2020-05-11
279
Высвобождение генетически модифицированных микроорганизмов (ГММ) в окружающую среду с различными целями осуществляется с 80-х годов XX века. 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.
1) 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.
2) 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. 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.
Потенциальные проблемы, возникающие при неконтролируемом внесении генетически модифицированных микроорганизмов (ГЕМОМ) в окружающую среду, вызвали широкие дебаты в научном сообществе, вовлекая правительственные организации и поборников защиты окружающей среды. Время от времени дебаты возникают вновь после сообщений о том или ином достижении генной инженерии или новых успехах в клонировании. Значительное место в этих спорах отводится ответу на вопрос: как долго ГЕМОМ и их ДНК существуют в окружающей природе и смогут ли модифицированные гены от ГЕМОМ быть переданы аборигенным микроорганизмам? Первоначальные эксперименты показали, что ГЕМОМ быстро отмирают при внесении в природные ценозы, поскольку не способны конкурировать с существующими сообществами микроорганизмов. Предполагалось, что чужеродная ДНК, внесенная в ГЕМОМ, снижает конкурентоспособность живых клеток по сравнению с неизмененными клетками вследствие очевидных больших энергетических затрат на репликацию ДНК.
Это предположение было подтверждено при изучении выживания в почве ГЕМОМ Pseudomonas sp. с введенной плазмидой, несущей гены расщепления мощного гербицида 2,4,5-трихлорфе- ноксиацетата. Клетки ГЕМ ОМ-псевдомонад быстро исчезали из почвенного образца и через несколько дней при прямых высевах на среды не обнаруживались. Однако спустя несколько недель ГЕМОМ-псевдомонады вновь можно было обнаружить в образце, т.е. они никогда полностью не вымирали. Результаты этих и последующих экспериментов показали, что модифицированные псевдомонады могут жить в почве в течение длительного времени. Другие наблюдения показали существование ГЕМОМ в почвенных и водных экосистемах в состоянии НФБ.
Предполагается, что ДНК мертвых клеток ГЕМОМ при попадании в любой биоценоз быстро подвергнется гидролизу ДНКазами почвы или водных экосистем. Поэтому, даже если ГЕМОМ выживут, они не смогут легко передать ДНК при трансформации другим клеткам.
Специальные исследования, однако, показали, что ДНК, адсорбированная на частицах почвенной глины, устойчива к действию ДНК-аз и может существовать в таком «иммобилизованном» виде достаточно долго, а затем вовлекается в процесс трансформации.
Гены в почвенных и водных экосистемах могут быть перенесены также в результате трансдукции. Один пример подтверждает это. Через год после введения в водную экосистему специфического штамма Pseudomonas sp. В13, в ней обнаружены виды, расщепляющие 3-хлорбензол (3-ХБ), которые никогда не выделялись из этой экониши до введения туда штамма В13. Более того, в геноме нового изолята обнаружены последовательности, принадлежащие штамму В13, после чего было высказано предположение, что новый штамм возник в результате обмена частью генома между аборигенной бактерией и внесенным штаммом В13, не способным утилизировать 3-ХБ.
Таким образом, сделан вывод, что перенос генного материала в природных нишах возможен в течение значительного времени после введения чужеродных генов, и следствием этого может быть изменение пула генов микробиоты данной экосистемы, что отразится на биоразнообразии и стабильности данного сообщества.
