Istnieje kilka głównych powodów [2], które kierują na drogę manipulacji genowej żywności:

Pierwszym najczęściej poruszanym powodem jest stale zwiększająca się liczba ludności na świecie oraz odsetek osób głodujących. Drugim powodem jest systematyczny spadek dostępności gruntów ornych pod uprawy. Kolejnym argumentem przemawiającym za rozwijaniem badań nad GMO jest możliwość szybkiego uzyskania nowych odmian (roślin jeśli chodzi o GMF) z fenotypem pożądanych przez nas cech. Bowiem naturalna selekcja w przypadku roślin przebiega zwykle kilkanaście lat.

Ostatnim argumentem jest walka z chorobami oraz niedoborami witaminowymi na terenach endemicznych, ponieważ dzięki technikom inżynierii genetycznej można uzyskać rośliny posiadające w swym składzie cenne mikroelementy.

Metody powstawania GMF

W celu uzyskania żywności modyfikowanej genetycznie trzeba zastosować jedną z kilka technik wprowadzania DNA do komórek roślinnych [3], a następnie regenerację całej rośliny poprzez hodowlę tkankową co jest możliwe dzięki totipotencjonalności komórek somatycznych roślin.

Metody pozwalające na transformację komórek można podzielić na bezpośrednie oraz pośrednie.

Metodą pośrednią, szeroko rozpowszechnioną oraz pozwalającą uzyskać wysoką wydajność jest transformacja przy użyciu bakterii gram-ujemnych z rodziny Agrobacterium (A. tumefaciens i A. rhizogenes). Bakterie te zawierają plazmid DNA - ze względu na wielkość (180-400tys. par zasad) nazywany megaplazmidem -  zdolny do przenoszenia genów do komórki roślinnej – Ti- dla A. tumefaciens  odpowiadający za powstawanie guzowatych narośli oraz Ri- dla A. rhizogenes odpowiadający za powstanie korzenia włośnikowego. Oba plazmidy zawierają sekwencję T-DNA, która zawiera geny odpowiadające za powstanie nowotworu u roślin oraz geny kodujące opiny. T-DNA jest flankowany z obu stron przez fragmenty zawierające 25 par zasad stanowiące granicę fragmentu T-DNA i przenoszone wraz z nim do komórki gospodarza. 

Obecnie ze względu na małą wydajność transformacji bakterii oraz niską liczbę kopii megaplazmidu używa się opracowanych technikami molekularnymi specjalnych plazmidów. Metoda ta polega na zastosowaniu małych wektorów binarnych Ti zawierających sekwencje flankujące T-DNA i umieszczoną pomiędzy nimi wstawkę oraz geny umożliwiające replikację w komórkach Escherichia coli oraz Agrobacterium. Natomiast w megaplazmidzie pełniącym funkcję pomocniczą umieszczone są geny kodujące wspomniane wcześniej białka wymagane do transformacji roślin. Ze względu na wydajność, większość manipulacji przebiega w E. coli i gotowy już plazmid jest metodą transformacji umieszczany w Agrobacterium. Opracowano także sztuczny chromosom bakteryjny BAC zdolny do przenoszenia długich fragmentów DNA (50-150 tys. par zasad) ulegający także transkrypcji w E. coli. Kolejnym krokiem było opracowanie binarnego sztucznego chromosomu bakteryjnego (BIBAC), który zawiera w sobie geny odpowiedzialne za fenotyp wysokiej wirulencji  A. tumefaciens. Dzięki temu uzyskano możliwość wydajnej transformacji również w roślinach jednoliściennych.

Ogromne znaczenie dla integracji oraz wydajności transkrypcji genów w transformowanej roślinie ma promotor umieszczony na końcu 5’ genu. Szeroko stosowany w tym celu jest 35S promotor wirusa mozaiki kalafiora, aczkolwiek niedawno opracowano hybrydowy „super promotor”, składający się z potrójnego powtórzenia syntazy oktopiny (ocs) oraz elementu aktywatora syntazy mannozy (mas).

Najszerzej stosowaną techniką bezpośrednią dostarczania DNA do komórek roślinnych jest bombardowanie mikrocząstkami. Technika ta powstała głównie z myślą o roślinach opornych na transformację przy użyciu bakterii z rodzaju Agrobacterium i polega na zastosowaniu mikronośników ze złota lub wolframu (0,6-1,0mm) opłaszczonych DNA, którym chcemy przeprowadzić transformację. Następnie przygotowane mikronośniki rozmieszczone równomiernie na foli umieszcza się pomiędzy tkanką docelową a „strzelbą genową”, która przy użyciu helu pod wysokim ciśnieniem powoduje rozerwanie foli i wystrzelenie mikronośników w kierunku tkanki docelowej. „Mikropociski” opłaszczone DNA  uszkadzając szkielet komórki przenikają do jej wnętrza dostarczając pożądany przez nas materiał genetyczny do komórek. Cała reakcja ze względu na uszkadzanie komórek docelowych powinna przebiegać w warunkach jałowych, aby uniknąć skażenia tkanki. Przy zastosowaniu sztucznych chromosomów drożdżowych (YAC) można wprowadzić do komórki DNA o długości do 150 tys. par zasad. Ponadto możliwe jest dostarczenie do komórki jednocześnie kilku transgenów. Problemem, z którym trzeba się zmierzyć używając tej techniki jest uzyskanie odpowiedniej ekspresji DNA w komórce docelowej oraz regeneracja uszkodzonych mikropociskami szkieletów komórek. 

Inną metodą bezpośrednią jest elektroporacja - polega na wprowadzaniu DNA do komórek przy użyciu specjalnie dobranej energii elektrycznej (najczęściej 25mV i 0,5mA przez 15min), która wpływa na stabilność błony komórkowej i umożliwia przenikanie DNA. Metoda ta jest jednak rzadko stosowana z powodu licznych ograniczeń, wśród których najważniejszym jest grubość ściany komórkowej, która uniemożliwia przenikanie materiału genetycznego do komórek roślinnych.

Podobnie do elektroporacji przebiega transformacje z udziałem glikolu polietylenowego (PEG). W tym przypadku zamiast energii elektrycznej jest stosowanie PEG w celu stymulacji dostarczania DNA. Jest to metoda łatwa w użyciu jednak ze względu na małą wydajność także rzadko stosowana.

Kolejną pokrewną metodą jest transformacja przy użyciu krzemu – w tym celu miesza się ze sobą igły zbudowane z krzemu, komórki roślinne oraz gen, który chcemy wprowadzić do komórki. Następnie mieszając uszkadzamy komórki i umożliwiamy DNA wniknięcie do komórki. Metoda ta jest prosta, tania i wszechstronna, jednak jak w poprzednim wypadku problemem jest niska wydajność oraz uszkodzenie komórek.

Ciekawa jest metoda transformacji chloroplastów, która zapobiega przenoszeniu wprowadzonego genu wraz z pyłkami, ponieważ chloroplasty dziedziczone są w linii matczynej. Dzięki temu, możliwe jest ograniczone przenoszenie zmodyfikowanych genów między roślinami.

Istnieje także metoda mikroiniekcji, w której DNA przy pomocy mikrokapilary i mikroskopu wprowadzamy mechanicznie do cytoplazmy lub jądra komórki unieruchomionej w agarze. Problem w tym przypadku stanowi czasochłonność, koszt oraz dostarczanie przez ścianę komórkową i regeneracja rośliny z pojedynczej komórki. Metoda ta wykorzystywana jest także w transformacji zwierząt. 

W celu stworzenia modyfikowanych genetycznie zwierząt, które stanowią głównie model wykorzystywany do badań, wykorzystuje się [9] m.in. transformację przy pomocy wirusów z rodziny Lentivirusów, jednak problemy stanowią tutaj małe wielkość genu wstawki, wpływ genów wirusa na promotor wstawki oraz tworzenie chimer z ekspresją genu jedynie w części komórek.

Inną metodą [9] jest użycie zarodkowych komórek macierzystych (ES), które po wprowadzeniu pożądanego genu są wszczepiane do zastępczego zarodka tworząc zarówno chimery, jak i w pełni transformowane zwierzęta. Metoda ta jest jednak ciągle na etapie rozwoju.

Ciekawą alternatywą jest klonowanie [9] przy użyciu transferu jądra komórek somatycznych, które jest następnie wprowadzane do niezapłodnionego oocytu pozbawionego jądra. Jest to metoda pozwalające na sklonowanie dorosłych już osobników (użyto jej w przypadku klonowania owcy Dolly).

Podejmowane są także próby użycia transpozonów [9] jako mechanizmu transformacji genów. Udało się w ten sposób przy pomocy interferencyjnego RNA sklonować świnię oraz królika.

Warto wspomnieć, że w ostatnich latach została opracowana nowa metoda transformacji [5] nie tylko roślin, ale także zwierząt – CRISP/Cas9, w której wykorzystuje się naturalnie występującą w bakteriach obronę przed wirusami. CRISP/Cas9 składa się z krótkiej sekwencji RNA (crRNA) komplementarnego do pożądanej sekwencji DNA oraz białka Cas – endonukleazy przecinającej DNA w miejscu przyłączenia gRNA. Następnie możliwe są dwie drogi rekombinacji polegającej na niszczeniu fragmentu DNA i łączeniu koniec do końca lub wstawieniu dostarczonego DNA razem z kompleksem CRISP/Cas9. Wspomniana metoda ma szansę zrewolucjonizować inżynierię genetyczną od rolnictwa, aż do leczenia chorób u ludzi. 

Osiągnięcia GMF

Większość manipulacji genetycznych jest ukierunkowana na odporność na szkodniki oraz herbicydy [2]. Rośliny odporne na owady uzyskuje się najczęściej poprzez doprowadzenie w roślinach do ekspresji białka owadobójczego CRY naturalnie występującego w bakteriach Bacillus thuringiensis, natomiast odporność na herbicydy poprzez enzymy chroniące przed ich działaniem oraz posiadające zdolność ich rozkładu – dzięki czemu stosowane herbicydy zabijają chwasty jednocześnie nie uszkadzając upraw roślinnych.

Raporty z ostatnich lat [4] podają, że dzięki zastosowaniu GMF została zwiększona wydajność upraw roślinnych. Natomiast gdybyśmy nie zastosowali osiągnięć biotechnologii, podobna wydajność wymagałaby użycia znacznie większej ilości gruntów rolnych, co wiązałoby się z wycinaniem m.in. lasów tropikalnych. Ponadto zyski byłby znacznie mniejsze, ponieważ uprawy konwencjonalne wiążą się z użyciem większej ilości nawozów (w tym pestycydów), co zwiększa nie tylko koszty produkcji, ale także nie pozostaje bez wpływu na nasz organizm.

Poza kwestią ekonomiczną, metodami inżynierii genetycznej jesteśmy wstanie wzbogacić uprawiane rośliny o wartości odżywcze, witaminy, błonnik czy probiotyki, co również ma ogromne znaczenie dla naszego zdrowia. Przy użyciu technik biotechnologicznych potrafimy zmieniać skład aminokwasowy białka czy zawartość węglowodanów. Przykładem może być tutaj zmodyfikowany ziemniak, w których wprowadzenie dodatkowego genu syntezującego amylozę (GSBB) spowodowało jego wyciszenie i znaczny wzrost syntezy amylopektyny.

Dzięki inżynierii genetycznej [8] udało się poprawić także zawartość aminokwasów w niektórych roślinach jak np. zawartość lizyny w kukurydzy, rzepaku czy soi oraz ogólną zawartość białka np. w bulwach ziemniaków dzięki wytwarzaniu albumin AmA1. Natomiast zastosowanie ∆-6 desaturazy z grzyba Mortierella pozwoliło na produkcję kwasów ω-3 w rzepaku.

Poprzez modyfikacje genetyczne można także wpływać na dojrzewanie – opracowano pomidory, w których wprowadzenie dodatkowego genu hamuje enzym poligalaktoureazę powodując spowolnienie dojrzewania i wydłużenie trwałości owoców czy wygląd – przy użyciu galaktozylotransferazy cyklodekstryny z bakterii uatrakcyjniono wygląd ziemniaków.

Obecnie oczekuje na pozwolenie na uprawę oraz wprowadzenie do obrotu ziemniak odporny na owady dzięki wprowadzeniu genów blb1 i blb2 pochodzących z dzikiego ziemniaka Solanum bulbocastanum.

W fazie zaawansowanych badań [8] rolniczych jest także „Złoty Ryż” - jest to ryż z wbudowanym genem odpowiadającym za ekspresję β-karotenu. W ostatnich latach naukowcy opracowali także super banany z podwyższonym poziomem ekspresji  β-karotenu. 

Natomiast dzięki zastosowaniu genu grzyba C-5 desaturazy sterolowej (FvC5SD) uzyskano pomidory ze zwiększoną zawartością żelaza, wielonienasyconych kwasów tłuszczowych oraz odpornością na suszę i fitopatogeny.

Genetycznie modyfikowana żywność to nie tylko nowe geny - jesteśmy także wstanie wpłynąć na wyciszenie genów niepożądanych [8] przy pomocy interferencyjnego RNA (RNAi) np. odpowiadających za reakcje alergiczne czy niekorzystne metabolity w roślinach. Przykładem może być tutaj eliminacja alergenu z orzechów arachidowych.

W ostatnich latach powstało wiele badań dotyczących modyfikacji ekspresji genów w warunkach stresowych, aby uodpornić rośliny na niekorzystne warunki atmosferyczne np. uzyskano ryż wzrastający m.in. w warunkach suszy.

Poza modyfikacjami roślin, możliwa jest także modyfikacja zwierząt m.in. ryb z większa produkcją hormonu wzrostu dzięki, któremu ryby np. łosoś szybciej dorasta (1,5 roku zamiast 3 lat) oraz osiąga większą masę. 

Podejmowane są także próby wytworzenia mleka krowiego o obniżonej zawartości laktozy.

Na etapie badań jest także zastosowanie jadalnych części roślin jako szczepionek doustnych przeciw bakteryjnych i wirusowych – jest to możliwe dzięki ekspresji wybranych antygenów w roślinach, które po zjedzeniu stymulowałyby układ immunologiczny do produkcji odpowiednich przeciwciał np. przeciw toksynie E. Coli, bakterii Helicobacter pylori, wirusowi wścieklizny czy wirusowi zapalenia wątroby typu B.

Obecnie na rynku nie ma dopuszczonej do sprzedaży żywności pochodzenia zwierzęcego, chociaż jak wyżej wspomniano opracowano łososia zmodyfikowanego genetycznie, który ma szansę stać się pierwszym zwierzęciem transgenicznym dopuszczonym do spożycia. Inaczej sprawa wygląda na rynku roślinnym ponieważ prowadzone są uprawy transgenicznych roślin.

W pierwszej kolejności należy wspomnieć o sukcesie zmodyfikowanej genetycznie Papai [6,7] - dzięki inżynierii genetycznej w latach 90-tych opracowano odmianę odporną na wirusa pierścieniowej plamistości, co uchroniło przed bankructwem Hawaje – głównego eksportera. Dokonano tego poprzez dostarczenie do komórki roślinnej fragmentu genu kodującego białko płaszcza wirusa – skutkiem tego było wytworzenie odporności. Do dzisiaj - jak podają dane - większość upraw papai należy do gatunku zmodyfikowanego genetycznie.

Poza tym także znaczna ilość roślin oleistych jak rzepaku, kukurydzy czy bawełny, a także buraków cukrowych produkowanych w USA jest modyfikowana genetycznie. Modyfikacje głównie dotyczą oporności na herbicydy. Jednak olej i cukier produkowane ze wspomnianych roślin nie zawierają DNA czy białka genetycznie zmodyfikowanego ponieważ są dobrze oczyszczane w procesie produkcji.

Przez pewien okres były wprowadzone do obrotu także inne rośliny zmodyfikowane genetycznie jak np. ziemniaki chronione przed stonką ziemniaczaną dzięki wprowadzeniu genu pochodzącego z Bacillus thuringiensis.

Negatywne skutki GMF

Poza trudnością u osób spoza branży biotechnologicznej w zrozumieniu stosowanych technik biologicznych oraz zasadami etycznymi istnieją trzy główne zagrożenia związane z GMF: toksyczność, działanie alergiczne oraz zagrożenia genetyczne [2].

Pierwszym przykładem działania uczulającego może być kukurydza „Starlink”. W celu uodpornienia na niektóre owady do wspomnianej kukurydzy wprowadzono gen z Bacillus thuringinesis kodujący białko o właściwościach owadobójczych – Cry9c. Niestety w związku z tą modyfikacją zaobserwowano reakcje alergiczne po spożyciu zmodyfikowanej kukurydzy.

Kolejnym przykładem jest soja o większej zawartości aminokwasu metioniny dzięki zastosowaniu genu wyizolowanego z orzechów brazylijskich. W tym przypadku zaobserwowano reakcje alergiczne u osób które były uczulone na te orzechy.

Zmodyfikowany gen może również brać udział w innym szlaku metabolicznym w zmodyfikowanym organizmie niż naturalnie, prowadząc do wytworzenia toksycznych metabolitów w innej gałęzi metabolizmu komórki. Ponadto wprowadzony gen może wyciszyć lub zmienić aktywność genów endogennych powodując trudne do przewidzenia konsekwencje metaboliczne.

Inną kwestią, na którą trzeba zwrócić uwagę jest wpływ chwasto- i owado-odpornych roślin na środowisko, możliwy wpływ na wytworzenie mechanizmów oporności wśród szkodników, a także modyfikacja łańcucha pokarmowego poprzez zaburzenie jednego z ogniw.

Ostatnim problemem, o którym warto wspomnieć jest możliwość szerzenia się antybiotykooporności, ponieważ w technikach biotechnologicznych najczęściej używa się genu oporności na antybiotyk jako markera selekcji w celu odróżnienia bakterii pozytywnie transformowanych od tych, które nie przyjęły plazmidu.

Podsumowując opisywane powyżej informacje można dojść do wniosku, że żywność modyfikowana genetycznie otwiera przed nami wiele możliwości, dzięki którym jesteśmy wstanie zmniejszyć liczbę osób niedożywionych jednocześnie zaspokajając niedobory ważnych witamin i mikroelementów. Jednocześnie stosując metody inżynierii genetycznej niestety wiele ryzykujemy, ponieważ nie jesteśmy wstanie przewidzieć dalszych skutków i wpływu na środowisko naszych działań. Musimy zatem pamiętać, że przysłowiowy „kij ma dwa końce” i trzeba prowadzić bardzo dokładne badania nad bezpieczeństwem wszystkich modyfikacji genetycznych zarówno roślin, jak i zwierząt przed wprowadzeniem na rynek.

Łukasz Głowacki