Из предыдущих публикаций («Потенциал» №11 и №12) вы узнали о генетически модифицированных растениях, которые уже широко выращивают в разных странах. В текущем номере речь пойдёт о тех проектах, которые пока ещё не вышли из стен лабо-раторий. Может быть, какие-то из этих разработок пригодятся человечеству. А заглянуть в будущее всегда интересно
Изменение состава растительного белка
Заметную часть органических веществ тела человека составляют белки. Для полноценного питания мы должны употреблять ту или иную белковую пищу. Белки состоят из аминокислот, часть которых для человека незаменимы. Это метионин, лизин, триптофан, фенилаланин, лейцин, изолейцин, треонин и валин. (В детском питании также важны гистидин и аргинин.)
Белки, которые содержатся в растениях, как правило, не сбалансированы по пропорции незаменимых аминокислот. Так, в белках злаков (которые мы получаем с хлебом и макаронами) мало лизина, а в белках фасоли не хватает метионина. Поэтому в рацион включают относительно дорогие продукты животного происхождения, более сбалансированные по аминокислотному составу: мясо, рыбу, творог, молоко и др. Растительные белки дешевле, их добавка снижает стоимость продуктов. Но при этом человек недополучает некоторых незаменимых аминокислот. Их дефицит особенно остро чувствуется при однообразной диете. Поэтому возникла идея получить трансгенные растения, в которых «исправлен» баланс незаменимых аминокислот. Как подступиться к такой задаче?
Запасные белки зерновых злаков изучают очень активно. Их делят на несколько групп, из которых самые важные для питания — белки клейковины. Вы сами легко можете получить клейковину, если завяжете в марлевый мешочек пшеничную муку и прополощете в воде. Крахмальные гранулы вымоются, а клейкие белки останутся на марле. Главные белки клейковины — глютены (от лат. gluten — клей). Два основных глютена пшеницы — глиадин и глютелин. Именно от качества клейковины зависит пышность выпекаемого хлеба и характерный аромат: в глютенах много метионина и цистеина, которые при нагревании дают летучие соединения серы (рис. 1). Высокое содержание глютенов позволяет раскатать тесто в особенно тонкий пласт, что актуально при выпечке пиццы и аналогичных продуктов. Кроме того, «тягучесть» теста важна для формовки макаронных изделий. Содержание клейковины достаточно высокое в твёрдой пшенице (Triticum durum). Именно её используют для производства макаронных изделий. Твёрдая пшеница особенно хорошо растёт в Поволжье, и наша страна является важным производителем зерна для макаронной промышленности.
Рис. 1. Качество хлеба зависит от содержания белков клейковины — глютенов. Слева — хлеб с низким, в центре — с нормальным и справа — с повышенным содержанием глютенов
Меньше клейковины в мягкой пшенице (Triticum aestivum) (рис. 2). Эта пшеница более урожайна и вполне пригодна для выпечки хлеба (но не для пиццы или производства макарон). Кормовые сорта мягкой пшеницы содержат ещё меньше клейковины, а урожай дают больше, чем «хлебные» сорта. В современных технологиях этот «дефект» кормовых пшениц можно исправить, если добавить глютены и другие поверхностно-активные вещества, которые способствуют стабилизации пузырьков газа, необходимых для создания «пористой» структуры хлеба.
Рис. 2. Мягкая пшеница (Triticum aestivum)
В муке риса содержание клейковины крайне низкое. Это не позволяет выпекать из неё хлеб. Добавка глютенов из пшеницы или других злаков позволяет получить «рисовый хлеб».
Таким образом, потребности в глютенах у современной пищевой промышленности очень велики. Для увеличения «вязкости» и стабилизации пористой структуры их добавляют во многие продукты питания: мороженое, йогурты, кетчупы, шоколадную пасту, карамель и др. На сегодня уже разработана технология имитации мяса (говядины, птицы или даже рыбы) из специально спряденных подкрашенных и ароматизированных волокон глютенов. Дело совсем за немногим: изменить состав растительного белка так, чтобы увеличить в нём долю лизина. Тогда диетическая ценность глютенов приблизится к мясным продуктам. Именно это и пытаются сделать методами генной инженерии.
Но есть и оборотная сторона медали: у некоторых людей есть наследственно обусловленная непереносимость глютенов, а у других возникает аллергия на глютены. Несмотря на то, что доля этих людей невелика (0,5 — 1%), генные инженеры хотят «выключить» гены глютенов, чтобы получить диетические «безглютеновые» продукты.
Аналогичные проекты по изменению белкового состава зерновок риса ведутся сейчас в Японии. Учёные пытаются изменить состав проламина — главного запасного белка риса. Есть аналогичная идея «выключить» ген проламина риса, чтобы создать диетический продукт, пригодный для питания аллергиков.
«Золотой рис»
Один из нашумевших европейских проектов, стартовавших в 1990-х годах, был «золотой рис» с улучшенным витаминным составом. Основная идея этого проекта — решить проблему дефицита провитамина А (каротина), которая возникает у жителей Юго-Восточной Азии при однообразной диете, состоящей в основном из риса. Из нарциссов учёные выделили несколько генов, отвечающих за биосинтез каротина. Далее эти гены были встроены в геном риса, и у зерновок появился «золотистый» цвет.
Однако проекту «золотого риса» предстояло нелёгкое будущее. Дело в том, что каждое достижение (в том числе и научное изобретение) охраняется законом об авторских правах. В работе над «золотым рисом» участвовало несколько групп европейских учёных. И вот когда проект оказался близким к завершению, люди не смогли договориться между собой, какая часть прибыли кому достанется. А без этого было невозможно продвижение «золотого риса» на поля.
В конце концов, все авторские права были выкуплены у учёных благотворительными организациями, и «золотой рис» отправился в Юго-Восточную Азию, где ему предстоит акклиматизироваться, поучаствовать в скрещиваниях с традиционными сортами и дать начало сортам с зёрнами, обогащёнными каротином.
Негниющие томаты и супербаклажаны
Каждый огородник знает, что хорошо вызревшие томаты хранятся очень недолго, особенно если они хотя бы немного повреждены. Мякоть плода быстро становится мягкой, начинается брожение, а затем в ранки проникают мицелиальные грибы, и плоды безвозвратно портятся. Достаточно одного испорченного плода, как размягчение охватывает весь ящик, и его приходится выбрасывать.
Особенно трудно сдать томаты на переработку на юге, где бывают большие урожаи, и заводы по производству томатной пасты и кетчупа просто не успевают справляться. И, конечно же, такими томатами трудно торговать в супермаркетах, где к плодам прикасаются руки сотен людей, и томаты легко повреждаются.
Размягчение томатов вызывает этилен — газообразное вещество, которое вырабатывается в созревающих плодах. В ответ на этилен в тканях плода синтезируются ферменты — пектиназы, под действием которых и происходит размягчение клеточных стенок (и, соответственно, всего плода). Более того, каждый плод, на который подействовал этилен, сам становится новым источником этилена. Вот почему стоит только одному плоду испортиться, как размягчение охватывает весь ящик. Таким образом, чтобы увеличить срок хранения плодов, можно пойти двумя путями: за счёт генетической модификации либо снизить образование этилена в плодах, либо снизить образование пектиназ (рис. 3).
Рис. 3. Обычные томаты (слева) и генетически модифицированные томаты со сниженным синтезом этилена (справа)
Генетически модифицированные томаты с повышенной лёжкостью уже созданы. Есть аналогичные проекты по увеличению сроков хранения и других овощей и фруктов.
Казалось бы, увеличение сроков хранения — это хорошо. На последнем этапе созревания происходит также и усиление запаха плодов, поэтому генетически модифициро-ванные томаты оказались менее ароматными, чем обычные сорта. Теперь генные инженеры работают над усилением запаха. Наверное, со временем на прилавках появятся не просто негниющие томаты, но одновременно они будут благоухать на весь магазин.
Знания о гормонах растений помогают повысить урожай. Как вы помните (см. «Потенциал» №7 за 2011 г.), обработка ауксинами увеличивает размер плодов. Этот эффект можно получить, в частности, у баклажанов (Solanum melongena). В одном из проектов удалось получить генетически модифицированные баклажаны, у которых в развивающейся семенной кожуре образуется особенно много ауксинов. Результат превзошёл все ожидания: плоды баклажанов увеличились в 4 раза! Всё было бы хорошо, если бы не маленькая деталь: из-за дефектов в развитии семенной кожуры нормальные семена получить так и не удалось.
История о шампунях и порошках
Поверхностно-активные вещества (детергенты) широко распространены в нашей жизни. Возьмите с полки в ванной наугад флакон с шампунем, тюбик зубной пасты, какое-нибудь увлажняющее средство для кожи или для мытья посуды, стиральный порошок. Внимательно изучив их состав, вы обнаружите там производные лавровой (додекановой) кислоты, более или менее удачно переведённые на русский язык (рис. 4). Чаще всего это лаурилсульфат (додецилсульфат) натрия. Мировые потребности в этом веществе постоянно возрастают. Откуда же берут лавровую кислоту?
Рис. 4. Детергенты на основе лавровой (додекановой) кислоты входят в состав моющих и косметических средств
Как следует из названия, впервые она была выделена из лавра благородного. Жирное масло, имеющееся в семенах, содержит некоторое количество производных лавровой кислоты. Но лавр совершенно не годится как промышленный источник лавровой кислоты: семян он даёт сравнительно немного, их трудно собирать и перерабатывать.
Сегодня лавровую кислоту получают в основном из масла гвинейской масличной пальмы (Elaeis guineensis) (рис. 5). Это растение даёт рекордный урожай среди всех масличных культур — 4 — 8 тонн масла с гектара в год!
Рис. 5. Гвинейская масличная пальма (Elaeis guineensis) — промышленный источник лавровой кислоты
Но у гвинейской масличной пальмы есть и недостатки. Растёт она исключительно в тёплом влажном экваториальном климате между 18° северной и южной широты. Площади, пригодные для выращивания масличной пальмы, очень ограничены. Кроме того, это растение не размножается вегетативно — пальму можно вырастить только из семян. В течение 4 — 6 лет масличная пальма растёт, формируя розетку листьев, и лишь после этого формирует ствол. Максимально плодоношение начинается с 15 — 20 года после посева и продолжается примерно до 70 лет. Поэтому большие рощи масличной пальмы часто принадлежат королевским фамилиям и передаются по наследству.
Основными потребителями паль-мового масла являются развитые страны (Европа, Америка, Япония). Чтобы снизить зависимость от экспорта и производить моющие средства на основе лавровой кислоты, хорошо бы иметь какой-нибудь альтернативный источник.
Рис. 6. Рапс (Brassica napus) — важнейшее масличное растение умеренной зоны
Выбор учёных пал на рапс (Brassica napus) (рис. 6). Рапс можно вырастить в течение одного сезона. Для умеренной зоны Северного полушария это самая рентабельная масличная культура. Единственный его недостаток — в нём нет заметных количеств лавровой кислоты. И получение трансгенного рапса с повышенным содержанием лавровой кислоты кажется вполне естественным.
Для начала необходим ген, который отвечал бы за изменение жирнокислотного состава масла. Для этого в мировой флоре был найден чемпион по содержанию лавровой кислоты — «калифорнийский лавр» Umbellularia californica. Из этого растения был выделен ген, ответственный за синтез лавровой кислоты. После пересадки этого гена в генетически модифицированном рапсе 2 из 3 остатков жирных кислот в составе масла были представлены лавровой кислотой. Теперь европейские страны могут быть спокойны: без шампуней и стиральных порошков они не останутся, генетически модифицированный рапс поможет им получать лавровую кислоту на своей собственной территории.
Модификация растительных жиров
Рапс — очень популярный участник и других проектов с применением генетически модифицированных растений. Дело в том, что рапс — близкий родственник известного модельного растения — резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana). Геном арабиопсис известен полностью, поэтому легко найти гены, отвечающие за биосинтез тех или иных компонентов масла семян. А у родственных растений гены также очень похожи. Знания, добытые при изучении модельного растения, легко потом применить к рапсу. Чего же хотят учёные, изменяя состав растительного масла?
Среди жирных кислот, входящих в состав запасных веществ растительного масла, можно выделить насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты. Ненасыщенные жирные кислоты образуются из насыщенных в результате действия особых ферментов — десатураз. Высокая активность десатураз приводит к увеличению доли остатков ненасыщенных жирных кислот в растительном масле и наоборот.
Каждый, кто хоть раз соприкасался с кулинарией, знает, что после неоднократного использования растительного масла для жарки в конце концов появляется характерный запах и вкус «пригари». Это происходит потому, что при нагревании к двойным связям присоединяется кислород. Если бы двойных связей было меньше, растительное масло можно было бы использовать не в одном, а во многих циклах жарки. Это качество интересно прежде всего изготовителям картофельных чипсов, картофеля-фри, попкорна и других продуктов, при выработке которых приходится нагревать растительное масло. Перед генными инженерами стоит задача уменьшить содержание ненасыщенных жирных кислот в растительном масле, чтобы получить «долгоиграющее» масло для различных производств. Это возможно при «выключении» генов десатураз в масличных растениях.
Тем не менее, с точки зрения полезности продукта, для человека лучше, если в растительном масле будет много ненасыщенных жирных кислот. В нашем организме нет десатураз жирных кислот, поэтому состав липидов во многом зависит от поступающей пищи. При усилении активности десатураз в генетически модифицированных масличных растениях повысится доля ненасыщенных жирных кислот, что полезно в диетическом питании. В этом заинтересованы производители «салатного» масла, майонеза и других продуктов, где по технологии растительное масло нагревать не нужно.
Окисление растительного масла может происходить не только на подогретой сковороде. Льняное масло содержит большое количество линолевой и линоленовой кислот (жирные кислоты с двумя и тремя двойными связями соответственно; общая сумма ненасыщенных жирных кислот — до 90%). При взаимодействии с кислородом воздуха даже при комнатной температуре происходит окисление двойных связей. При этом через кислород между молекулами, входящими в состав льняного масла, образуются ковалентные сшивки. Льняное масло «высыхает», образуя тонкую прочную плёнку. Это свойство используется при изготовлении масляных красок и льняной олифы.
В масле видов рода Aleurites — тунгового дерева — ещё большее содержание ненасыщенных кислот (до 93 — 94%, из которых до 83% — с тремя двойными связями!). Тунговое масло используют для производства особо прочных быстро высыхающих лаков и специальных водоотталкивающих пропиток для дерева. К сожалению, производство льняного и тунгового масел не удовлетворяет растущие потребности лакокрасочной промышленности. Генные инженеры пытаются изменить состав рапсового масла так, чтобы оно стало пригодным для изготовления лаков и красок.
Одна из «экзотических» жирных кислот, входящая в состав масла рапса, — эруковая кислота. С одной стороны, эруковая кислота снижает пищевую ценность рапсового масла. С другой стороны, эруковая кислота в больших количествах используется при синтезе некоторых полимеров. Выделив из рапса гены, отвечающие за биосинтез эруковой кислоты, можно решить сразу две задачи: создать генетически модифицированный рапс со сниженным содержанием эруковой кислоты (для пищевого использования) и с повышенным содержанием эруковой кислоты (для химической промышленности).
В европейских странах начали задумываться над тем, что запасы нефти небезграничны. Но от машин и личных автомобилей человечество отказываться пока не собирается. Поэтому возникла идея заменить бензин на горючее из возобновляемых биологических источников. Существует проект по разработке «биодизеля» — смеси растительного масла и спирта, которую можно было бы заливать в двигатели внутреннего сгорания. Пока что такие смеси горят с образованием копоти, что засоряет двигатель и снижает сроки его работы. Идёт работа над повышением октанового числа этих смесей. Чтобы модифицировать состав масла в нужном направлении, также собираются использовать генетически модифицированные масличные растения.
Несмотря на кажущийся прогресс в области модификации растительных жиров, многие проекты так и не вышли на промышленные плантации. Дело в том, что растения «не хотят» надолго включать чужие гены. Через какое-то время генно-инженерная конструкция, вставленная в ДНК растений, может «замолчать» (явление сайленсинга, silencing). Если речь идёт о генах устойчивости к гербицидам, то все растения, у которых «замолчали» эти гены, после обработки гербицидами попросту погибнут. То же касается генов устойчивости, например, к вирусным заболеваниям: их семена не попадут в семенной фонд, и останутся только те растения, у которых генно-инженерная конструкция устойчиво работает.
Совсем другое дело, когда ген интереса не является жизненно важным для растения. Действительно, даже если доля ненасыщенных жирных кислот снизится до прежнего уровня, то растения рапса не погибнут. Проконтролировать жирнокислотный состав у каждого растения в поле практически невозможно. Поэтому со временем генетически модифицированный рапс может вернуться к исходному составу масла, не потеряв при этом вставленной в него чужеродной ДНК.
Повышение холодостойкости
С изменением состава жирных кислот связана проблема устойчивости растений к низким температурам. Текучесть мембран любых клеток зависит от соотношения насыщенных и ненасыщенных жирных кислот в составе липидов. Сравнивая говяжий жир (с преобладанием насыщенных жирных кислот) и растительное масло (с заметной долей ненасыщенных жирных кислот), легко убедиться, что большое количество двойных связей повышает текучесть.
При низких температурах мембрана становится более жёсткой. Это означает, что все мембранные структуры клетки работают хуже. Чтобы этого не произошло, растения при пониженной температуре усиливают работу десатураз жирных кислот. Не все растения способны достаточно быстро изменить жирнокислотный состав, поэтому тропические растения гибнут даже при низких положительных температурах. Мало кто знает, что рис погибает уже при температуре +7 °С.
Учёные работают над тем, чтобы после генно-инженерной модификации у теплолюбивых растений десатуразы жирных кислот работали активнее, что помогает справиться с понижением температуры, близким к нулю.
Если температура опускается ни-
же 0 °С, то возникает другая опасность: образование в клетках кристаллов льда с острыми краями. Кристаллы разрушают мембранные структуры, нарушают целостность клетки, и после оттаивания клетка погибает.
Зимостойкие виды растений накапливают в клетках много защитных веществ, препятствующих образованию кристаллического льда (сахароза, пролин, бетаин-глицин и др.). У теплолюбивых растений накопление этих веществ не столь значительно, поэтому они не выдерживают морозов.
Учёные нашли изящный выход и из этой ситуации. Некоторые организмы (ледяная рыба, зимующие насекомые) легко сохраняют жизнеспособность при цикле замораживания-оттаивания благодаря особым защитным белкам. Если перенести соответствующий ген из ледяной рыбы или из насекомого, клетка растения будет хорошо защищена от кристаллов льда, и морозостойкость повысится.
Кто знает, может быть, не за горами создание зимостойких генетически модифицированных персиков и апельсинов, которые можно будет широко выращивать у нас в стране. Пока что успехи более скромные: пытаются получить сорта томатов и огурцов, которые меньше страдают от заморозков.
Продолжение следует.
