Генетически модифицированные микроорганизмы в природных ценозах

Генетически модифицированные микроорганизмы в природных ценозах

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Биологический факультет

ГЕНЕТИЧЕСКИ МОДИФИЦИРОВАННЫЕ МИКРООРГАНИЗМЫ В ПРИРОДНЫХ ЦЕНОЗАХ.

           Реферат

студента 5 курса 6 группы

КОВАЛЬЧУКА К.В.

Минск 2005г.

Высвобождение генетически модифицированных микроорганизмов (ГММ) в окружающую среду с различными целями осуществляется с 80-х годов; в частности создано и применено на практике достаточное количество штаммов бактерий предназначенных для биодеградации различных поллютантов.

В целом можно выделить два пути, по которому могут развиваться события при высвобождении ГММ в окружающую среду. Предпочтительным является такое развитие событий: штамм выполняет задуманную человеком миссию и затем элиминируется из среды (т.е. погибнет). Предполагается, что все высвобожденные в окружающую среду ГММ проследуют по данному пути, не оказав при этом никаких негативных воздействий на среду. Альтернативный путь предполагает избежание ГММ гибели и их размножение и эволюцию.

Традиционно считается, что  высвобожденный в окружающую среду ГММ погибнет после выполнения своей функции из-за своей неконкурентоспособности по сравнению с природными микроорганизмами. Полагают, что данная низкая конкурентоспособность обусловлена метаболической перегрузкой, вызванной проведёнными со штаммом генетическими манипуляциями, приводящими к затрате энергии на репликацию векторов, гиперпродукции чужеродного белка, перегрузке системы экспорта белков и т.д. Действительно, существует большое количество хорошо документированных случаев, когда успешно размножающиеся в лабораторных условиях штаммы быстро погибали после попадания в окружающую среду. Тем не менее, некоторые ГММ, по-видимому, способны приспособиться к новым условиям (условиям окружающей среды) и выжить.

Приобретение приспособлений способствующих выживанию ГММ может идти различными путями. К примеру, высвобожденные в окружающую среду ГММ, предназначенные для деградации поллютанта, могут приобрести повышенную конкурентоспособность при росте на альтернативном природном субстрате.

Так, например, был протестирован штамм Burkholderia способный к деградации гербицида 2,4-дихлорфеноксиацетата (2,4-Д). Линии этого штамма выращивались в условиях избытка 2,4-Д или сукцината в качестве единственного источника углерода, таким образом шла селекция на повышение способности к росту на субстрате. Далее было показано, что часть линий, адаптированных к росту на 2,4-Д, также характеризуются повышенной (по сравнению со своими потомками)  способностью к росту на сукцинате и наоборот. Таким образом, ГММ созданные для биоремедиации среды от субстрата антропогенного происхождения (в данном случае 2,4-Д) могут параллельно улучшить свою конкурентоспособность при росте на альтернативном природном субстрате (в данном случае сукцинат), что увеличит вероятность их выживания и сохранения в природе.

Другим примером приобретения приспособлений, способствующих выживанию ГММ, может послужить случай, когда ГММ, несущие чужеродные гены, используют их для улучшения своей адаптивности.

Ряд исследований показали, что обычно введение плазмиды в клетку микроорганизма приводит к дополнительной метаболической нагрузке и по этой причине в неселективных условиях несущий плазмиду штамм менее конкурентоспособен, чем безплазмидный штамм. Тем не менее, если плазмида вводиться в штамм, который имеет историю совместной эволюции с этим экстрахромосомальным элементом, то такой штамм может оказаться в неселективных условиях даже лучше адаптированным, чем в отсутствие плазмиды.

Исследования показали, что ГММ могут продуцировать токсичные вещества из-за неполного разложения поллютантов, особенно если в почве или воде находиться смесь поллютантов, часть из которых не планировалось деградировать. Продуцируемые ГММ токсичные соединения могут ингибировать рост природных микроорганизмов и обеспечивать им некоторое селективное преимущество.

Приведённые выше последние два примера показывают, что ГММ, размножающие в природных условиях склонны эволюционировать в направлении использовании произведённых человеком генетических манипуляций для повышения своей выживаемости.

Но даже если ГММ не успевают приспособиться к новым условиям (условиям окружающей среды) и прекращают рост, то это ещё не обязательно означает их гибель. В ответ на изменившиеся условия среды (например, в ответ на истощение субстрата, который они должны были деградировать), в такой популяции ГММ возможна индукция двух различных ответов.

 Большинство клеток входят в стационарную фазу и приобретают общую резистентность в ожидании улучшений условий роста. Таким образом, ГММ одновременно приобретают устойчивость к  целому ряду неблагоприятных воздействий (высокая температура, экстремальные значения рН, УФ-излучение и т.д.) и способны находится в таком состоянии в среде неопределённо долгое время.

Другая, меньшая часть клеток, переходит в состояние повышенной мутабельности для того, чтобы приобрести способность к росту в данных неблагоприятных условиях. При этом у данных клеток может происходить инактивация генов репарации, генов ответственных за точность репликации, повышаться синтез склонных к ошибкам полимеразам, в связи с чем частота мутаций резко возрастает. Большинство таких клеток погибает, но часть из них приобретает благоприятные мутации и выживает.

В любом случае нынешнего уровня знаний в области биологии микроорганизмов недостаточно, чтобы с высокой степенью вероятности предсказать судьбу высвобожденных в окружающую среду ГММ и спрогнозировать эффект, который они могут оказать на природные ценозы.

Тем не менее, худшие опасения противников высвобождения ГММ в окружающую среду не подтвердились. И утверждение, что ГММ могут вытеснить существующие виды из их экологических ниш, что приведёт к серьёзным изменениям в окружающей среде,  осталось бездоказательным. Многочисленные полевые испытания показали, что, как правило, внесённые в окружающую среду ГММ не распространяются за пределы участка, где проводилось тестирование, персистируют не более чем несколько месяцев, не передают гены природным микроорганизмам и проявляют сходную биологическую активность, как в лабораторных, так и в природных условиях. Но поскольку с каждым ГММ могут быть связаны различные побочные эффекты, при вынесении окончательного решения о полевых испытаниях каждый случай рассматривается в отдельности. Подобные испытания проводятся в США, Австралии, Великобритании и других странах.

Со временем становиться всё больше сторонников точки зрения, что высвобождение в окружающую среду рекомбинантных микроорганизмов, прошедших лабораторные и полевые испытания, не будет иметь неблагоприятных экологических последствий.

ЛИТЕРАТУРА

1. Б.Глик, Дж.Пастернак. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение. Пер. с англ. – М.: Мир, 2002. - 589 с.

2.  Vassili V. Velkov. Stress-induced evolution and the biosafety of genetically modified microorganisms released into the environment / J. Biosci. 2001; Vol. 26. No. 5. p.667–683