Изменение пищевой ценности растений методами генной инженерии

Введение
В условиях постоянного роста численности населения Земли серьезной проблемой стал дефицит продуктов питания [2]. Сегодня около 842 миллионов человек по всему миру недоедают. Более того, около 2 миллиардов человек в мире страдают от «скрытого голода», вызванного недостаточным потреблением необходимых микроэлементов в их ежедневном рационе [6]. Ситуация усугубляется явлением изменения климата, а также тем фактом, что размеры посевных площадей в мире практически достигли своего максимума, и их дальнейшее увеличение грозит усугублением экологических проблем. В данных условиях единственным путем решения проблемы является повышение урожайности и питательной ценности сельскохозяйственных растений методами биотехнологии.
На фундаментальном уровне пища рассматривается как необходимое для выживания средство удовлетворения минимальных ежедневных потребностей. Однако в последнее время постоянно растет интерес к концепции функциональной пищи. Это любая модифицированная пища или пищевой ингредиент, который не только обеспечивает человека традиционными питательными веществами, но и приносит пользу для здоровья, включая профилактику и лечение заболеваний. С задачей создания подобной пищей может справиться только генетическая модификация растений [11].
За последние 20 лет генетическая инженерия стала одним из путей улучшения качеств возделываемых растений, в том числе и изменения их пищевой ценности. Методы генной инженерии основаны на выделении наследственного материала, его идентификации, создании новых комбинаций и перенесения этих новых генетических конструкций в геном клетки [1]. Изменять пищевую ценность можно путем улучшения питательных и одновременного ослабления антипитательных свойств продуктов. Интерес представляет увеличение содержания макронутриентов (белки, углеводы, липиды, клетчатка), макро – и микроэлементов (витамины, минералы, функциональные метаболиты) и уменьшение содержания антинутриентов (вещества, такие как фитат, которые ограничивают биодоступность питательных веществ) и аллергенов [11].
Цель данной работы – изучить методы и возможности биотехнологического повышения пищевой ценности растений.
Глава 1. История развития генной инженерии растений
Генетически модифицированный организм – организм, генотип которого был искусственно изменен методами генной инженерии. В отличие от случайного направления естественных и искусственных мутационных процессов, генная инженерия действует направлено [3].
Первоначально объектами генетической инженерии были микроорганизмы. Однако к этому времени уже существовали хорошо разработанные методы культуры растительных клеток [1], поэтому в скором времени началась разработка методов генетической модификации растений. Генная инженерия растений получила значительно более широкое и быстрое развитие и распространение, чем генная инженерия животных. Это связано с таким свойством растений, как тотипотентность - возможность получения целого растения из одной соматической клетки, в то время как для получения генетически модифицированных животных используют яйцеклетки.
Первый успешный перенос генов из одного растительного организма в другой был осуществлен в 80-х годах. В начале 1980-х годов были получены первые трансгенные формы табака: в 1984 г – растения с бактериальными генами устойчивости к антибиотикам, в 1986 г – растения, устойчивые к вирусу табачной мозаики. Уже к 90-м годам генномодифицированные продукты попали на рынок. В 1994 году в США выдано первое разрешение на использование в качестве продуктов питания трансгенной сои и томатов. В настоящее время трансгенные растения выращивают на 180 млн гектаров полей в таких странах, как США, Бразилия, Аргентина, Канада, Индия. Основными генетически модифицированными культурами являются соя, кукуруза, рапс, томаты, картофель, сахарная свекла, тыква, папайя, перец, люцерна и т.д.
Трансгенные сорта обладают повышенной устойчивостью к гербицидам, вредителям, улучшенными качественными характеристиками.
Глава 2. Биотехнологические методы модификации растений
На первом этапе генетической модификации нужно подготовить последовательность нуклеотидов, которую планируется ввести в клетку-реципиент. Получение нужной последовательности ДНК для клонирования может происходить химико-ферментативным методом, путем обратной транскрипции мРНК или непосредственного расщепления геномной ДНК. Но самым распространенным способом на данный момент является синтез ДНК методом полимеразной цепной реакции.
Ввести чужеродную ДНК в клетку-хозяина можно различными способами:
1. Посредством клонирующего вектора. Вектором называют молекулу ДНК, способную к включению чужеродной ДНК и автономной репликации, и которая служит инструментом для введения генетической информации в клетку. Векторами могут быть плазмиды, вирусы, искусственные хромосомы [5].
Революцией в генной инженерии стало обнаружение Тi-плазмид почвенной бактерии Agrobacterium tumefacient. Некоторые виды почвенных бактерий (Agrobacteria) могут заражать двудольные растения и перестраивать метаболизм растительных клеток так, что они начинают синтезировать соединения, необходимые только для бактерий. Эта способность связана с наличием у бактерий Ti-плазмиды (tumer inducing – вызывающая опухоль). Определенный фрагмент плазмиды встраивается в геном растительной клетки и начинает экспрессироваться, что выражается в синтезе веществ, приводящих к образованию опухоли. Оказалось, что этот механизм можно успешно использовать в генной инженерии. Плазмиды модифицируют таким образом, чтобы удалить все онкогенные последовательности, а на их место встроить чужеродную ДНК, часть которой встраивается в хромосомы клеток растений (рис.1). Сейчас при помощи агробактерий осуществляют трансформацию многих растений [1]. Недостаток метода в том, что им можно трансформировать в основном только двудольные растения.
Рисунок 1 – Схема агробактериальной трансформации растений.
2. Метод бомбардировки микрочастицами (биобаллистики)

. На мельчайшие частицы золота или вольфрама напыляется ДНК, которая содержит «целевой» ген. Затем эти частички с ДНК помещают в так называемую генную «пушку». В результате «выстрела» они с огромной скоростью «бомбардируют» клетки, проникая ядра. Некоторые из этих клеток встраивают «целевой» ген в свою ДНК [1,3].
Генетически модифицированные организмы начинают синтезировать новые, не свойственные им белки. Если эти белки являются ферментами, то дальнейшее изменение биохимического состава организма зависит от того, какие реакции катализируются данными ферментами.
Для изменения состава запасных белков у растения методом генной инженерии используются разные подходы:
-Введение

генов, контролирующих синтез белков, которые отсутствуют у сорта-реципиента;
-Введение

дополнительных копий определенных генов;
-Введение

генетических конструкций, индуцирующих РНК-сайленсинг генов, кодирующих белки с низкой питательной ценностью. Технология заключается в разрушении мРНК целевых генов, благодаря чему не происходит синтеза белка. Одна из подобных технологий – РНК-интерференция. В геном растения-реципиента вводят генетические конструкции, содержащие инвертированные последовательности генов, которые хотят «выключить». На внедренных генах синтезируется мРНК, которая по принципу комплементарности взаимодействует с мРНК целевого гена. Образуются двуспиральные молекулы РНК, которые подвергаются распаду. В результате целевой ген «замолкает», с него больше не синтезируется белок [3].
-Введение

генов, регулирующих синтез аминокислот и т.д. Этот путь очень важен для обогащения продуктов питания незаменимыми аминокислотами – лизином, триптофаном и метионином. Так, с целью повышения содержания лизина применяетсяВведение

генов, усиливающих его синтез; подавление генов, регулирующих его катаболизм, подавление синтеза белков с низким содержанием лизина, инициация синтеза белков, богатых лизином и т.д. [3].
Глава 3. Современные достижения генной инженерии в области повышения пищевой ценности
Генетическая модификация может осуществить превращения, приводящие к изменению химического состава продуктов питания. Трансгенные продукты могут иметь более высокую пищевую ценность, быть источником лекарственных веществ, идеально подходить для дифференцированной диеты. Методами генной инженерии можно увеличить содержание витаминов А, С, Е, растительных пигментов, незаменимых ненасыщенных жирных кислот, пищевой целлюлозы, пре- и пробиотиков.
Одно из актуальных направлений генетической инженерии растений – создание культур с измененным составом запасных белков. Особенно это актуально для злаков, т.к. они являются основным источником пищевого и кормового белка. 50-70: белка и до 65% калорий человечество получает от использования зерна злаков.
Удалось создать гибридные сорта кукурузы с удвоенным содержанием лизина в зерновках. Биосинтез лизина запускается ферментом дигидродипиколинатсинтазой. Этот фермент ингибируется конечным продуктом, что позволяет поддерживать концентрацию лизина на постоянном уровне. Однако в бактерии Corynebacterium glutamicum был обнаружен измененный фермент, не ингибирующийся лизином. Благодаря агробактериальной трансформации ген, кодирующий бактериальный фермент, был внедрен в клетку кукурузу. Полученное растение скрестили с другим, тоже трансгенным, у которого путем РНК-сайлесинга был подавлен синтез белков с низким содержанием лизина. В результате у гибридов первого поколения содержание лизина в зерновке составляло 6,9-8,5% от общего содержания аминокислот (в обычном растении – 3,3-3,4% ) [3].
Beauregard и соавторы создал искусственный запасной белок массой 11 кДа, содержащий16% метионина и 12% лизина, ген которого ввели в сою. Трансгенные растения показали значительное увеличение общего содержания белка и повышение уровня незаменимых аминокислот. Однако, так как этот белок является абсолютно новым для рациона человека, его нужно подвергнуть тщательному анализу перед тем, как внедрять метод в практику [11].
Получены трансгенные линии пшеницы, которым ввели гены различных высокомолекулярных глютенинов. Из такого зерна получают муку улучшенного качества, с увеличенной подъемной силой. Есть сообщение о трансгенной линии ржи, которой были перенесены гены высокомолекулярных глютенинов мягкой пшеницы. За счет этого количество клейковины возросло в 2-3 раза [3].
Методы генной инженерии придают растениям способность синтезировать такие вещества, которые они не синтезируют в обычных условиях.
Наиболее яркий пример достижений генной инженерии - получение Золотого риса, геном которого был изменен путем введения дополнительных копий гена, кодирующего синтез бета-каротина (одного из каротиноидов, ответственных за нормальное зрение и сопротивляемость организма) [1,9,12].
Для модификации риса использовались два гена: ген psy из нарцисса Narcissus pseudonarcissus, кодирующий фермент фитоенсинтазу, и ген crt1 бактерии Erwinia uredovora, кодирующий фитоендесатуразу. Эти гены были помещены под управление промотора, специфического для эндосперма, поэтому они экспрессируются в эндосперме. Фитоенсинтаза превращает геранилгеранил дифосфат в фитоен. Затем фитоендесатураза превращает фитоен в ликопин, а на последней стадии ликопинциклаза превращает ликопин в каротин (рис.2).
В настоящее время 72 г зерен золотого риса (одна порция) обеспечивает 50-60% ежедневной нормы витамина А [9]. Проведенные исследования показали, что эффективность бета-каротина, содержащегося в золотом рисе, аналогична его эффективности в обычном рисе.
3090832238375Геранилгеранил-РР Фитоен Ликопин Каротин
020000Геранилгеранил-РР Фитоен Ликопин Каротин
ДНК клеток эндосперма риса
ген crt1 из Erwinia uredovora
ген psy из Narcissus pseudonarcissus
экспрессия генов
Фитоенсинтаза
Фитоендесатураза
ДНК клеток эндосперма риса
ген crt1 из Erwinia uredovora
ген psy из Narcissus pseudonarcissus
экспрессия генов
Фитоенсинтаза
Фитоендесатураза
Рисунок 2 - Синтез каротина в зернах «золотого риса».
В винограде был найден резвератрол – антиоксидантный препарат c широким спектром действия