Magyar Tudomány, 2007/04 404. o.

Géntechnológia és gazdasági növényeink



GÉNTECHNOLÓGIA

A NÖVÉNYBIOLÓGIAI KUTATÁSBAN

ÉS A BIOIPARBAN


Dudits Dénes


az MTA rendes tagja, MTE Szegedi Biológiai Központ

dudits brc.hu



Indoklás


Az ellentétektől, harcos szembenállásoktól terhes világunk betegségei nem kímélik a tudományos kutatás birodalmát sem. A tudósi elefántcsonttornyok alapjaikban szenvednek sérüléseket, és fokozatosan átadják helyüket a nagyüzemesített, csúcstechnológiákkal felszerelt tudásgyáraknak, ahol már szellemi termékek termelődnek a piac irányította igények szerint. A növények életének titkait kutatóknak sincs igazán sok választásuk, mint hogy éljenek a modern módszerek kínálta lehetőségekkel, és szolgálják a zöld biotechnológiára épülő biogazdaság fejlődését. Természetesen, amikor a növények hasznosíthatóságának gazdaságosabbá tételét célzó kutatások kerülnek előtérbe, akkor egyúttal jelentősen bővülnek biológiai ismereteink is. Ha az elmúlt húsz-huszonöt év növénybiológiai kutatásainak eredményeit elemezzük, elvitathatatlan következtetés fogalmazódik meg: a rekombináns-DNS-módszerek alkalmazása, a génizolálási és -beépítési kísérletek, illetve legutóbb a funkcionális genomika térhódítása a lényeget érintően változtatták meg szemléletmódunkat, ismereteink tárházát a növények életjelenségeit illetően. Nem kétséges, hogy egy igen izgalmas új világ tárult fel előttünk, amelynek távlatai beláthatatlanok. Minden egyes tudományos felismerés az újabb megválaszolatlan kérdések sokaságát szüli, ezzel nyit utat a további kutatási irányoknak, illetve alapot ad a hasznosítás lehetőségének. Nincs értelme szétválasztani az alap- és alkalmazott kutatást, illetve független szereplőkre bízni az innovációt. Éppen a géntechnológiára épülő kutatások esetében gyakori, hogy rövid úton sor kerül az innovatív ismeretek felhasználására a növénynemesítésben, és az új tulajdonsággal bíró fajták termesztésével gazdasági, környezetvédelmi és egészségügyi célok teljesülnek. A zöld biotechnológia társadalmi, fogyasztói elfogadását nehezíti, hogy a géntechnológiával nemesített (GM) növények és a belőlük származó termékek váratlanul, a fogyasztók felkészítése, tájékoztatása nélkül jelentek meg a mezőgazdasági gyakorlatban, illetve a piacokon. Túl az információhiányon, szervezett ellenkampányok is elbizonytalanították a közvéleményt a GM-növények hasznosságát illetően. Valóban könnyű félrevezetni, megfélemlíteni az embereket olyan kérdésekben, amelyekben a tisztánlátás igényli a legalapvetőbb biológiai ismereteket. Az alábbiakban bemutatásra kerülő koncepciók, kísérletezési megoldások segíthetnek a tájékozódásban az egymásnak ellentmondó információk közepette.


Génsebészettel a növények

csodálatos életének titkai nyomában


A 80-as évek kezdetétől beszélhetünk növényi génsebészetről, amelyet gyakran „genetikai mérnökségnek” (genetic engineering) is neveznek, hiszen tudatosan megtervezett és kivitelezett módon történik az örökítő anyag, a DNS megváltoztatása abból a célból, hogy kedvezőbb tulajdonságokkal rendelkező élő szervezeteket hozzunk létre. Így lényegét tekintve nemesítésről beszélhetünk, bár módszereiben más, a hagyományos nemesítés eszköztárát kiegészítő eljárások révén történik új génkombinációk kialakítása, amelyek az emberi igényeket jobban kielégítő növényeket eredményeznek. A génsebészet jelentőségét és várható hatásait ma még lehetetlen megbecsülni, mégis már most megtapasztalhatjuk a gének világáról alkotott elképzeléseink konkretizálódását. A géneket övező misztikum fokozatosan oszlik, hiszen a géneket jelentő DNS-molekulák izolálhatók, meghatározható a nukleotidok sorrendje, azonosíthatók a főbb funkcionális elemek. Kémcsőben új összetételű molekulák alakíthatók ki, amelyek beépíthetők a különböző élő szervezetek génállományába, és így alakítható a sejtek, szövetek működése, majd a felszínen megjelenő új tulajdonságok végső soron hasznosak lehetnek az iparban és a mezőgazdaságban.

Bár a DNS-izolálás módszerében lehetnek eltérések, a génsebészet alapmetodikája független attól, hogy milyen élő szervezet a vizsgálódás tárgya. A növényekkel végzett géntechnológiai műveletekről részletes leírásokat nyújt a Növényi biotechnológia és géntechnológia című kötet (Dudits – Heszky, 2003). Napjainkban a genomikus DNS-könyvtárak nélkülözhetetlenek a genomszekvenálási programokhoz és a géntérképek alapján végzett génizolálásokhoz. A különböző méretű növénygenomok megismerésének alapvető feltétele, hogy a sejtmagi DNS-t izolálás után darabonként lehessen kezelni, felaprítani és vizsgálni. A növényi genomikus génkönyvtárakat leggyakrabban bakteriális mesterséges kromoszómák (Bacterial Artificial Chromosome – BAC) felhasználásával hozzák létre.

A több száz kilobázispár méretű egyedi BAC-klónok formájában felszaporított növényi DNS-szakaszok megszekvenálásával jó betekintést nyerhetünk a genom felépítését illetően. A nukleotidszekvencia-adatok értékelése alapján a búzagenomnak csak a 2,5 %-a felel meg ismert géneknek, míg 90 %-ra tehető a nem kódoló, ún. ismétlő szekvenciák aránya. Az utóbbiak jelentős mértékben mobil, ún. transzpozonelemekből állnak. Máig megoldatlan rejtély, hogy milyen szerepet tölt be a sok, szekvenciaismétlődésekben gazdag DNS a növényekben. A növényi DNS-darabokat hordozó BAC-klónok nélkülözhetetlenek az agronómiai értékekkel bíró gének azonosításában és izolálásában. A génvadászat sikerének egyik feltétele, hogy minél részletesebb géntérkép álljon rendelkezésre arról a kromoszómarégióról, ahol az izolálandó gén elhelyezkedik. A növények géntérképeit nézve szembetűnő, hogy elsődlegesen molekuláris markereket helyeznek el az egyes kromoszómákon. Különösen értékesek azok a markerek, amelyek agronómiai tulajdonságokhoz kötöttek. Így segítségükkel lényegesen növelhető a szelekciós munka hatékonysága, a genetikai előrehaladás mértéke. A molekuláris markerek elhelyezhetők a BAC-klónokon, és ezzel lehetővé válik a kívánt gének izolálása.

Az aktív gének másolatai a kópia DNS-molekulák (cDNS-ek), melyeket a mRNS-molekulákról a reverse transzkriptáz enzim szintetizál. Bár az élő szervezetek minden egyes sejtjében az örökítő anyag elméletileg azonos DNS-molekulák formájában található meg, mégis sejtenként, szövetenként, szervenként dinamikusan változik a felhasznált genetikai információ, amely irányítja az életfolyamatokhoz szükséges molekulák szintézisét. A hírvivő mRNS-populációk és az azokról készített cDNS-ek hű képet adnak a sejtek aktuális anyagcsere-állapotáról, az éppen aktív gének köréről. A nagyteljesítményű DNS-szekvenátorok megvalósíthatóvá teszik nagyszámú, véletlenszerűen kiválasztott cDNS-klón nukleotidsorrendjének meghatározását. Így génkifejeződési markerek (expressed sequence tags – ESTs) tömege hozható létre az egyes sejtek, szervek működésének jellemzésére. A genomszekvenálási programokban is igen jelentős szerep jut az EST-információknak, hiszen mint molekuláris markerek felhasználhatók a kromoszomális térképezés során. A cDNS-klóntárak készítését ma már cégek által forgalmazott reagenskészletek és lépéseiben optimalizált műveletsorok teszik megbízhatóvá. A legfontosabb növények esetében aligha van olyan szerv vagy fejlődési fázis, amelyből ne készült volna cDNS-bank gének izolálása céljából. A polimeráz láncreakció (polymerase chain reaction – PCR) lehetővé teszi néhány sejtből származó RNS-mintából cDNS-bank készítését.

A működő gének körétől, a róluk szintetizálódó mRNS mennyiségétől függ, hogy milyen fehérjék, enzimek alakítják a sejtek anyagcseréjét, funkcióit. Így a génsebészeti beavatkozások gyakran az mRNS-molekulák számának befolyásolásán keresztül változtatják meg a növények életfolyamatait. A mai ismereteink szerint a gének működése többek között függ a DNS fehérjékbe ágyazódásának mikéntjétől, a kromatin szerkezetétől, a gén kódoló szakaszán kívüli, az ún. promoterrégió nukleotidsorrendjétől, valamint a képződött mRNS-molekulák stabilitásától.

Az idei év orvosi Nobel-díjasai (Andrew Z. Fire és Graig Mello) a legjelentősebb tudományos elismerést a génelhallgattatás jelenségének felfedezéséért kapták. Ez a szabályozási mechanizmus növényekben is működik, és sikeresen használható hasznos, új tulajdonságok kialakítására (Mansoor et al., 2006). A dupla szálú RNS által indukált szekvenciaspecifikus mRNS-feldarabolódás a géntermék hiányához vezethet. A génműködés negatív szabályozásában szerepet kaphatnak az ún. mikro RNS-molekulák, amelyek szintén szelektív mRNS-degradációt okozhatnak.

A gének funkcióvesztése természetesen az örökítőanyagban hirtelen fellépő mutációk következtében is bekövetkezhet. A kémiai mutagének vagy a besugárzás okozta kromoszómatörések, pontmutációk mellett idegen DNS-molekularészek beépülése szintén elronthatja a gént. Ha a beépülés a promoterrégióba történik, akkor elmarad az mRNS szintézise, illetve az integráció hibás mRNS kialakulását eredményezheti. Az ugráló gének, a mobil transzpozonelemek gyakran okolhatók a gének meghibásodásáért, de idegen gének beépítésével mesterségesen is létrehozhatunk mutánsokat, amelyek fontosak a gének szerepének tisztázásában. A génbeépítéssel létrehozott ún. inszerciósmutáns gyűjtemények nagy előnye, hogy az idegen DNS beépítése révén sikeresen azonosítható és izolálható az elrontott gén, és egyben megismerjük a hibás gén által érintett tulajdonságokat is.


A géntechnológiával nemesített (GM) növények születése: genetikai transzformáció


A géntechnológia térhódítása a növénybiológiában és a nemesítésben nagymértékben köszönhető az izolált gének beépítését, a genetikai transzformációt szolgáló módszerek tökéletesedésének. Alig találunk növényfajt, amely ne lenne alkalmas az in vitro létrehozott génkonstrukciókkal végzett transzformációs műveletek számára. A korábban bemutatott génbeépítési módszerek (Dudits, 2003) az évek során hatékonyabbá váltak, de sokkal inkább meghatározó tényező, hogy a felhasznált gének köre, illetve az alkalmazott stratégiák száma bővült jelentősen. A fejlődés mind a kutatás és fejlesztés, mind a GM-növények termesztése területén statisztikai adatokkal dokumentálható. Az 1. ábra Philippe Vain (2006) nyomán bemutatja a transzgénikus növényekkel foglalkozó tudományos és technológiai közlemények gazdasági zónánként összesített számát. Látható, hogy az elmúlt harminc évben igen komoly szellemi és gazdasági erők fordítódtak a transzformációs technológiák tökéletesítésére, a transzformáns növények alap- és alkalmazott kutatásban történő felhasználására és a GM-növények vizsgálatára. Különösen elgondolkodtató a nyugat-európai országok vezető szerepe a publikálásban és így a kutatásban, amikor ismert, hogy a GM-növények termesztése sokkal kevésbé jelentős Európában, mint az amerikai kontinensen.

Clive James (2006) adatai szerint az európai részesedés a GM-növények vetésterületéből kevesebb mint 0,5 %, ugyanakkor a biotechnológiai fajták világméretű elterjedése megállíthatatlan (2. ábra). Ezek a tények világosan szemléltetik az ún. „európai paradoxon” lényegét: az öreg kontinensen születő szellemi termékek gazdasági haszna nem ebben a régióban realizálódik.

A transzgénikus növények jelentőségének ugrásszerű növekedése többféle tényezőre vezethető vissza. A génizolálási programok kiterebélyesedésének köszönhetően igen sok érdekes gén (candidate genes) került a kutatók, cégek látókörébe. Ezek szerepét, gazdasági jelentőségét megbízhatóan transzgénikus növények előállításával lehet tisztázni. Akár a gén működésének felfokozása, például promotercserével, akár a gén kikapcsolása, például RNS-interferenciával, megvalósítható génbeépítéssel, és a transzgénikus növények biokémiai, élettani vagy agronómiai jellemzése megbízhatóan elvégezhető.

A génbeépítés még továbbra is elsősorban tenyésztett testi sejtekbe történik. Ennek megfelelően biztosítani kell a transzformált sejtek szelekcióját és felszaporítását. A szelekciós markerek között háttérbe szorulnak az antibiotikum-rezisztenciát okozó gének, és helyettük gyomirtószer-ellenállóságot nyújtó gének használata kerül előtérbe. Számos eredmény született, amely a szelekciós marker nélkül vagy későbbi eltávolításával biztosítja a transzformáns növények azonosítását.

A legújabb fejlesztések fontos törekvése, hogy csak növényi eredetű DNS-szekvenciák kerüljenek felhasználásra a génbeépítés során. Mint ismeretes, az Agrobacterium talajbaktérium plazmidjára alapozott transzformációs vektorokban ún. határszekvenciák biztosítják az idegen gén integrációját. Ezen 25 bázispár nagyságú szakaszok növényi homológját sikerült azonosítani, ami lehetővé teszi a bakteriális szekvenciák elhagyását a transzformációs vektorokból. A kizárólag burgonya DNS-t tartalmazó vektor közvetítésével a gumók tárolhatóságát (kevesebb cukorfelhalmozódás) és a burgonya Phytophthora-ellenállóságát sikerült javítani (Rommens et al., 2006).

A növényi biotechnológusok jogos elvárása, hogy a törvényi szabályozás tegyen különbséget transzgénikus és ciszgénikus növények között (Schouten et al., 2006). Az utóbbiak olyan, géntechnológiával előállított növények, amelyek vagy csak a saját, vagy keresztezhető fajok DNS-szekvenciájának beépítéséből származnak, mint az előbb említett burgonyatranszformánsok. Ebből következik, hogy a ciszgénikus növények lényegében nem különböznek a hagyományos nemesítéssel előállított társaiktól. Súlyos ellentmondása a jelenlegi szabályozási rendszernek, hogy a folyamat és nem a termék szolgál a törvényi minősítés alapjául. A géntechnológia, a rekombináns-DNS-módszerek felhasználása a fajta-előállító nemesítés során már elegendő a megbélyegzésre, és sokféle hátrány sújtja azokat, akik a GM-fajták használatával javítják a növénytermesztés gazdaságosságát, a termékek egészségkímélő sajátosságait vagy csökkentik a környezet szennyezését. Az egyes termékek egyedi értékelésére lenne szükség, figyelembe véve a felhasznált gént, annak termékét, illetve a befogadó növényfajt. Törvényt alkotni egyetlen GM-hibridkukorica tiltása céljából egyedülálló furcsaság a magyar agrárium történetében. Ez egy olyan kuriózum, amelyet biztosan a rövidlátás példájaként tart majd számon az utókor, miután a géntechnológia növénynemesítési felhasználása mindennapi gyakorlattá válik a közeli jövőben, és a növényfajták szinte mindegyike a molekuláris nemesítési módszerek felhasználásával készül.


Funkcionális genomikától

a virtuális növényekig


A géntechnológia, a transzformáns (GM) növények növekvő szerepe mind az alapkutatásban, mind a fajta-előállításban összefügg a genomikai megközelítések elterjedésével, hiszen a gének sokasága vár funkcionális vizsgálatra. A genomika korszakának kezdetét az élő szervezetek teljes DNS-állományának megszekvenálásához köthetjük. A lúdfű (Arabidopsis thaliana), a növényi molekuláris biológiai kutatások legfontosabb modellnövénye, volt az első növényfaj, amely esetében ismertté vált a DNS-t felépítő nukleotidok sorrendje (Arabidopsis Genome Initiative 2000). A mezőgazdasági növények sorában a rizsgenom megszekvenálása jelentett fontos mérföldkövet, hiszen a rizs, ha bizonyos korlátokkal is, a gabonafélék modellnövényének tekinthető (International Rice Genome Sequencing Project 2005). A térképezésre épülő szekvenciaadatok komputeranalízise alapján 37 ezerre tehető a rizsgének száma. A lúdfű-, a rizsadatbázisok bárki számára hozzáférhetők, és a bioinformatikai eszközcsomagok nélkülözhetetlen segítői a génekkel folyó mérnöki munkáknak. A nyárfa- és kukoricagenom-szekvenálási programok szintén előrehaladott fázisban vannak, de az adatok csak korlátozottan érhetők el. Legújabban a pillangósvirágúak modellnövényeinek, mint a Medicago truncatula és a Lotus japonicus, közölték a DNS-szekvenciáját (Cannon et al., 2006). A módszerek tökéletesedésének köszönhetően nem reménytelen vállalkozás olyan hatalmas genomok, mint például a búzáé, megszekvenálása. A búza 16 000 Mb méretű genomja negyvenszer nagyobb, mint a rizsé, mégis nemzetközi összefogással elindítottak egy világméretű programot a „Búzagenom-szekvenálási Konzorcium” keretében ( http://www.wheatgenome.org ).

A genetikai információt hordozó nukleotidsorrendek adatbázisai ámulatba ejtő mértékben gyarapodnak, és ez egyben fokozódó kényszert jelent, hogy kapcsolatot teremtsünk a DNS-szekvenciainformációk és a gének funkciója, illetve az élő szervezetek tulajdonságai között. A funkcionális genomikára vár ez a feladat, melynek teljesítéséhez új technológiák kellenek. Bármely gén szerepét jobban megismerhetjük, ha jellemezzük a gén kifejeződésének mikéntjét. A génkifejeződési mintázat mutatja, hogy a vizsgált gén milyen szervben, sejtekben, mikor és milyen erősséggel működik. Általában a gének csoportjai vesznek részt egy-egy sejtállapot vagy válaszreakció kialakításában. Így olyan módszerek kellenek, amelyek sok gén működéséről tájékoztatnak. A DNS-chip és macroarray-technológiák akár több tízezer gén aktivitását is követhetik, ezzel adnak átfogó képet a növény, a sejtek fiziológiai folyamatairól.

A klímaváltozás tényei előtérbe helyezik gazdasági növényeink alkalmazkodó képességének javítását szélsőséges időjárási viszonyok között. Az aszályok okozta károk mértékét megtapasztalhattuk a 2003. évben, amikor a búza országosan 25 %-kal termett kevesebbet. Természetesen voltak búzafajták, amelyek a vízhiány ellenére csak kismértékben vesztettek termőképességükből, míg találhattunk olyan genotípusokat is, amelyek szárazság idején beszüntették növekedésüket, leállították a fotoszintézist, így a szemek feltöltődése elmaradt. Az eltérő stresszválaszok mögött meghúzódó génexpressziós változásokat Györgyey János és munkatársai 10 ezer árpagént hordozó macroarray hibridizációval vizsgálták. Az aszálytűrő Plainsmann-fajta és a túlélés érdekében keveset termő Kobomugi-genotípus növényei egyaránt ezernél több gén működését változtatták meg a hosszabb ideig tartó vízhiány közepette. Ugyanakkor alapvető különbségek tapasztalhatók a gének körét és a kifejeződés jellegét tekintve. A 3/A. ábra példaként bemutatja azon gének egy csoportját, amelyek csak a Kobomugi-genotípus gyökerében aktiválódtak a vízhiány alatt. A 3/B. ábra kiemeli ebből a csoportból a glüoxaláz II gén működésének jellemzőit. Látható, hogy ez a gén a stresszkezelés második hetében mutatja kifejeződésének maximumát.

Számos oxidatívstressz-válasszal összefüggő gén fejeződik ki a Kobomugi-genotípusban, amelyek a Plainsmann-fajta reakciójában nem érintettek. A génkifejeződési mintázatok alapján azonosítható azon gének csoportja, amelyek lényegesen nagyobb mértékben aktiválódnak a Plainsmann-fajtában, mint a Kobomugi-genotípusban (3/C. ábra). E csoport tagja egy receptorkinázgén, amely folyamatosan több mRNS-t termel a vízmegvonást követően (3/D. ábra). A szárazságadaptáció javítását célzó génbeépítések számára ezek a típusú gének kiemelt jelentőséggel bírnak.

A génkifejeződés egy egész genomra kiterjedő vizsgálata csak egyik eleme a rendszerbiológiának. A transzkriptumok mintázatából levonható következtetések mellett szükség van a fehérjék átfogó analíziséből származó adatok figyelembevételére is. A fehérjék kétdimenziós szétválasztását követően az egyes fehérjék megfesthetők és gélből izolálhatók a tömegspektroszkópiával történő aminosav-szekvenáláshoz. Így a peptidadatbázisok segítségével a fehérjék sokasága azonosítható, illetve a transzkriptom- és proteomadatok integrálhatók. A fehérjék működésének szabályozásában kiemelt szerepe van az utólagos módosításoknak, mint például a foszforilációnak vagy ubiquitinálásnak. A fehérjék közötti kölcsönhatások feltérképezésére az élesztő kettős hibrid rendszert kiterjedten használják a növénykutatásban is. Az analitikai módszerek, a gázkromatográfia, a tömegspektroszkópia tökéletesedésének köszönhetően az anyagcseretermékek típusa és mennyisége szintén követhető nagyszámú növényi mintán. Ezek a metabolomadatok egy újabb dimenziót tárnak fel a sejtek életfolyamatainak komplex vizsgálatában.

Akkor gondolhatunk a növények tudatos megváltoztatására, anyagcseréjük mérnöki alakítására, ha képesek vagyunk az anyagcsereutak hálózatát átfogó matematikai modellekkel felvázolni. A növényi anyagcserét illetően a rendszerbiológia végső célja, hogy a növényekben lejátszódó bioszintetikus folyamatok mindegyikéről többdimenziós leírást adjon, kidolgozzon egy olyan modellt, amely képes a köztes és végtermékek időbeni változásait bemutatni a különböző típusú sejtekben és szövetekben. Követelmény, hogy predikálható legyen az enzimatikus és nem enzimes átalakulások üteme, az egyes termékek mennyiségének alakulása a különböző fejlődési fázisokban vagy a környezeti behatásokra adott válaszreakciókban. A 4. ábra Rodrigo A. Gutiérrez és munkatársai (2005) nyomán összefoglalja, miként formálódhat egy virtuális növény mint a növények modellje a rendszerbiológia alapjain. A modellel szembeni elvárás, hogy vegye figyelembe a biológiai szerveződés valamennyi szintjén lejátszódó folyamatokat, így írja le a molekuláris, sejtszintű, élettani, a szervezet egészét érintő, valamint az ökológiai eseményeket. A rendszerbiológiai megközelítés magában foglalja a kísérleti adatok átfogó körének létrehozását, mint például az érintett gének listázását.

A 3. ábrán az egyes búzagenotípusok jellegzetes géncsoportjait láthatjuk, amelyek aktiválódása sajátos anyagcsere-hálózathoz köthető. Az Arabidopsis esetében a http://www.virtualplant.org honlap szolgáltat olyan bioinformatikai eszközöket, amelyek segítségével összetett hálózati rendszerek építhetők fel. Ez lényegében egy új, integrált adatbázis különböző típusú adatok kezelésére annak érdekében, hogy az összetett hálózatokat modellezni lehessen. A mennyiségi modellek általában szelektált sejtfunkciókat analizálnak, és hipotézisek felállítását segítik, így adnak alapot további kísérletek elvégzéséhez. Ezzel egy újabb ciklus kezdődhet a rendszer biológiájának jobb megértése érdekében.

Az anyagcserefolyamatok modellezésén túl a sejtek vagy a fejlődő szervek matematikai reprezentációja részét képezi az in silico növény megvalósításának (Minorsky, 2003). Optikai képalkotási módszerek segíthetnek megérteni, miként épül fel részeiből a növény, miként illeszkednek az alkotóelemek – fehérjék, fehérjekomplexek, sejtek –, miközben a sejtek osztódnak, megnyúlnak, vagy a növény nő, fejlődik és funkcionál. Termesztett növényeink termőképességét döntően befolyásolja a növény architektúrája, strukturális felépítése és annak módosulása a morfogenezis, egyedfejlődés során. Ez indokolja, hogy háromdimenziós modellt készítsünk, például gabonanövényekről. Tomonari Watanabe és munkatársai (2005) kifejlesztették a 3D virtuális rizsmodellt, amely reprodukálja egyetlen növény strukturális fejlődését, megbecsülve a bokrosodás és levelek kialakulásának folyamatát. A búzanövények paramétereinek digitalizálására Sass László és munkatársai dolgoztak ki egy módszert, amely lehetővé tette felvételezési időpontként nyolc különböző irányból készített digitális kép alapján a növény adatainak rögzítését (5. ábra).

A bemutatott néhány példa talán elegendő annak érzékeltetésére, hogy a növénytudományok új korszakában élünk, és bár még igen messze vagyunk a növények mint komplex biológia rendszerek egészének megértésétől, a géntechnológia, a genomika által nyújtott részinformációk már ebben a fázisban is sok hasznosítási lehetőséget kínálnak.


A jövő növényei a biofinomítási

és bioenergiai gazdaságban


Magyarország uniós tagsága elegendő indok arra, hogy fejlesztési terveink kidolgozásakor figyelemmel legyünk a közösség közép- és hosszú távú stratégiai elképzeléseire, azokra is, amelyek a zöld biotechnológiával kapcsolatosak. Ezen a területen meghatározó jelentőségű dokumentum a Phillipe Busquin nevével jegyzett bizottság által készített értékelés, amelynek címe A jövő növényei ( http://www.zoldbiotech.hu ). Bár az egész analízis és jövőkép sok tanulsággal szolgál, két idézet különösen fontos lehet a magyar szerepvállalás és versenyképesség szempontjából:

„Európa mezőgazdaságának és élelmiszer-feldolgozó iparának jövőbeni versenyképessége a növénygenomikán, a biotechnológián és azok ötletes alkalmazásán fog múlni”, illetve: „A bioenergia, a bioüzemanyagok és az új bioanyagok előállítása ugyan még nem széles körű, de nagyszerű lehetőséget kínál a haladásra egy fenntartható, bioalapú gazdaság felé.”

A formálódó tervek, elképzelések több száz milliárd forint értékű beruházás magyarországi megvalósításával szándékoznak lehetőséget teremteni a bioenergia-ipar kialakulásához (B. Papp, 2006). Az energiatermelési technológiák elsősorban a növényeket hasznosítják mint energiaforrásokat. A fotoszintézis során a Nap fényenergiája alakul át szerves anyagokká, amelyek energiatartalmát szeretnénk hatékonyan kiaknázni. Így a bioenergiai ipar nyersanyagát jelentő növényi szövetek, szervek felépítése, kémiai összetétele alapvetően befolyásolja a bioipar versenyképességét. A bioüzemanyagok csak akkor jelenthetnek elfogadható alternatívát a fosszilis energiaforrásokkal szemben, ha garantálható az energianyereség, a környezetvédelmi előny, valamint a nagymennyiségű biomassza-alapanyag úgy, hogy az élelmiszer- és takarmányellátás ne kerüljön veszélybe. Minthogy Magyarországon a bioetanol-gyártást folytató üzemeink és a tervezett fejlesztések is a keményítőalapú technológiákra épülnek, a kukoricát tekinthetjük első számú energianövénynek. Nem hagyhatók figyelmen kívül azok a tanulmányok, amelyek csak 23 % energiatöbblettel számolnak a kukoricakeményítőből történő bioetanol-gyártás során (Hill et al., 2006). A gazdaságossá tétel egyik útja az, ha új, csökkentett energiaigényű növénytermesztési technológiák révén mérsékeljük az alapanyag-előállítás költségeit. Már a jelenlegi első generációs GM-növények termesztése módot nyújt az energiai és agrokémiai anyagok felhasználásának csökkentésére (Brookes – Barfoot, 2005). A GM-fajták használatával 172 millió kg-mal csökkent tíz év alatt a növényvédőszer-felhasználás.

Jövőbeni megoldásként érdemes a biofinomítás (Biorefinery) komplex rendszerét mint ígéretes koncepciót felhasználni, és a bioipari fejlesztéseket ezen az alapon megvalósítani. A petróleum-, olajfinomítók analógiájára a biofinomítók a biomassza átalakításához szükséges fizikai, kémiai, biológiai folyamatokat és gépeket arra használják, hogy a termékek sokféleségét állítsák elő, törekedve a növényi eredetű anyagok maximális hasznosítására. A 6. ábra a búza példáján keresztül mutatja be a gabonaféléket hasznosító biofinomítási rendszer fejlesztett változatát, ami a keményítő lebontásához szükséges enzimet a technológiai folyamat részeként állítja elő (Koutinas et al., 2006). A búza- vagy a kukoricakeményítőből származó glükózt energiaforrásként hasznosítják a mikroorganizmusok, és így termelnek bioüzemanyagokat (etanol), biológiailag lebontható műanyagokat (polihidroxibutirát) vagy kémiai alapanyagokat (tejsav) mint értékes energiahordozót vagy ipari nyersanyagot. A biofinomítási rendszer hatékonysága egyaránt függ a keményítőglükóz-átalakulás paramétereitől, illetve a mikroorganizmusok biokonverziós képességétől. A keményítőhozam növelését célzó nemesítési programok mellett a keményítő szerkezetét, termodinamikai tulajdonságait lehetett megváltoztatni transzgénikus burgonyában a szintázenzim génjeinek elhallgattatásával (Kozlov et al., 2006).

Bár a keményítőből történő etanolgyártás önköltsége kedvezőbb, mintha a cellulóz biomasszából nyerjük a fermentációhoz használt glükózt vagy xilózt, mégis a bioüzemanyagok iránti kereslet csak úgy elégíthető ki, ha optimalizáljuk a cellulózalapanyagot hasznosító technológiákat is (Gray et al., 2006). Így például géntechnológiával lehetett olyan élesztőtörzseket előállítani, amelyek mind a glükózt, mind a xilózt képesek alkohollá fermentálni (Jeffries – Jin, 2004). A növényi alapanyag oldaláról a lignintartalom csökkentése javíthatja az enzimatikus hidrolízis hatékonyságát. Génbeépítéssel sikerült a lignintartalmat redukálni nyárfa transzgénikus növényekben (Li et al., 2003). A technológiai fejlesztések irányait látva, várható, hogy a járművekbe tankolt bioetanol GM-termékként lesz majd gazdaságos, hiszen mind a mikororganizmus, mind a növény géntechnológiai eredetű. A biofinomítási, fermentációs technológiákkal előállított környezetbarát műanyagok (6. ábra) ma már virágzó ipar nyersanyagául szolgálnak. A termelés kibővítésére adhat lehetőséget, ha magukkal a növényekkel szintetizáltatunk műanyagot. A polihidroxibutirát szintézisét három enzim végzi. Génjeiket a szárban működő promoterrel lennövényekbe építve biztosítható volt a polimer képződése a transzgénikus (GM) növények kloroplasztiszában (Wróbel et al., 2004). Így e növények a rosthozamon túl értékes ipari nyersanyag forrásul is szolgálnak.

A biofinomítási koncepcióba jól beilleszthetők azok a fejlesztési törekvések, amelyek során a növényeket mint fehérje- vagy gyógyszeralapanyag-gyárakat kívánjuk hasznosítani (Fox, 2006). Világszerte bővül a biotechnológiai cégek által bevezetésre szánt termékek száma. Sokuk értékelése már a klinikai vizsgálati fázisoknál tart. A termékek között találjuk az inzulint, virtonectint, glükocerebrozidázt, albumint, locteront és különböző vakcinákat. A termeltetés egyaránt történik növényi szervekben vagy sejtszuszpenziós kultúrákban. A molekuláris gazdálkodás (molecular farming) az agrárgazdaság új területe, és kár lenne a magyar gazdákat a kínálkozó lehetőségek kihasználásában gátolni. A hazai hasznosítás részben kezdeményezhető külföldi technológiák honosításával, illetve a kutatás-fejlesztés forrásait kellene a bioipar jövőbeni kibontakoztatása érdekében kihasználni. A Debreceni Egyetemen az Agrárcentrum által kidolgozott program a kezdeti próbálkozások jó példája.


Előretekintés


Nem elfogadható, de bizonyos mértékben érthető az emberek bizalmatlansága a tudományos kutatás eredményeire épülő új technológiák biztonságát, hasznosságát illetően. Különösen nehéz a tisztánlátás, a helyes értékítélet akkor, ha speciális ismeretek szükségesek a termék előállításának mikéntjéről, annak használhatóságáról. A géntechnológiával történő növénynemesítés ügyében fokozza a közvélemény elbizonytalanodását, hogy korábban fel sem merült a kérdés: miként születnek az új növényfajták, amelyeket a szántóföldeken, kertjeinkben nevelünk, és élelmiszerként fogyasztunk. A GM-növények kapcsán nemcsak a géntechnológia részleteiről kell felvilágosítást adnunk, hanem meg kell értetnünk a nemesítés folyamatát, az új növények bevezetésének rendjét. A közvélemény tájékoztatását, a molekuláris biológiai ismeretterjesztést végtelenül megnehezíti, hatástalanítja a GM-növények körül kialakult hisztérikus vita. Az egymásnak ellentmondó érvek záporában még a jó szándékú érdeklődők előtt is tisztázatlan marad az igazság. Pedig a bemutatott példák tanúsága szerint igen intenzív kutatás folyik a transzgénikus, GM-növényekkel világszerte. Az agronómiai szempontból jelentős gének azonosítása, izolálása folyamatosan új géntechnológiai megoldásokat kínálnak. A cégek fejlesztő munkája már túllép az első generációs GM-fajták körén. Mind nyilvánvalóbbá válnak az egészségjavító és környezetkímélő hatások. Nincs igazán akadálya annak, hogy az Európai Unió közösségi stratégiáját követve a lakosság is mindinkább elfogadja a GM-növények használatát mint egy, a sokféleséget előnyben részesítő agrárrendszer egyik technológiai elemét. Fokozatosan kiépülnek és megerősödnek azok a közösségi szervek, amelyek feladata a biztonság garantálása. A klímaváltozás káros következményeinek megelőzésében, a hatások mérséklésében, valamint a megújuló energiaforrások biztosításában a GM-növények szerepe fel fog értékelődni. A Magyarországon bevezetett törvényi szabályozás a GM-fajták termesztésének ellehetetlenítésével komoly versenyképességi hátrányt jelent a magyar gazdák számára. Minden racionális megfontolás azt sürgeti, hogy alkalmazkodnunk kell majd az uniós gyakorlathoz a jogi keretek megváltoztatásával is. Nincs igazán megalapozott tudományos, környezetvédelmi, akár gazdasági indoka annak, hogy a magyar gazdákat megfosszuk a növénytermesztési technológiák közötti választás lehetőségétől és a GM-növények által biztosított gazdasági előnyöktől.


Kulcsszavak: géntérképre alapozott klónozás; cDNS-könyvtár; GM-növények; funkcionális genomika; szárazság; rendszerbiológia; biofinomítás; bioetanol

Irodalom

B. Papp László (2006): Bioenergia: több százmilliárdnyi beruházás. Népszabadság. 2006. október 11. szerda.

Brookes, Graham – Barfoot, P. (2005) GM Crops: The Global Economic and Environmental Impact - The First Nine Years 1996-2004. AgBioForum. 8: 187–196, http://www.agbioforum.missouri.edu/v8n23/v8n23a15-brookes.htm

Cannon, Stefen B. – Sterck, L. – Rombauts, S. et al. (2006): Legume Genome Evolution Viewed through the Medicago truncatula and Lotus japonicus Genomes. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 103, 40, 14959–14964.

Dudits Dénes (2003): A génkutatás – genomika szerepvállalása a növények nemesítésében. Magyar Tudomány. 10, 1263–1272.

Dudits Dénes – Heszky László (2003): Növényi biotechnológia és géntechnológia. Agroinform, Budapest

Fox, Jeffrey L. (2006): Turning Plants into Protein Factories. Nature Biotechnology. 24, 10, 1191–1193.

Gray, Kevin A., – Zhao, L. – Emptage, M. (2006): Bioethanol. Current Opinion in Chemical Biology. 10, 141–146.

Gutiérrez, Rodrigo A. – Shasha, D. E. – Coruzzi, G. M. (2005): Systems Biology for the Virtual Plant. Plant Physiology. 138, 550–554.

Hill, Jason – Nelson, E. – Tilman, D. et al. (2006): Environmental, Economic, and Energetic Costs and Benefits of Biodiesel and Ethanol Biofluels. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 103, 30, 11206–11210.

James, Clive (2006): Global Status of Commercialized Biotech/GM Crops. ISAAA Briefs No 35; http://www.isaaa.org/Resources/Publications/briefs/35/executivesummary/default.html

Jeffries, T. W. – Jin, Y. S. (2004): Metabolic Engineering for Improved Fermentation of Pentoses by Yeasts. Applied Microbiology and Biotechnology. 63, 495-509.

Koutinas, A.A. – Arifeen, N. – Wang, R. et al. (2006): Cereal-based Biorefinery Development: Integrated Enzyme Production for Cereal Flour Hydrolysis. Biotechology and Bioengineering. DOI 10.1002/bit 21206

Kozlov, Sergey S. – Blennow, A. – Krivandin, A. V. et al. (2006): Structural and Thermodynamic Properties of Starches Extracted from GBSS and GWD Suppressed Potato Lines. Biological Macromolecules. DOI 10.1016/j.ijbiomac.2006.11.001.

Li, Yahong – Kajita, S. – Kawai, S. et al. (2003): Down-regulation of an Anionic Peroxidase in Transgenic Aspen and its Effect on Lignin Characteristics. Journal of Plant Research. DOI 10.1007/s10265-003-0087-5.

Mansoor, Shahid – Amin, I. – Hussain, M. et al. (2006): Engineering Novel Traits in Plants through RNA Interfences. Trends in Plant Science. 11, 11, 559–565.

Minorsky, Peter V (2003): Achieving the in Silico Plant. Systems Biology and the Future of Plant Biological Research. Plant Physiology. 132, 404–409.

Rommens, Caius, M. – Ye, J. – Richael, C. et al. (2006): Improving Potato Storage and Processing Characteristics through All-native DNA Transformation. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 54, 9882–9887.

Schouten, Henk J. – Krens, F. A. – Jacobsen, E. (2006): Cisgenic Plants Are Similar to Traditionally Bred Plants. EMBO Reports. 7, 8, 750–753.

Vain, Philippe (2006): Global Trends in Plant Transgenic Science and Technology (1973-2003). Trends in Biotechnology. 24, 4,: 206–211.

Watanabe, Tomonari – Hanan, J. S. – Room, P. M. et al. (2005): Rice Morphogenesis and Plant Architecture: Measurement, Specification and the Reconstruction of Structural Development by 3D Architectural Modelling. Annals of Botany. 95, 7, 1131–1143.

Wróbel, Magdalena – Zebrowski, J. – Szopa, J. (2004): Polyhydroxybutyrate Synthesis in Transgenic Flax. Journal of Biotechnology. 107, 41–54.



[HIÁNYZÓ KÉP]

1. ábra • A transzgénikus növényekkel foglalkozó tudományos és technológiai közlemények száma az elmúlt harminc év során az egyes gazdasági régiókban. – D: transzgénikus technológiák fejlesztése; A: a transzgénikus technológia nem GM-növény célú felhasználása; G: A transzgénikus technológia felhasználása GM-növény vagy takarmányhasznosítás céljából. (Vain, 2006)


[HIÁNYZÓ KÉP]

2. ábra • A GM-növények világméretű elterjedése. (James, 2006)


[HIÁNYZÓ KÉP]

3. ábra • Vízhiányban nevelt búzák gyökereiben genotípustól függő jellegzetes kifejeződési mintázatot mutató géncsoportok azonosíthatók. A Kobomugi-genotípus túlélési stratégiát követve, keveset terem, míg a Plainsmann-fajta szárazságtűrő. (Györgyey és munkatársai kísérlete)


[HIÁNYZÓ KÉP]

4. ábra • A növények modellje, egy virtuális növény megalkotásának rendszerbiológiai folyamata, amely figyelembe veszi a különböző szerveződési szinteket. A kísérleti adatok integrálása után kerül sor modellalkotásra, ami lehetővé teszi a hipotézis megalkotását. (Gutiérrez et al., 2005)


[HIÁNYZÓ KÉP]

5. ábra • Egy búzanövény valós és digitalizált képe a morfológiai paraméterek kvantitálása érdekében (Sass László és Vass Imre kísérlete).


[HIÁNYZÓ KÉP]

6. ábra • A búzaszem mint egy korszerű biofinomítási rendszer nyersanyaga


<-- Vissza a 2007/04 szám tartalomjegyzékére


<-- Vissza a Magyar Tudomány honlapra