Развитие пищевой биотехнологии

Устойчивость к вирусам. Устойчивость к вирусам может обладать исключительной важностью для повышения сельскохозяйственной продуктивности (Thompson, 2003). В настоящее время в различных странах мира проводят полевые испытания устойчивых к вирусам сортов батата (SPFMV, sweet potato feathery mottle virus), кукурузы (MSV, maize streak virus) и африканской маниоки (мозаичный вирус). Возможно, эти культуры будут коммерциализованы в течение ближайших 3-5 лет. Из-за сложности генома пшеницы, работа над созданием сортов, устойчивых к вирусу желтой карликовости ячменя (barley yellow-dwarf virus), продвигается очень медленно и до сих пор находится на стадии лабораторных экспериментов. Разработан также устойчивый к нематодам (корневым червям) ГМ картофель.

2.1.3.2 Измененные питательные свойства и состав ГМ продуктов. 
Рис, обогащенный витамином А.

Наиболее известным  примером ГМ культуры, обладающей улучшенными  питательными качествами, является рис, содержащий высокий уровень бета-каротина – предшественника витамина А (так  называемый «золотой рис») (Potrykus, 2000). Витамин  А повышает устойчивость организма к заболеваниям, предотвращает развитие нарушений зрения и слепоты, а также способствует росту и развитию организма. Дефицит витамина А (WHO/UNICEF 1995) – это проблема общественного здравоохранения, являющаяся причиной развития тяжелых заболеваний и детской смертности. Для борьбы с дефицитом витамина А предлагалось несколько стратегий, в том числе изменение рациона (например, обогащение продуктов питания) и использование таблетированных добавок (WHO 2000c). В контексте улучшения обеспечения населения витамином А пользу обогащенного витамином А риса обсуждали в рамках различных форумов, в том числе электронных форумов, проведенных в 2000 году под руководством Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (FAO) (FAO 2000).

Обогащенные витамином А сорта риса и кукурузы разрабатывают для последующего внедрения в сельское хозяйство развивающихся стран. Целью ведущихся в настоящее время работ является обеспечение эффективного усваивания содержащегося в рисе витамина А в кишечнике человека. Если эта задача будет достигнута, употребление 300 г трансгенного риса будет покрывать значительную долю ежедневной потребности организма человека в витамине А.

Рис с высоким содержанием железа. Дефицит железа повсеместно распространен в регионах, в которых основу ежедневного рациона населения составляет рис (WHO 2000a). Это обусловлено крайне низким содержанием в рисе железа. Зерно трансгенного риса, в состав которого входит богатый железом белок сои ферритин, содержит в два раза больше железа, чем зерно обычных сортов (Gura, 1999). Такой рис трансформирован с помощью трех генов, повышающих содержание железа в зернах риса и улучшающих его абсорбцию в пищеварительном тракте (Lucca et al., 2002).

Улучшение белкового состава. Ученые также работают над методами улучшения белкового состава являющихся основными пищевыми продуктами овощей, таких как маниока, овощной банан и картофель (PIFB 2001). Согласно результатам парниковых испытаний, клубни модифицированных культур содержат на 35-40% больше белков и повышенное количество незаменимых аминокислот.

Удаление аллергенов и антинутриентов. Обычно корни маниоки содержат большое количество цианида. Их использование в качестве основного пищевого продукта в тропической Африке привело к повышению уровня цианида в крови населения до токсических значений. Применение методов современной биотехнологии для снижения содержания этого токсичного соединения в корнях маниоки позволит уменьшить время их приготовления. Введение в геном картофеля гена инвертазы дрожжей снижает естественный уровень токсичных гликоалкалоидов (Buchanan et al., 1997).

Снижение содержания аллергенного белка в зернах риса возможно путем модификации механизма  его биосинтеза (PIFB 2001). Эксперименты не выявили аллергенности такого модифицированного риса для человека. Ведется также работа по снижению аллергенности пшеницы (Buchanan et al., 1997). Подход заключается во внедрении в геном пшеницы гена, ответственного за биосинтез тиоредоксина, расщепляющего дисульфидные связи аллергенного белка и не влияющего при этом на функциональность остальных белков растения.

Изменение содержания крахмала и соотношения жирных кислот. В рамках одного из направлений работы по созданию полезных для здоровья продуктов питания предпринимаются попытки создания картофеля с повышенным содержанием крахмала, что уменьшает количество жира, абсорбируемого картофелем при жарке (PIFB 2001). Для создания менее вредных жиров специалисты изменяют соотношение жирных кислот сои и канолы в сторону снижения уровня насыщенных жирных кислот. Целью исследований и разработки на современном этапе является создание улучшенных соевого, рапсового и пальмового масел (PIFB 2001). Две таких культуры получили официальное одобрение для выращивания и использования при производстве пищевых и кормовых продуктов в США. Это соя с высоким содержанием олеиновой кислоты и масличный рапс с высоким содержанием лауриновой кислоты (Agbios, 2005). Соя с высоким содержанием олеиновой кислоты также разрешена для использования в пищу в Австралии и Канаде. Исследования и разработка в направлении создания масел с улучшенной питательной ценностью находятся на ранних этапах.

Повышенное содержание антиоксидантов. Разработаны методы повышения содержания ликопена и лютеина в плодах томатов, а также изофлавоноидов в бобах сои (WHO 2000c). Эти фитонутриенты способствуют улучшению состояния здоровья и профилактике заболеваний. Исследования в этой области находятся на относительно раннем этапе, что обусловлено недостаточной изученностью фитонутриентов, а также тем, что не все фитонутриенты полезны для здоровья человека.

Экологические стрессы. Обеспечение толерантности к экологическим стрессорным факторам с помощью генетических модификаций является областью, в которой исследования и разработки находятся на ранних этапах (PIFB 2001). Активно изучаются устойчивость растений к повышенной засоленности почвы и засухе. Согласно оценкам специалистов, повышенная засоленность почвы характерна для 20% всех сельскохозяйственных угодий и для 40% всех орошаемых земель в мире. Устойчивость к засоленности и засухам обеспечивается множеством генов, сложным образом взаимодействующих между собой. Такая полифакторная природа обусловила крайне низкую эффективность традиционных методов селекции при создании устойчивых к засоленности почвы и засухе сортов. Устойчивости к засоленности можно добиться посредством встраивания в геном чувствительной культуры нескольких генов, обеспечивающих соответствующий механизм, используемый устойчивой культурой. На настоящий момент реальный период времени, необходимый для коммерциализации таких ГМ культур, оценить невозможно.

Разработка сортов ряда культур, в том числе папайи, табака, риса и кукурузы, толерантных  к алюминию, являющемуся ограничивающим рост фактором кислых почв, находится  на ранних этапах, однако их официального одобрения для коммерческого культивирования можно ожидать в течение нескольких лет.

Предпринимаются также попытки улучшения системы  фотосинтеза с помощью генетического  модифицирования. Такие культуры, как  кукуруза и сахарный тростник, более  эффективно конвертируют энергию солнца в энергию химических связей молекул углеводов, чем широколиственные сельскохозяйственные культуры. Урожайность культуры можно повысить на 10% путем внедрения в ее геном генов другой культуры, обеспечивающих высокую эффективность фотосинтеза. Период времени, необходимый для коммерциализации таких ГМ культур, тоже неизвестен.

Признак мужской  стерильности используют для создания полностью гибридного посевного  материала с целью избежать распространения  ГМ культур в природной среде (в результате так называемого дрейфа генов). Ряд сортов кукурузы, характеризующихся мужской стерильностью, получил официальное одобрение в США. Кроме того, обладающие этим признаком сорта масличного рапса и канолы получили официальное одобрение на выращивание и использование в качестве пищевых продуктов в странах ЕС, Канаде и США. Еще одной стратегией, направленной на предотвращение дрейфа генов между растениями, является генетическое модифицирование, обеспечивающее вегетативное (не требующее опыления) формирование семян сельскохозяйственных культур. Эксперименты показали, что ни одна из упомянутых стратегий не является универсальной и, возможно, наиболее эффективным методом является комбинация подходов.

2.2 Домашний скот и рыба

В рамках производства продуктов питания применение современной биотехнологии в животноводстве укладываются в два основных направления: выращивание животных и питание человека. Большинство из обсуждаемых ниже областей применения на сегодняшний день находятся на ранних этапах исследований и разработки.

2.2.1 Рыба

С учетом предполагаемого  повышения потребности в рыбопродуктах  ГМ рыба может приобрести большое  значение как продукт питания  в развитых и развивающихся странах. Наиболее вероятно, что первым ГМ животным на продовольственном рынке станет быстрорастущая семга (Salmo salar), в геном которой встроен ген гормона роста чавычи (Oncorhynchus tschawytscha) (FAO/WHO 2003a). Такая семга растет в 3-4 раза быстрее нетрансгенных аналогов, что уменьшает время выращивания и повышает доступность пищевого продукта. Еще, по крайней мере, 8 искусственно выращиваемых видов рыбы генетически модифицированы с целью ускорения роста. Ген гормона роста в порядке опыта встроили в геномы таких рыб, как белый амур, радужная форель, тиляпия и сом (PIFB 2003; PIFB/FDA 2003). Во всех случаях трансгены выделяли из геномов рыб других видов.

Для решения  некоторых проблем аквакультуры ученые предпринимают попытки повысить устойчивость рыб к заболеваниям, например, путем встраивания в  геном семги фрагмента ДНК, кодирующего  лизоцим радужной форели. Лизоцим обладает антибактериальными свойствами и эффективен по отношению к многим возбудителям заболеваний рыб. Ведется также работа по внедрению гена еще одного антибактериального белка (секропина тутового шелкопряда) в геном сома (Dunham et al., 2002). Это может повысить устойчивость рыбы к заболеваниям, в том числе к кишечной септицемии (enteric septicaemia).

Выращивание хищных рыб, таких как форель и лосось, привело к чрезмерному промыслу песчанки и мойвы. Для решения  этой проблемы ученые изучают возможность изменения метаболизма хищных рыб путем улучшения усвоения углеводов и увеличения доли растительной пищи в рационе.

Чувствительность  к холоду тепловодных рыб, таких  как карп и тиляпия, может приводить  к значительным потерям в зимнее время. Предлагаемое направление работы в этой области заключается в изменении молекулярной конформации липидов с целью повышения текучести клеточных мембран. Для расширения географической зоны, пригодной для выращивания рыбы, ген, кодирующий белок-«антифриз», переносится из генома рыб одного вида в геном рыб другого вида. Несмотря на то, что уже выведено несколько сортов морозоустойчивой семги, секретируемый такими рыбами уровень белка-«антифриза» значительно не изменяет температуру замерзания их крови (Fletcher et al., 2002). 
Проблемы, касающиеся выявления опасности и оценки риска, которые могут ассоциироваться с выращиванием ГМ рыбы, до сих пор обсуждаются (FAO/WHO 2003a). Одним из таких аспектов является выращивание стерильных особей с целью минимизации экологического риска при попадании ГМ рыб в природные популяции.

2.2.2 Домашний скот и птица

Продукты питания, получаемые из ГМ скота и птицы, еще  очень далеки от коммерческого использования. В геном свиней удалось встроить несколько ускоряющих рост генов, которые  также оказывают влияние на качество мяса, делая его более постным и нежным (FAO/WHO 2003a). Эта работа начата более 10 лет назад, однако в силу определенных морфологических и физиологических изменений, наблюдавшихся у животных, технологии не были коммерциализованы.

Предложено также  большое количество модификаций  молока, заключающихся в добавлении новых белков, либо в манипуляциях над эндогенными протеинами (PIFB 2002b). Недавно ученые из Новой Зеландии создали коров с повышенным содержанием  в молоке казеина. Использование такого молока должно повысить продуктивность сыроваренного производства. Еще несколько групп исследователей работают над снижением содержания в молоке лактозы. Конечной целью является создание молока, пригодного для употребления в пищу людьми с лактозной непереносимостью.

К другим областям применения генетического модифицирования  в животноводстве, находящимся на ранних стадиях исследований и разработки, относятся повышение устойчивости к заболеваниям, повышение рождаемости  у овец, повышение яйценоскости птиц за счет создания двух активных яичников и улучшение переработки кормов «экосвиньями» («enviropig») (свиньями, выделяющими в окружающую среду меньшее количество токсичных соединений фосфора). На настоящий момент большинство этих направлений находятся на стадии теоретических разработок и, соответственно, временные рамки их коммерческого внедрения прогнозировать невозможно.

2.3 Микроорганизмы

2.3.1 Микроорганизмы в качестве продуктов питания

В настоящее  время на рынке НЕТ коммерческих продуктов, содержащих живые генетически модифицированные микроорганизмы. В 1993 году в Великобритании ГМ дрожжи получили официальное одобрение для использования в пивоваренной промышленности, однако попытки коммерциализовать продукт не предпринимались (NCBE 2005). К другим микроорганизмам, использующимся для производства продуктов питания (находящимся на стадии исследований и разработки), относятся сбраживающие культуры (для хлебопечения и пивоварения) и молочнокислые бактерии, применяемые при производстве сыра. Целью исследований и разработки также является минимизация инфицирования патогенными микроорганизмами и повышение питательной ценности и вкусовых качеств конечного продукта.