(Nie)dobre GMO

Wprowadzanie nowoczesnych technik inżynierii genetycznej do rolnictwa, które bazuje na metodach stosowanych od tysięcy lat, budzi niepokój. Przeciwnicy genetycznego modyfikowania organizmów (GMO) obawiają się, że takie uprawy mają zły wpływ na środowisko i są dla człowieka po prostu niezdrowe. Jednak w XXI w. stoimy u progu nowych wyzwań. Europa w ubiegłym roku zmagała się z kolejnym najgorętszym latem w historii, a światowa populacja rośnie corocznie o 80 mln ludzi. Wiele wskazuje na to, że także 2020 r. będzie należeć do wyjątkowo suchych i ciepłych. Nie jesteśmy w stanie naprawić zmieniającego się klimatu. Skutkiem tych zmian będzie przebudowa lasów w Polsce, niektóre gatunki drzew znikną z leśnego krajobrazu, a wraz z nimi inne gatunki roślin, grzybów i zwierząt. Ogromne powierzchnie lasów są zamieniane obecnie na grunty orne. Jeśli nie usprawnimy i nie dostosujemy rolnictwa do zmieniających się warunków, czekają nas drastyczne podwyżki cen żywności. Czy nasze portfele są na to gotowe? Czy jesteśmy mentalnie pogodzeni z tym, że ludzie w naszej szerokości geograficznej zaczną umierać z głodu? A może powinniśmy otworzyć się na nowe technologie, które mogą pomóc w dostosowaniu rolnictwa do gwałtownie zmieniających się warunków?

Modyfikacje chemiczne

Za wszelkiego rodzaju cechy każdej żywej istoty odpowiedzialne są fragmenty DNA, zwane genami. Różne warianty tych samych genów to allele. Zmiany w genach niekoniecznie są złe i zdarzają się w naturze bez przerwy, napędzając ewolucję. Mogą np. wpływać pozytywnie na adaptację do danych warunków, dając przewagę osobnikom, które je posiadają. Trzeba też pamiętać, że to, co ląduje na naszych talerzach teraz, nie jest dokładnie takie samo jak setki czy tysiące lat temu.

Uprawa roślin już od początku rolnictwa obejmowała ich modyfikacje genetyczne. Polegały one na selekcji i krzyżowaniu odmian o pożądanych przez człowieka cechach. Najbardziej obrazowym przykładem będzie pomidor. Hodowcy prześwieca cel: uzyskać taką odmianę, której owoc będzie dorodny, kształtny i przede wszystkim trwały. Żeby to osiągnąć, skrzyżuje roślinę wydającą piękne i czerwone, ale nietrwałe owoce z inną odmianą, która odznacza się wolniejszym dojrzewaniem. W wyniku takiego działania może powstać odmiana mieszańcowa, łącząca najlepsze cechy obu roślin rodzicielskich. Hybrydowy owoc jest piękny, czerwony i w dodatku trwały. Takie podejście opiera się jednak na losowości i prowadzi do ograniczenia zróżnicowania genetycznego. Przy okazji wspierania jakiejś cechy powoli wypierane są inne i nasz pomidor jest, owszem, ładny, ale pozbawiony np. zapachu i smaku.

To rozwiązanie podsunęła nam sama natura. Co chwilę rośliny krzyżują się i powstają nowe odmiany lub gatunki. A takimi naturalnymi mieszańcami są dobrze znane gatunki pszenicy, jak orkisz czy płaskurka, które ok. 9 tys. lat p.n.e. udomowiono na Bliskim Wschodzie. Podobnie zresztą powstała kukurydza. Prowadząc selekcję przez całe pokolenia, plemiona zamieszkujące dolinę rzeki Balsas w Meksyku ok. 10 tys. lat temu tak wpłynęły na genom trawy teosinte, że po udomowieniu zyskała kolbę mniej więcej taką, jaką znamy dzisiaj.

Przez większą część historii ludzkości modyfikacje te były dokonywane metodą prób i błędów. Hodowcy roślin, aby zoptymalizować uprawy, potrzebowali wielu lat (a nawet pokoleń) na krzyżowanie i selekcję. W XX w. wprowadzono nowe metody modyfikacji, znacznie przyspieszające cały proces. Zmiany w DNA zaczęto wprowadzać za pomocą odczynników chemicznych, takich jak azydek sodu, niektóre kwasy (np. azotawy), benzopiren (obecny w dymie papierosowym), lub promieniowania, np. jonizującego czy ultrafioletowego. Czynniki wpływające na modyfikacje w materiale genetycznym to tzw. mutageny, a sam proces to mutageneza losowa. Większość obecnie stosowanych odmian uprawnych powstała właśnie poprzez traktowanie roślin mutagenami, wywołującymi zmiany, na które nie mamy wpływu. Co ciekawe, takie odmiany uznawane są za konwencjonalne i nie określa się ich mianem GMO.

Lobbing z wygodnych biur

W latach 50. ub.w. uhonorowany Nagrodą Nobla Norman Borlaug wyhodował pszenicę półkarłową. Była tak wydajna, że dla Indii stała się sposobem na wyżywienie eksplodującej populacji, a świat doświadczył tzw. zielonej rewolucji. Borlaug i jego zespół podczas badań wykonali 6 tys. krzyżówek! Mieszali różne odmiany. Jedne były karłowe, inne odporne na czynniki środowiskowe. W rezultacie powstały gatunki pszenicy nadające się do uprawy właściwie w każdym zakątku świata i w każdych warunkach, od Meksyku po Pakistan. Główny cel przyświecający Borlaugowi to zwiększenie plonów przy jednoczesnym zachowaniu terenów leśnych. Mimo to jego działania miały wielu przeciwników. Jedni uważali metody krzyżowania za nienaturalne, inni krytykowali za propagowanie rolnictwa monokulturowego, które wymagało wysokich nakładów w postaci środków ochrony roślin i ciężkiego sprzętu. Sam Borlaug miał świadomość wad takich upraw, był jednak przekonany o słuszności wprowadzanych zmian. Jego zdaniem w tamtym czasie nie było lepszych rozwiązań. Natomiast o lobbystach ekologicznych sprzeciwiających się poprawie plonów mówił tak: „Niektórzy lobbyści ekologiczni narodów zachodnich są solą tej ziemi, wielu z nich należy do elit. Nigdy nie doświadczyli fizycznego głodu. Prowadzą lobbing z wygodnych biur w Waszyngtonie lub Brukseli. Gdyby żyli zaledwie miesiąc wśród nędzy rozwijającego się świata, wołaliby o traktory, nawozy i rowy melioracyjne, byliby oburzeni, że modne elity próbują im odmówić tych rzeczy”.

Natura na dopalaczach

Techniki zielonej rewolucji szeroko rozprzestrzeniły się w rozwijającym się świecie, który czekał na kolejne innowacje w rolnictwie. W 1994 r. gigant agrobiznesu Monsanto zaoferował częściową odpowiedź, wprowadzając soję i kukurydzę Roundup Ready. To były pierwsze komercyjnie dostępne rośliny uprawne powstałe dzięki inżynierii genetycznej, określane mianem GMO. Otrzymały gen oporności na glifosat (substancję czynną środka chwastobójczego Roundup) od innego gatunku. Tego typu modyfikacje powstają poprzez wykorzystanie wektorów wirusowych lub bakteryjnych. Wektory to nośniki informacji genetycznej, która nas interesuje. Infekując komórki roślinne, potrafią przyłączyć fragment DNA do genomu rośliny. Wadą tego procesu jest niska specyficzność – naukowcy nie mają pewności, gdzie w genomie przyłączy się pożądana sekwencja. Chociaż metody te dają większą kontrolę nad modyfikacjami niż losowa mutageneza wspomniana wcześniej, trudno przewidzieć, czy nie zajdą dodatkowe niepożądane zmiany, które zakłócą funkcjonowanie innych genów. Mimo licznych obaw prawie 30 lat później rolnicy wciąż chętnie korzystają ze wspomnianych odmian, ponieważ mogą ich używać w połączeniu z herbicydem, który zabija chwasty konkurujące z uprawami o dostęp do światła słonecznego, wody i składników odżywczych.

Odmiany te stały się negatywnymi bohaterami inżynierii genetycznej nie tylko ze względu na wykorzystaną technologię. Głównym argumentem sceptyków wobec GMO przeciwko tego typu uprawom stało się użycie herbicydu, który, mówiąc kolokwialnie, zabija wszystko oprócz uprawy. We wrześniu 2012 r. na łamach „Food and Chemical Toxicology” ukazał się artykuł przedstawiający dwuletnie badanie żywieniowe na szczurach karmionych paszą GMO i wodą z dodatkiem glifosatu, które miało dowodzić działania rakotwórczego Roundupu. Było jednak obarczone wieloma błędami metodologicznymi. Po pierwsze: użyto zbyt mało szczurów, aby uzyskać statystycznie użyteczne dane, tym bardziej że zastosowany szczep szczurów – Sprague Dawley – rozwija nowotwory w szybkim tempie bez względu na podawaną karmę. Po drugie: grupa kontrolna zamiast zwykłego, dobrze zbilansowanego pokarmu laboratoryjnego otrzymywała paszę z dodatkiem konwencjonalnej kukurydzy. Z danych w publikacji nie wynika, czy wszystkie żywieniowe potrzeby szczurów zarówno w grupie badanej, jak i kontrolnej były zaspokojone. Trudno więc wyciągać wnioski na temat przyczyn powstania zaobserwowanych w badaniu nowotworów, które pojawiły się zarówno w grupach żywionych roślinami GMO i traktowanych Roundupem, jak i w kontrolnej.

Mimo wszelkich wad to badanie pozostaje jednym z głównych argumentów przeciwników GMO. Obecnie Europejska Agencja Chemikaliów podtrzymuje, że glifosat jest niebezpieczny dla organizmów wodnych i działa drażniąco na oczy. Jednocześnie stan wiedzy oparty na badaniach naukowych nie pozwala sklasyfikować tego środka jako substancji rakotwórczej czy zagrażającej reprodukcji. W 2016 r. komisja Organizacji Narodów Zjednoczonych ds. Wyżywienia i Rolnictwa oraz WHO uznały, że glifosat jest bezpieczny dla ssaków, w tym dla ludzi, w dawkach mniejszych niż 2 g/kg masy ciała. Abstrahując od szkodliwości tej substancji, trzeba przyznać, że jej wykorzystanie w uprawach GMO mocno odstaje od pierwotnej idei obecności biotechnologii w rolnictwie. Głównym celem modyfikacji miało być zmniejszenie, a docelowo eliminacja użycia środków ochrony roślin wykorzystywanych podczas uprawy. To przecież nie biotechnologia jest zła, tylko ludzie, którzy wykorzystują ją do swoich celów.

Nie można patrzeć na technologie jedynie przez pryzmat czarnych owiec i negatywnych przykładów. Niektóre rośliny GMO zostały zaprojektowane tak, aby zawierały dodatkowe witaminy czy minerały i wywierały inne korzyści zdrowotne. Na przykład szwajcarscy naukowcy stworzyli odmianę tzw. złotego ryżu z dużą ilością b-karotenu (prowitamina A), przeciwutleniacza wspierającego dobry wzrok i poprawiającego kondycję skóry. Odmiana powstała z myślą o niedożywionej ludności krajów rozwijających się, w których dzieci zapadają na ślepotę zmierzchową z uwagi na niedobory witaminy A. Z kolei podczas smażenia ziemniaków z odmiany Innate powstaje istotnie mniej szkodliwego akrylamidu. Popularne i uwielbiane na całym świecie frytki mogłyby być zdrowsze. To nie wszystko. Ta odmiana nie czernieje, a jej uprawy mogłyby korzystnie wpłynąć na środowisko poprzez ograniczenie marnowania żywności już na polu. Ziemniak Innate miał być wykorzystywany do robienia frytek przez popularną sieć fast foodów w USA. Czarny PR organizacji będących przeciwnikami GMO sprawił jednak, że sieć wycofała się z tych planów i dalej serwuje konwencjonalne frytki z dużą ilością toksycznego akrylamidu. Co ciekawe, Innate nie jest rośliną transgeniczną, nie zawiera żadnych genów pochodzących od obcych gatunków. Twórcy wykorzystali dodatkowe kopie genów naturalnie występujących w ziemniaku.

Nowe perspektywy

Rolnictwo teraz bardziej niż kiedykolwiek potrzebuje nowego bodźca, aby zwiększyć plony, ale opór społeczeństwa wobec dalszego wdrażania GMO rośnie. Tymczasem tzw. konwencjonalnemu rolnictwu może nie udać się nadążyć za gwałtownie zachodzącymi zmianami klimatu. Nie mamy czasu na prowadzenie setek, a nawet tysięcy krzyżówek, które być może dadzą nam zboża o zwiększonej odporności na brak wody i wysokie temperatury przy zachowaniu właściwości odżywczych. Potrzebujemy ich już teraz.

Początek XXI w. to rewolucja pod względem modyfikacji genetycznych. Wejście w precyzyjną edycję genów to całkowicie nowe podejście do hodowli roślin, które radykalnie różni się od tego, co dotychczas znaliśmy jako GMO. Czterdzieści lat temu naukowcy uciekali się do wstawiania obcego materiału genetycznego, ponieważ pod koniec XX w. nikt nie wiedział, jak precyzyjnie zmienić geny związane z określoną cechą lub jak wpłynąć na ich ekspresję. Innymi słowy, technologia transgeniczna była pewnym okresem przejściowym, który wiele nas nauczył pod kątem naukowym i społecznym. Od tego czasu obraz dramatycznie się zmienił: genetycy nie tylko dokładniej zrozumieli interakcje genetyczne w roślinach, ale także opracowali nowe rewolucyjne narzędzia. Można je określić mianem nożyc genetycznych albo metodą kopiuj/wklej, która potrafi rozpoznać konkretne miejsce w DNA, wyciąć je i zastąpić pożądaną sekwencją.

Ogromne nadzieje na przyszłość przyniósł naturalny mechanizm obronny organizmów prokariotycznych (bakterii i archeonów) przed obcymi elementami genetycznymi (np. wirusami czy plazmidami), zwany CRISPR (patrz ramka). System ten wykorzystuje fakt, że w genomie przechowywane są fragmenty „obcego” DNA, pozyskiwanego np. w trakcie infekcji wirusowej. Bakteria taki fragment DNA przetrzymuje we własnym materiale genetycznym, żeby móc w przyszłości wykryć sekwencję wroga i szybko ją zniszczyć. W biotechnologii CRISPR służy do celowego modyfikowania genomu (edycja genów) w precyzyjnie wybranych miejscach. Koszt? Jedyne 30 dol. To absolutna rewolucja, która wypiera inne, mniej precyzyjne metody modyfikacji genetycznych, budzące dziś wiele kontrowersji. Jeszcze nigdy nie potrafiliśmy tak dokładnie i tanio dokonywać zmian. Zwykle zachodziły one przypadkowo i przy okazji nie było pewności, czy nie pojawiły się jeszcze jakieś niepożądane mutacje. CRISPR daje nam o wiele większą kontrolę dzięki temu, że rozpoznaje specyficzne miejsca w genomie. Znacznie nas przybliża do 100% specyficzności zmian, których dokonujemy.

Przytłaczająca większość badań naukowych mówi, że żywność GMO nie szkodzi naszemu zdrowiu. Jednak w historii pojawiły się już uzasadnione obawy, że może powodować np. alergie. W latach 90. XX w. modyfikowana soja otrzymała białko od brazylijskiego orzecha, które miało podnieść jej wartość odżywczą. Okazało się, że jest to jeden z najsilniejszych alergenów pokarmowych. Ta soja nigdy nie została wprowadzona na rynek, a sam przykład pozostawia miejsce na dalsze badania. Do naukowców należy zadanie, żeby poprzez dobrze zaprojektowane badania, przeprowadzone w bezstronnych warunkach akademickich, wolne od wpływów polityków i grup interesów, docierać do ludzi i ich edukować. Natomiast rolą państw i ich rządów jest czuwanie nad bezpieczeństwem żywności, zarówno tej konwencjonalnej, jak i GMO.

dr Hanna Kijak
Instytut Dendrologii PAN w Kórniku

***

Czy żywność GMO zmienia nasze DNA?

Niektórzy obawiają się, że jedząc genetycznie zmodyfikowaną żywność, sami zostaną zmodyfikowani. Tymczasem wszystko, co jemy, dostarcza nam obcego DNA, które bez problemu trawimy. Zarówno żywność GMO, jak i nie- GMO w takim samym stopniu nie ma zdolności do modyfikowania DNA naszych komórek.

***

Zmiany w genach

Odpowiadają za nie różne mechanizmy, np. mutacje punktowe (zmiana nukleotydu w jednej pozycji DNA na inny), rekombinacja homologiczna (wymiana materiału genetycznego pomiędzy chromosomami) czy poliploidyzacje (zwielokrotnienie liczby chromosomów).

***

Na czym polega CRISPR?

CRISPR to dwa podstawowe składniki: krótkie odcinki DNA zawierające konkretną informację genetyczną oraz białko Cas, które przecina DNA jak nożyce. Kiedy bakteria zostaje zaatakowana przez intruza, np. bakteriofaga (wirus bakteryjny), Cas przecina jego materiał genetyczny i wkleja jego fragmenty do genomu bakterii. Te krótkie kopie są później przepisywane na RNA, a następnie przechwytywane przez specjalne białko Cas9 i tak powstaje kompleks skanujący obcy materiał genetyczny. Jeśli bakteria zostanie ponownie zainfekowana przez ten sam rodzaj bakteriofaga, kompleks RNA/Cas9 szybko go rozpozna po sekwencji i natychmiast zniszczy jego DNA. To taki układ odpornościowy bakterii. Do zadań biotechnologii naukowcy projektują tzw. gRNA (ang. guide RNA, jego sekwencja pasuje do genu, który chcą edytować), po czym łączą je z białkiem Cas9. Następnie gRNA prowadzi białko Cas9 w miejsce docelowego genu, które molekularne nożyce mają przeciąć. W połączeniu z mechanizmami naprawy DNA w to precyzyjnie wybrane miejsce można „wkleić” dostarczoną sekwencję, kodującą pożądane przez naukowców cechy.

***

Wpływ GMO na środowisko

Istnieją wątpliwości dotyczące wpływu upraw GMO na środowisko. Jedną z nich jest możliwość rozprzestrzenienia się modyfikacji poprzez krzyżowanie roślin GMO z blisko spokrewnionymi odmianami upraw konwencjonalnych lub chwastów. Aby tego uniknąć, UE wprowadziła specjalne regulacje, które wymagają istnienia wokół upraw GMO specjalnych stref buforowych. Rozwiązaniem może okazać się klejstogamia, czyli rodzaj samozapylenia, który zachodzi w zamkniętym pąku kwiatowym. Roślina zapyla sama siebie, a zmodyfikowany pyłek nie wydostaje się do środowiska i go nie zanieczyszcza. Naukowcy już odnieśli sukcesy na tym polu, zamieniając drzewa owocowe zwykle zapylające się krzyżowo na samopylne.