Kääride ja tangidega DNA kallal 3

Geenid põllul ja karjamaal

Ants Kurg

Üks tänapäeva taimebiotehnoloogia põhisuundi on herbitsiidide e. keemiliste umbrohutõrjevahendite resistentsuse uuringud. Aastas kulutatakse taimekultuuride töötlemisele rohkem kui saja herbitsiidiga miljardeid dollareid, seega on säärane taimekaitse väga kallis. Herbitsiididel on ka teisi puudusi: mõnda umbrohutõrjevahendit ei tohi kasutada toidutaimedel, paljud herbitsiidid on lubatud vaid kasvuperioodi alguses ja mõned ei lagune looduses, vaid akumuleeruvad seal. Seetõttu tuleb luua herbitsiidiresistentsed kultuurtaimed.

Põhimõtteliselt on selliseid taimi üsna lihtne luua, sest enamiku herbitsiidide toimemehhanism on teada. Tavaliselt on taimes umbrohumürgi märklauaks üks taimeraku elutegevusele tähtis ensüüm. On mitu võimalust, kuidas muuta taimi herbitsiidi suhtes "tundetumaks", sagedamini on kasutatud järgmisi:

• Taime sisestatakse geen, mis kodeerib mürki lagundavat ensüümi.
• Taime lisatakse geen, mis kodeerib herbitsiiditundlikku ensüümi. Nii saavutatakse selle valgu ületootmine. Võib lisada ka sama ensüümi kodeeriva geeni, mille produkt on herbitsiidi suhtes resistentne; pärast mürgiga töötlemist jätkub seda ensüümi veel taimeraku enda vajadusteks.

Hea näide on herbitsiid glüfosaat [N-(fosfonometüül)-glütsiin]. Glüfosaati peetakse keskkonnasõbralikuks, sest ta laguneb pinnases mittemürgisteks ühenditeks. Ta pärsib ühe keerulise nimega ensüümi – 5-enoolpüruvüülsikimaat-3-fosfaat süntetaasi (EPSPS) moodustumist, see ühend aga etendab tähtsat osa aromaatsete aminohapete sünteesil nii bakterites kui taimedel. Biotehnoloogid lahendasid küsimuse järgmiselt: eraldati EPSPS-i kodeeriv geen bakter E. coli glüfosaadiresistentsest tüvest. Selleks, et bakterigeen oleks võimeline taimes töötama, lisati talle vastavad taimsed regulaatorjärjestused ja sisestati see liitgeen taimedesse. Saadud transgeensed taimed tootsid piisavalt bakteriaalse päritoluga glüfosaadiresistentset EPSPS-i, mis asendas inhibeeritud taimset ensüümi, tänu millele olid taimed resistentsed glüfosaadi suhtes. Umbrohi loomulikult mitte.

Taimejutu lõpetuseks mõnest taimebiotehnoloogia vähem tuntud rakendusest. Kogu maailma aednike ja lillekasvatajate ammune unistus on olnud aretada sinine roos. Nii kummaline, kui see ka ei tundu, on siin biotehnoloogial oma sõna kaasa rääkida. Lilleõite värvus oleneb põhiliselt õies sisalduvatest flavonoidsetest pigmentidest. Õite värvust saab muuta, pidurdades flavonoidide biosünteesil osalevate ensüümide sünteesi. Näiteks petuuniatega on tehtud hulgaliselt eksperimente, mille käigus pärsiti kas osaliselt või täielikult flavonoidide sünteesil osalevate eri ensüümide teket. Tulemuseks on arvukalt unikaalsete värvikombinatsioonidega taimi. Kahjuks on sääraste eksperimentide tulemusel saadud õite värvust raske ette ennustada, sest praegu pole veel täpselt teada, millised ensüümid mingit värvust põhjustavad.

Ei saa mööda minna taimede kasutamisest "bioreaktorina". Sellest võib kujuneda tuleviku taimebiotehnoloogia tähtsamaid valdkondi. Idee on järgmine: sisestades taime mingi valku kodeeriva geeni, on võimalik saada taimsel biosünteesil seda valku küllalt suurtes kogustes. Erinevalt rekombinantsetest bakteritest, mida tänapäeval ulatuslikult rakendatakse mitmesuguste inimesele oluliste valkude tootmisel, ei vaja taimede kasvatamine mingit erilist aparatuuri ega eriteadmistega personali. Kuigi sellise transgeense taime saamine on keerukas ja väga kallis, tuleb lõppsaadus ikkagi odavam.

Veelgi põnevam rakendusala on nn. söödavad vaktsiinid. Taime, näiteks banaani, võib panna sünteesima inimesi ohustava haigusetekitaja mingit osa, näiteks teatud viiruse kattevalku, mis on võimeline kutsuma inimesel esile immuunvastuse. Ilmselt on iga inimene tundnud hirmu või kõhedust, nähes valges kitlis õde süstlaga. Tulevikus aga pakutakse patsientidele hoopiski isu- äratavat banaani, mis sisaldab vaktsineerimiseks vajalikku antigeeni. Praegu on küll mitu küsimust korraliku lahenduseta. Näiteks: kuidas teha nii, et immunogeenne valk läbiks patsiendi seedetrakti tervena? Kuid viimase aja uuringute tulemused on näidanud, et lahendus on olemas.

Superhiired ja miljonärlehmad

Olles taimebiotehnoloogiale ringi peale teinud, vaatleme insenergeneetika ja biotehnoloogia rakendusi loomadel. Juttu tuleb transgeensetest loomadest.

Esimesed transgeensed loomad nägid ilmavalgust 1980. aastate alguses. Kui transgeensete taimede saamiseks kasutatakse enamasti Agrobacterium'i vahendatud geeniülekannet ja biolistikat, mille puhul üliväikestele kulla või volframi partiklitele seotud DNA "tulistatakse" õhupüssi meenutava aparaadi abil taimerakkudesse, siis loomade puhul on biotehnoloogide arsenal veidi teistsugune. DNA ülekandeks elusasse looma on põhiliselt kaks võimalust: mikroinjektsioon ja viirusvektorid.

Kõigepealt tuleb loomadelt saada munarakud, mis viljastatakse katse- klaasis. Mikroinjektsiooni puhul süstitakse võõras DNA mikroskoobi all ülipeene kapillaarnõelaga otse viljastatud munarakku. Kui katse õnnestus, reimplanteeritakse transgeeni sisaldavad embrüod eelnevalt hormoonidega mõjutatud looma emakasse. Järgneb loomulik tiinus ning sünnib transgeenne loom, kelle genoomi on integreerunud transgeen. Kui ülekandemehhanismina kasutatakse viirusvektoreid, pole süsti vaja. Viirusvektorina kasutatakse nii DNA kui ka RNA viirusi, millest kõrvaldatakse haigust tekitavad osad, säilitades vaid viiruse sisenemise eest vastutavad järjestused. Kui nüüd liita viiruse koosseisu vajalik geneetiline materjal, saabki viirust kasutada transpordivahendina, mis toimetab DNA rakkudesse. Erinevalt mikroinjektsioonist nakatatakse sellise vektoriga veidi hilisemas arengujärgus olevat embrüot, millele järgneb juba eelpool kirjeldatud reimplantatsioon, tiinus ja looma sünd.

Esimesed seda laadi eksperimendid tehti hiirtega. Nende viljastatud munarakkudesse sisestati liitgeen, mis koosnes roti kasvuhormooni geenist ja hiire metallotioniini geeni regulaatorjärjestusest. Nii saadi transgeensed hiired, kelle genoomi koostises oli töötav roti kasvuhormooni geen. Kõrgenenud kasvuhormooni taseme tõttu kasvasid need hiired palju suuremaks kui nende perekonnakaaslased. Neid nimetati teadlaste ringkondades "superhiirteks". Praegu ei uurita mitte ainult kasvuhormoonide bioloogilist toimet, vaid ka muid valdkondi: transgeenseid hiiri kasutatakse mudelsüsteemina selgitamaks nii molekulaarbioloogia sõlmküsimusi kui ka näiteks inimese geneetiliste haiguste põhjusi.

Vaatleme, kuidas saab transgeenseid loomi kasutada põllumajanduses. Eesmärk on ilmselt suurendada kariloomade toodangut. Katsete aluseks olid otseselt superhiirtega saadud tulemused kasvuhormoonide geenide ülekande alal. Nii näiteks sisestati sigadele täiendav kasvuhormoon. Paraku ei saadud niisama häid tulemusi kui transgeensete hiirtega. Esiteks põrkuti tehnilist laadi raskustele, sest võõrgeeni mikroinjektsioon sea viljastatud munarakku ja edasised manipulatsioonid sellega on tunduvalt keerulisemad kui hiirtel ja seetõttu igapäevatöös raskesti kasutatavad. Selgus, et transgeensete hiirtega tehtud katsete tulemusi ei saa otseselt üle kanda teistele loomadele. Teadmised koduloomade ainevahetusest, geenidest ja nende funktsioneerimisest on palju tagasihoidlikumad. Saadud transgeensed sead olid küll oma liigikaaslastest tunduvalt suuremad, kuid kasvuhormooni üleproduktsioon paiskas segi nende organismi hormonaalse tasakaalu, mille tõttu loomad kannatasid kroonilise artriidi all, liikusid vaevaliselt ja olid enamasti suguvõimetud. Need katsed näitasid, et tunduvalt lihtsam on suuremat juurdekasvu või piimatoodangut saavutada ammu äraproovitud n.-ö. tavaliste vahenditega (eksogeenne hormoonide manustamine) kui transgeneesi abil.

Transgeneesi võib rakendada ka muudel aladel. Näiteks võib loomale sisestada mingi geeni, mis annab resistentsuse mõne haiguse suhtes. Samuti saaks transgeneesi abil parandada loomsete saaduste koostist ja kvaliteeti. Nii võib luua transgeensed lehmad, kelle piimas on vähem laktoosi, et kõik inimesed saaksid piima juua.

Eeltoodud näidetest võib jääda mulje, et neid katseid ei saa praktikas rakendada. Siiski pole asi nii lootusetu. Juba eelmise kümnendi lõpul äratasid molekulaarbioloogias ja meditsiinis suurt tähelepanu eksperimendid, kus eri imetajate, näiteks lehma, kitse või lamba piimanäärmeid kasutati "bioreaktorina" tootmaks loomale võõraid, kuid inimesele väga vajalikke valke. Võetakse mingi geen, näiteks inimese koeplasminogeeni aktivaatori geen (kodeerib ensüüm-proteaas tPA-d, mis lagundab fibriini klompe trombooside korral) ja lisatakse sellele geenile regulaatorjärjestused, mis lehma piimanäärmes käivitavad piimavalkude sünteesi. Liitgeen sisestatakse looma ja saadakse transgeenne organism, kelle piimanäärmes toodetud piimas on ka inimese tPA-d, mida on üsna kerge lüpstud piimast eraldada. Nii toodetakse mitmesuguseid raviotstarbelisi valke, mida oleks muul viisil väga raske või hoopis võimatu saada. Ometi on siingi omad probleemid: sellise transgeense looma hind on seitsme- või kaheksakohaline arv (dollarites). Kuid säärase looma ülalpidamiskulud ja seega ka terapeutilise valgu tootmiskulud on üsna väikesed. Piltlikult öeldes on vaja vaid korralikku lauta ja head karjamaad, et meid huvitavat geeni "karjatada". Arvestades, et üks lehm võib anda 6–10 tonni piima aastas ja piima valgusisaldus on kümneid gramme liitri kohta, on lihtne arvutada, kui palju toodangut selline "reaktor" võib anda.

Ja lõpetuseks veel ühest transgeneesi rakendusvõimalusest, mille tähendust eelkõige süvauuringute jaoks on raske üle hinnata. Kõne all on geenide knock-out. Kui poksis tähistab nokaut puhast võitu vastase üle, siis molekulaarbioloogias mõeldakse nokaudi all teatud geeni(de) "väljalülitamist", et uurida nende ülesandeid. Siiani on katsetatud enamasti hiirtega, kellest on kujunenud molekulaarbioloogide tähtsamaid mudelobjekte. Praktikas näeb eksperiment välja järgmine: võetakse meid huvitav hiire geen, mille järjestus peab olema eelnevalt teada ja tehakse sellesse geeni suunatud mutageneesi kasutades muudatused. Nüüd lisatakse muteeritud geenile kontrolljärjestused, mis võimaldavad jälgida selle geeni liikumist organismi, ja viiakse see liitgeen hiire nn. embrüonaalsetesse tüvirakkudesse. Need omakorda süstitakse hiire embrüosse. Seejärel leiab muteeritud geeni ja normaalse geeni vahel aset meile juba keskkooli bioloogiakursusest tuttav homoloogiline rekombinatsioon, mille käigus muteeritud geen lülitatakse organismi genoomi koosseisu. Kui eksperiment õnnestub, on võimalik juba teise põlvkonna hiirtel jälgida, millist rolli uuritav geen organismis mängib. Viimatiöeldu on tegelikult küll väga suur lihtsustus, sest arvestades imetaja genoomi komplekssust ja füsioloogia keerukust, on mutatsiooni efekti jälgida ja õigesti interpreteerida väga keerukas.

Paar olulist teemat on veel käsitlemata. Algusest peale on rekombinantse DNA-ga tehtud uurimistöid saatnud äge poleemika: mis võib juhtuda, kui mingi geneetiliselt modifitseeritud organism juhuslikult (või hoopis kellegi kurja käe läbi) uurijate kontrolli alt lahti pääseb ning looduses kohutavalt paljunema hakkab? (Meenutage kas või hiljuti meie kinodeski linastunud teadusliku fantastika hulka kuuluvat ülipopulaarset filmi "Jurassic Park".)

Arenenud riikides on kõik rekombinantse DNA-ga tehtavad eksperimendid ja eelkõige geneetiliselt modifitseeritud organismide kasutamine looduskeskkonnas väga rangelt reglementeeritud. Säärased uuringud vajavad tugevat materiaal-tehnilist baasi ja tipptehnoloogiat, seetõttu saab seda laadi eksperimente rahvusvaheliselt jälgida ning nende tulemused on teada. Ei ole eriti tõenäoline, et keegi kuskil "põlve otsas" midagi valmis meisterdab ja seda teiste inimeste vastu rakendab: rekombinantsete mikroorganismidega on töötatud juba üle paarikümne aasta ning suudetud tagada ohutus. Algselt küllaltki rangeid reegleid on isegi veidi leebemaks muudetud, sest oht on väiksem, kui esialgu arvati. Ka looduses toimuvad mikroorganismidel tegelikult samad protsessid, mida teadlased laborites üritavad läbi viia, kuid tunduvalt aeglasemalt. Kuid selliste eksperimentide puhul ei ole ettevaatus kunagi liiast.

Teine aktuaalne teema on biotehnoloogia saavutuste vastuvõtt ühiskonna poolt. Vaatamata biotehnoloogia suurtele edusammudele on see teadusharu leidnud teatud konservatiivsete rühmade ja mõningate majandusringkondade seas tugevat vastuseisu. Miks see nii on ja kas inimeste kõhklused on põhjendatud?

Eestikeelses kirjasõnas on neid küsimusi vähe käsitletud ja seetõttu huvitavad need ilmselt paljusid. Sellest kunagi edaspidi.