 видів рослин — кукурудза, картопля, соя, помідори, пшениця, морква, баклажани, салат, горох, перець та інші — змінені в такий спосіб. Такі технології застосовуються для того, щоб підвищити врожайність культури. Організми, отримані при цьому, називають генетично модифікованими. Модифіковані овочі та фрукти стійкі до гербіцидів, комах-шкідників та хвороб.

Трансгенні організми отримують:

рекомбінантними методами, які передбачають формування нових комбінацій генетичного матеріалу шляхом внесення молекул нуклеїнової кислоти у будь-який вірус, бактеріальний плазмід або іншу векторну систему та їх включення до організму господаря, в якому вони зазвичай не зустрічаються, однак здатні на тривале розмноження;
методами, які передбачають безпосереднє введення в організм спадкового матеріалу, підготовленого ззовні організму, включаючи мікроін’єкції та мікроінкапсуляції;
злиття клітин (у тому числі злиття протоплазми) методами гібридизації, коли живі клітини з новими комбінаціями генетичного матеріалу формуються шляхом злиття двох або більше клітин у спосіб, який не реалізується за природних обставин).

Підбирається і свідомо вводиться у рослину ген із відомими властивостями. Окремий ген може сприяти збагаченню, наприклад, рису каротином, злаків і бобових — поліненасиченими жирними кислотами, картоплю — зробити стійкою до фітофтори і вірусних захворювань, колорадського жука, збагатити крохмалем; полуниця може зберігатись протягом 30 діб; крохмаль — отримати із заданими фізико-хімічними властивостями; злаки — із збалансованим спектром амінокислот та ін.

Як трансформується один ген у поліпшений сорт рослин, показано на мал. 4.33.

Мал. 4.33. Трансформація гену у рослину

Крім трансформації генів інших рослин, можуть бути гени бактерій, тварин і, навіть, людини.

Проведено також трансформації гену рослин у ген тварин, у геном лосося — ген форелі, у картоплю, томати, кукурудзу, рис, технічні культури — гени вірусів, метеликів, скорпіонів, теплокровних тварин та ін. Наприклад, у Японії у геном свині вводили ген шпинату, який сприяє утворенню ферменту, що перетворює насичені жирні кислоти у ненасичену біологічно активну лінолеву кислоту (кількість цієї кислоти збільшується на 20 %).

Із метою збільшення вмісту протеїну у сої гени бразильського горіха схрестили з генами скорпіона, щоб вона виробила імунітет проти комах-шкідників і була більшої маси. Людські гени трансплантували у м’ясо свиней. Воно стало більш щільним і набуло солодкуватого присмаку. У геном лосося увели ген росту форелі (США). Риба виросла вагою до 250 кг.

У Гавайському університеті в заморожені сперматозоїди миші трансплантували гени глибоководної медузи. Миші набули зеленкуватого окрасу і світилися під ультрафіолетовим опроміненням. Зроблено «схрещення» генів риби і помідора з метою отримання морозостійких помідорів. У Голландії виведено томати з підвищеним вмістом флавонів — речовин, які, як вважають, гальмують процес старіння організму, захищають його від інфаркту міокарда та, ймовірно, від раку. До початку XXI століття було вирощено у парниках багатьох концернів більше 500 різних сортів трансгенних рослин.

Прихильники трансгенної інженерії вважають, що сучасні її технології відкривають великі перспективи, тому що рослини стають стійкішими до захворювань, шкідників, перепадів температур, пестицидів тощо.

Визначено завдання генної інженерії рослин. Сьогодні структура промислового вирощування рослин у світі за стійкістю така: частка стійких до гербіцидів складає 74 %, до шкідників — 17 %, до вірусів, бактерій і грибів — менше 1 %.

Чисельною групою є трансгенні рослини, стійкі до комах і шкідників. На створення картоплі, стійкої до колорадського жука, було витрачено 100 млн. доларів і знадобилось 16 років.

Створення трансгенних форм, стійких до комах-шкідників, які називають Вірослинами, має, крім комерційного значення і перспектив, також екологічний ефект. Відомо, що під час обробки рослин тільки 5-10 % інсектицидів потрапляють на їх поверхню і діють ефективно, а 90-95 % — в навколишнє середовище. Вони потрапляють у воду, фунти і, насамкінець, у їстівні продукти рослинництва; крім цього, знищують корисних комах. Отже, створення рослин, стійких до комах-шкідників, призведе до значного зменшення обсягів використання інсектицидів, відновлення популяції корисних комах і позитивно позначиться на флорі, фауні і біосфері в цілому.

Найменшою є група рослин, стійких до бактеріального, вірусного і грибкового захворювань. Цим можна пояснити активну зацікавленість у створенні трансгенних рослин, стійких до вірусів, шляхом введення генів, які подібні до РНК вірусу, що блокує активний розвиток його у клітинах господаря. Наприклад, створено трансгенні форми огірків, кавунів, цукіні, картоплі, які проходять польові випробування; трансгенну картоплю, стійку до фітофторозу і фузаріозну; трансгенні томати, ріпак, морква, яблука, груші з геном дефензинів редьки. Створюються трансгенні рослини, стійкі до холоду. Отримано рослини, які витримують протягом 2-х діб мінусові температури, згубні для звичайних рослин. Виведено морозостійкі томати схрещенням звичайного томата з американською плескатою рибою.

Створюються трансгенні овочі і фрукти, які мають гени, що кодують синтез вакцин проти різних захворювань. Якщо людина буде споживати трансгенні сирі овочі і фрукти, то в її організм будуть надходити відповідні вакцини. У картоплю був трансплантований ген нетоксичної субодиниці ентеротоксина холери. У миші, яку годували такою сирою картоплею, утворювались антитіла холери. Припускають, що такі овочі і фрукти можуть стати ефективним засобом захисту людей від певних захворювань і забезпечать безпеку харчування населення.

Сьогодні трансформовано близько 140 видів різних рослин. У США проводиться більше 300 досліджень із вирощування кукурудзи, картоплі, томатів, рису та інших рослин, в які вводили людські гени, що здатні боротися з певними захворюваннями: герпесом, гепатитом, холерою, раком, СНІДом, хворобою Альцгеймера та ін.

Прибічники трансгенних рослин вважають, що їх виробництво і використання має великі переваги і перспективи. По-перше, трансгенна продукція високоврожайна, тому можуть збільшуватися ресурси продовольства для населення. По-друге, під час вирощування трансгенних культур можна значно зменшити кількість пестицидів, що зараз використовуються у сільському господарстві, і, одночасно, захистити людський організм від їх шкідливої дії і довкілля від забруднення.

До трансгенних рослин третього покоління належать такі, з яких виготовляють багато медичних препаратів. Такі рослини називають «біофабриками». До них належать, зокрема, антикоагулянти, фактори крові, фактори, що стимулюють імунну систему, еритропоетин (стимулює утворення еритроцитів), ростові фактори, гормон росту людини (для лікування карликовості), людський інсулін, інтерферон (пригнічує віруси, лікує деякі форми раку), лейксини (активують і стимулюють роботу різних типів лейкоцитів), моноклональні антитіла (для діагностики, а також для адресної доставки ліків, токсинів, ізотопів до ракових пухлин), супероксид дисмутаз (для відновлення кровопотоку під час хірургічних операцій), вакцини (проти гепатиту В).

Химерні організми, або химери — це організми або їх частини, що складаються з генетично різнорідних ділянок тканин або клітин. Серед рослин-химерів більшість отримані методом щеплення. Трансплантація тканин із метою отримання химерних тварин дозволяє вивчати генетичні закономірності сумісності тканин при пересадці. Трансгенний організм — це такий організм, у якому генетичний матеріал змінений за допомогою штучних прийомів переносу генів, які не відбуваються у природних умовах. Крім трансформації генів інших рослин, можуть бути гени бактерій, тварин і, навіть, людини.

Перевірте себе

1. Які організми називають химерними?
2. Яким чином отримують химерні організми рослин і тварин?
3. Навіщо потрібні химери?
4. Які організми називають трансгенними?
5. Яким чином отримують трансгенні організми?
6. Назвіть трансгенні рослин та продукти, виготовлені з них.

Поміркуйте

1. Чим химерні організми відрізняються від трансгенних?
2. Поясніть необхідність людства у химерних організмах.
3. Які переваги дає використання трансгенних рослин?

Подискутуйте

1. Яке значення химерних та трансгенних організмів у житті людства?

Проєкти

1. Екологічні технології вирощування сільськогосподарської продукції — альтернатива створення трансгенних культур.
2. Методи виявлення генетично модифікованих організмів та їх похідних.
3. Генетично модифіковані організми.
4. Ставлення до трансгенних харчових продуктів у світі і в Україні як потенційно небезпечних.

Зміст