Генные технологии в борьбе с загрязнением окружающей среды. Фиторемедиация

Генные технологии в борьбе с загрязнением окружающей среды. Фиторемедиация

Своими действиями человек вмешался в ход эволюционного развития жизни на Земле и разрушил независимое от человека существование биосферы. Но он не сумел отменить управляющие биосферой фундаментальные законы и освободиться от их влияния.

Возрождаясь после очередного катаклизма из сохранившихся очагов, приспосабливаясь и эволюционируя, жизнь, тем не менее, во все времена имела основное направление развития. Оно определялось законом исторического развития Рулье, согласно которому в рамках прогресса жизни и необратимости эволюции все стремится к независимости от условий среды. В историческом процессе такое стремление реализуется путем усложнения организации, выражающейся в нарастании дифференциации структуры и функций. Таким образом, на каждом очередном витке спирали эволюции появляются организмы с усложняющейся нервной системой и ее центром — головным мозгом. Ученые-эволюционисты XIX в. назвали это направление эволюции «цефализацией» (от греческого «цефалон» — мозг) Однако цефализация приматов и усложнение их организма в конечном итоге поставили человечество как биологический вид на грань исчезновения согласно биологическому правилу ускорения эволюции, по которому усложнение биологической системы означает сокращение средней продолжительности существования вида и возрастание темпов его эволюции. Например, средняя продолжительность существования вида птиц составляет 2 млн. лет, млекопитающих — 800 тыс. лет, предковых форм человека — 200-500 тыс. лет. Современный подвид человека существует, по некоторым представлениям, всего от 50 до 100 тыс. лет, но многие ученые считают, что его генетические возможности и резервы исчерпаны (Длексеенко, Кейсевич, 1997).

На путь, усиливающий конфронтацию с биосферой и ведущий к катастрофе, предки современного человека ступили примерно 1.5-3 млн. лет тому назад, когда впервые начали пользоваться огнем. С этого момента пути человека и биосферы разошлись, началось их противостояние, итогом которого может явиться коллапс биосферы или исчезновение человека как вида.

Отказаться от чего-либо из достижений цивилизации, даже если они гибельны, человечество не может: в отличие от животных, использующих лишь возобновляемые источники энергии, причем в количествах, адекватных способности биосферы к самовоспроизведению биомассы, человечество может существовать, используя не столько возобновляемые, сколько не возобновляемые энергоносители и источники энергии. Новые изобретения в данной области только усиливают это противостояние.

Одним из новейших направлений использования трансгенных растений является их применение для фиторемедиации — очистки почв, фунтовых вод и т.п. — от загрязнителей: тяжелых металлов, радионуклидов и других вредных соединений.

Загрязнение окружающей среды природными веществами (нефтью, тяжелыми металлами и т.д.) и синтетическими соединениями (ксенобиотиками), часто токсичными для всего живого, год от года усиливается. Как предотвратить дальнейшее зафязнение биосферы и ликвидировать его существующие очаги? Один из выходов — использование генных технологий. Например, живые организмы, прежде всего микроорганизмы. Этот подход получил название «биоремедиация» — биотехнология, направленная на защиту окружающей среды. В отличие от промышленных биотехнологий, главная цель которых — получить полезные метаболиты микроорганизмов, борьба с загрязнениями неизбежно связана с   «выпуском»   микроорганизмов в окружающую  среду,  что требует углубленного понимания их взаимодействия с нею. Микроорганизмы производят биодеградацию — разрушение опасных соединений, не являющихся для большинства из них обычным субстратом. Биохимические пути деградации сложных органических соединений могут быть весьма протяженными (например, нафталин и его производные разрушаются под действием дюжины разных ферментов).

Деградацию органических соединений у бактерий чаще всего контролируют плазмиды. Их называют плазмидами деградации, или D-плазмидами. Они разлагают такие соединения, как салицилат, нафталин, камфора, октан, толуол, ксилол, бифенил и тд. Большинство D-плазмид выделено в почвенных штаммах бактерий рода псевдомонад (Pseudomonas). Но есть они и у других бактерий: Alcalkjenes, Flavobacterium, Artrobacter и тд. У многих псевдомонад обнаружены плазмиды, контролирующие устойчивость к тяжелым металлам. Почти все D-плазмиды, как говорят специалисты, конъюгативны, т.е. способны самостоятельно переноситься в клетки потенциального реципиента.

D-плазмиды могут контролировать как начальные этапы разрушения органического соединения, так и полное его разложение. К первому типу относится плазмида ОСТ, контролирующая окисление алифатических углеводородов до альдегидов. Содержащиеся в ней гены управляют экспрессией двух ферментов: гидроксилазы, переводящей углеводород в спирт, и алкогольдегидрогеназы, окисляющей спирт в альдегид. Дальнейшее окисление осуществляют ферменты, за синтез которых «отвечают» гены хромосом. Впрочем, большинство D-плазмид принадлежат ко второму типу.

Устойчивые к ртути бактерии экспрессируют ген mеr А, кодирующий белок переноса и детоксикации ртути. Модифицированную конструкцию гена mеr А использовали для трансформации табака, рапса, тополя, арабидопсиса. В гидропонной культуре растения с этим геном извлекали из водной среды до 80% ионов ртути. При этом рост и метаболизм трансгенных растений не подавлялись. Устойчивость к ртути передавалась в семенных поколениях.

При интродукции трех модифицированных конструкций гена mеr А в тюльпанное дерево (Liriodendron tulipifera) растения одной из полученных линий характеризовались быстрым темпом роста в присутствии опасных для контрольных растений концентраций хлорида ртути (HgCI₂). Растения этой линии поглощали и превращали в менее токсичную элементарную форму ртути и испаряли до 10 раз больше ионной ртути, чем контрольные растения. Ученые полагают, что элементарная ртуть, испаряемая трансгенными деревьями этого вида, будет тут же рассеиваться в воздухе.

Тяжелые металлы — составная часть загрязнителей земель, используемых в сельскохозяйственном производстве. В случае с кадмием известно, что большинство растений накапливают его в корнях, тогда как некоторые растения, такие как салат-латук и табак, накапливают его в основном в листьях. Кадмий поступает в почву главным образом из промышленных выбросов и как примесь в фосфорных удобрениях.

Одним из подходов к снижению поступления кадмия в организм человека и животных может быть получение трансгенных растений, накапливающих меньшее количества этого металла в листьях. Данный подход представляет ценность для тех видов растений, листья которых используют в пищу или для корма животным.

Можно также использовать металлотионеины — небольшие богатые цистеином белки, способные связывать тяжелые металлы. Показано, что металлотионеин млекопитающих является функциональным в растениях. Получены трансгенные растения, экспрессирующие гены металлотионеинов, и показано, что эти растения были более устойчивыми к кадмию, чем контрольные.

Трансгенные растения с hMTII геном млекопитающих имели на 60-70% ниже концентрацию кадмия в стеблях по сравнению с контролем, и перенос кадмия из корней в стебли также был снижен — только 20% поглощенного кадмия было транспортировано в стебли.

Известно, что растения аккумулируют тяжелые металлы, извлекая их из почвы или воды. На этом свойстве основана фиторемедиация, подразделяемая на фитоэкстракцию и ризофильтрацию. Под фитоэкстракцией понимают использование быстрорастущих растений для извлечения тяжелых металлов из почвы. Ризофильтрация — это абсорбция и концентрация корнями растений токсичных металлов из воды. Растения, вобравшие в себя металлы, компостируют либо сжигают. Растения заметно различаются по аккумулирующей способности. Так, брюссельская капуста может накапливать до 3,5% свинца (от сухого веса растений), а ее корни — до 20%. Это растение успешно аккумулирует также медь, никель, хром, цинк и тд. Фиторемедиация перспективна и для очистки почвы и воды от радионуклидов. А вот токсичные органические соединения растениями не разлагаются, здесь перспективнее использовать микроорганизмы. Хотя некоторые авторы настаивают на снижении концентрации органических загрязнений при фиторемедиации, разрушают их в основном не растения, а микроорганизмы, обитающие в их ризосфере.

Симбиотическому азотфиксатору люцерны Rhlzobium melitotj был встроен ряд генов, осуществляющих разложение бензина, толуина и ксилена, содержащихся в горючем. Глубокая корневая система люцерны позволяет очищать почву, загрязненную нефтепродуктами, на глубину до 2-2.5 метров.

Следует помнить, что большая часть ксенобиотиков появилась в окружающей среде в последние 50 лет. Но в природе уже существуют микроорганизмы, способные к их утилизации. Это говорит о том, что в популяциях микроорганизмов достаточно быстро происходят генетические события, определяющие их эволюцию точнее, микроэволюцию. Поскольку ксенобиотиков в связи с нашей техногенной цивилизацией становится все больше, важно иметь общее представление о метаболизме микроорганизмов, и об их метаболических возможностях. Все это потребовало развитие новой науки — метаболомики. Основана она на том, что бактерии могут приобретать способность к переработке новых соединений в результате мутаций. Как правило, для этого требуется несколько последовательных мутаций или встройка новых генных систем из уже существующих у других видов микроорганизмов. Например, для разложения устойчивого галогенорганического соединения нужна генетическая информация, находящаяся в клетках разных микроорганизмов. В природе такой обмен информацией происходит за счет горизонтального переноса генов, а в лабораториях используются методы ДНК-технологий, взятые из природы.

Дальнейшее развитие фито- и биоремедиации — это комплексная проблема, связанная, в частности, с использованием растений и ризосферных микроорганизмов. Растения будут с успехом извлекать из почвы тяжелые металлы, а ризосферные бактерии — разлагать органические соединения, повышая эффективность фиторемедиации, способствуя росту растений, а растения — развитию обитающих на их корнях микроорганизмов.

Загрязнение окружающей среды можно считать заболеванием экосистем, а биоремедиацию — лечением. Ее следует рассматривать и как профилактику многочисленных заболеваний человека, вызываемых загрязнением среды. По сравнению с другими методами очистки, этот гораздо дешевле. При рассеянных загрязнениях (пестициды, нефть и нефтепродукты, тринитротолуол, которым загрязнены многочисленные земли), ему нет альтернативы. В очистке окружающей среды от загрязнений важно правильно выделить приоритеты, минимизируя риски, связанные с тем или иным загрязнением, и учитывая свойства конкретного соединения и его влияние прежде всего на здоровье человека. Необходимы законодательные акты и правила, регламентирующие интродукцию в окружающую среду ГМ микроорганизмов, с которыми связаны особые надежды на очистку от любых загрязнителей. В отличие от промышленной биотехнологии, где можно строго контролировать все параметры технологического процесса, биоремедиация проводится в открытой системе, где такой контроль затруднен. В известной мере это всегда «ноу-хау», своего рода искусство.

В полной мере преимущество микроорганизмов при очистке от нефтепродуктов удалось продемонстрировать, когда после катастрофы танкера 5000 м³ нефти вылилось в море у берегов Аляски. Около 1,5 тыс. км береговой линии оказалось загрязнено нефтью. К механической очистке привлекли 11 тыс. рабочих и разнообразное оборудование (это обходилось в 1 млн долл. в день). Но был и другой путь: параллельно для очистки берега в почву вносили азотное удобрение, что ускорило развитие природных микробных сообществ. Это в 3-5 раз ускорило разложение нефти. В итоге загрязнение, последствия которого, по расчетам, могли сказываться и через 10 лет, полностью устранили за 2 года, затратив на биоремедиацию менее 1 млн долл.

Развитие биоремедиации, технологий и способов ее применения требуют междисциплинарного подхода и сотрудничества специалистов в области генетики и молекулярной биологии, экологии, и других дисциплин. Таким образом, направления использования генной инженерии очень разнообразны и обширны, а некоторые из них фантастичны и в то же время весьма перспективны по достижимости результатов.

Исследование реакции живых организмов на изменения окружающей среды чрезвычайно важно для оценки влияния этих изменений, особенно имеющих антропогенное происхождение, на биоразнообразие, сохранение которого является важнейшей задачей человеческой цивилизации.

По данным Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР), потенциальный рынок биоремедиации составляет более 75 млрд долл. Ускоренное внедрение биотехнологий для защиты окружающей среды вызвано, в частности, тем, что они гораздо дешевле других технологий очистки. По мнению ОЭСР, биоремедиация имеет локальное, региональное и глобальное значение, и для очистки будут все шире применять как природные организмы, так и ГМО.