Наука в новинах

Відкриття ліній спілкування між науковцями-дослідниками та широкою спільнотою

добре

  • Сторінка SITN Facebook
  • SITN Твіттер
  • Сторінка Instagram SITN
  • Лекції SITN на YouTube
  • SITN Podcast на SoundCloud
  • Підпишіться на список розсилки SITN
  • RSS-канал веб-сайту SITN

Мері Е. Гірінг
цифри Крістен Сейм

Короткий зміст: Окрім енергії у вигляді калорій, наша їжа також постачає нам необхідні вітаміни та інші поживні речовини, щоб підтримувати здоров’я. Недостатнє харчування, пов’язане з вітамінами, або “мікроелементами”, суттєво сприяє захворюванню. Щоб збільшити споживання мікроелементів, багато країн збагачують їжу цими вітамінами. Ще однією стратегією покращення споживання вітамінів та профілактики захворювань, особливо в країнах, що розвиваються, є розвиток генетично модифікованих організмів (ГМО). Як порівнюють традиційні фортифікаційні споруди та ГМО, і чи є вони однаково ефективними та безпечними? Золотий рис, розроблений таким чином, щоб містити високий рівень попередника вітаміну А бета-каротину, є гарним прикладом для обговорення цих питань та вивчення науки, яка лежить в основі зусиль щодо поліпшення харчування шляхом генетичної модифікації.

Незважаючи на зусилля в галузі охорони здоров'я та гуманітарних питань, недоїдання продовжує залишатися бичем для країн, що розвиваються. Підраховано, щонайменше 3,1 мільйона дітей помирають щороку, а 161 мільйон затримує зростання через недоїдання [1]. Проблема полягає не тільки в тому, що їжі не вистачає, тому діти не отримують достатньої кількості калорій, але й у тому, що їжа, яку вони споживають, не має необхідних їм вітамінів та мінералів. Дефіцит заліза, йоду, цинку, фолієвої кислоти та вітаміну А є одними з найпоширеніших, оскільки майже половина населення світу страждає від одного або декількох дефіцитів [1,2].

Заможні країни мають чітко сформульовані фортифікаційні програми, які додають ці поживні речовини до харчових продуктів, що часто вживаються, а також харчові добавки [3]. Через їх вартість ці зусилля можуть бути менш успішними у бідніших країнах, і генетична модифікація вивчається як альтернативна стратегія додавання цих мікроелементів до їжі. Хрестоматійний приклад біоукріплення є Золотим рисом, генетично розробленим, щоб містити високий рівень попередника вітаміну А бета-каротину [4]. Противники цієї стратегії, в тому числі "Грінпіс", стверджують, що "Золотий рис" та інші генетично модифіковані (ГМ) культури не усувають справжню проблему бідності у країнах, що розвиваються [5]. Золотий рис був вперше випробуваний понад 10 років тому, але суперечки з ГМ перешкодили його широкому впровадженню.

Яка суєта щодо мікроелементів?

Мікроелементи - це група сполук, які необхідні нашому організму в невеликих кількостях. Вони виконують широкий спектр функцій в організмі, і, отже, хронічний дефіцит мікроелементів є основною причиною захворювання [6]. Приклади, про які ви, можливо, чули, включають анемію та зоб, спричинені дефіцитом заліза та йоду відповідно.

Якщо харчуватися різноманітно, включаючи багато фруктів, овочів та інших необроблених продуктів, отримання необхідних мікроелементів не є проблемою. Основне харчове укріплення це ще один спосіб забезпечити споживання населенням достатнього рівня мікроелементів. Подивившись на зернову коробку, ви побачите, що фраза «збагачена багатьма вітамінами та мінералами» означає, що ці мікроелементи були додані під час виробництва. Йодована сіль та молоко, що містять вітамін D, є іншими класичними прикладами основного збагачення продуктів харчування. У США FDA санкціонує та регулює фортифікацію з метою профілактики захворювань, спричинених дефіцитом поживних речовин, та відновлення поживних речовин, які можуть бути втрачені під час переробки їжі [3]. Інші розвинені країни мають подібні програми, які вважаються успіхом у галузі охорони здоров'я.

Багатьом країнам, що розвиваються, не так пощастило. Ці популяції часто покладаються на дешеві основні культури, такі як рис і кукурудза, щоб вижити - вони не мають доступу до широкого спектра продуктів, багатих на поживні речовини, головним чином через високі витрати на їх вирощування або придбання. Особливо дієта на основі рису є основною причиною дефіциту мікроелементів. Хоча рис є основним продуктом харчування майже для половини світового населення, включаючи 90% Азії, він має дуже низький вміст поживних речовин. Кілька мікроелементів, що містяться в рисі, розташовані у зовнішньому шарі зерна, який видаляється в процесі очищення [4].

Мікроелементи відіграють велику роль у зростанні та розвитку, тому ці недоліки особливо шкодять дітям. Дефіцит вітаміну А (VAD), що вражає третину дітей у світі у віці до 5 років, є основною причиною дитячої сліпоти. Вітамін А є ключовим для функціонування імунної системи, і діти з ВАД частіше хворіють на такі загальні захворювання, як кір, ніж діти без дефіциту. Вони також частіше помирають від респіраторних та діарейних захворювань [7]. VAD не залишився непоміченим - введення добавок до вітаміну А рятувало близько 600 000 життів на рік у країнах з низьким та середнім рівнем доходу [8]. Однак, як і з іншими недоліками, цих зусиль недостатньо для усунення ВАД. Традиційні програми фортифікації та добавки є дорогими та логістично складними, і зараз питання полягає в тому, чи варто нам пробувати додаткові тактики для збільшення споживання мікроелементів.

Як працює біофортифікація?

Ще однією стратегією усунення дефіциту мікроелементів є біоукріплення. Біофортифікація підвищує харчову цінність сільськогосподарських культур через будь-який з них вибіркове розведення або генетична модифікація (Фігура 1). Замість того, щоб додавати поживні речовини до їжі після збору врожаю, як при основному харчовому збагаченні, самі рослини змінюються так, що вони виробляють ці поживні речовини [9]. Вибіркове розведення починається з сорту рослин, який уже містить певну кількість цікавого вітаміну або мінералу. Потім ці рослини виводяться для отримання рослин, які мають більш високі рівні сполуки, і процес повторюється протягом багатьох поколінь, щоб виробити сорт рослин з бажаними рівнями сполуки. Вибіркове розведення дало кілька штамів рослин із поліпшеною харчовою цінністю, але це не завжди є варіантом. Для сільськогосподарських культур, які важко розводити, генетична модифікація може бути кращим варіантом, ніж селективне розведення [10]. Оскільки це така популярна основна культура, рис є гарною мішенню для біоукріплення; однак рисові рослини не містять жодних попередників вітаміну А або вітаміну А, тому селективне розведення рису не можна використовувати для запобігання ВАД [4].

Фігура 1. Існує кілька способів отримання необхідних мікроелементів. Мікроелементи можна отримати за допомогою різноманітної дієти, багатої фруктами та овочами або за допомогою добавок. Основне збагачення їжі додає мікроелементи до їжі, яка часто вживається в їжу. Біоукріплені культури вирощують або проектують для отримання мікроелементів.

Натомість вчені звернулися до генетичної модифікації, щоб зменшити ВАД. Такі продукти, як морква та солодка картопля, мають високий вміст попередника вітаміну А бета-каротину; коли люди вживають ці продукти (або капсули бета-каротину), відсоток введеного в організм бета-каротину перетворюється на вітамін А. Використовуючи наші знання з біохімії, чи можна створити рис, що має високий рівень бета-каротину? Після семи років роботи та вставки трьох генів (два від нарцису, один від бактерій), мультидисциплінарній групі вчених вдалося створити GR1. Хоча ці гени не ідентичні генам, що містяться в моркві або солодкій картоплі, вони змінюють метаболізм рослин рису, так що рослини виробляють ту саму сполуку, бета-каротин, підтверджене хімічним аналізом. Покращений штам GR2, який замінив ген нарцису на ген кукурудзи, виробляє в 23 рази більше бета-каротину.

Використовуючи дослідження біодоступності, вчені встановили, що лише 72 грами (приблизно 1/3 склянки) сухого рису GR2 на день забезпечують достатню кількість бета-каротину для запобігання ВАД у дитини [11]. Дітям давали їсти вказану кількість золотого рису, а кількість продукованого ними вітаміну А вимірювали за допомогою невеликої проби крові. Цей коефіцієнт конверсії бета-каротину у вітамін А (еквівалентність вітаміну А) був використаний для розрахунку кількості золотого рису, необхідного для запобігання дефіциту вітаміну А на основі рекомендацій щодо прийому. Цей тип експерименту можна проводити з будь-якою їжею або добавкою, і дослідження також показали, що добавки Золотий рис та бета-каротин мають подібні еквіваленти вітаміну А [12].

Як біоформування порівнюється із традиційними методами?

Застосувавши ВАД як тематичне дослідження, ми можемо порівняти традиційні методи укріплення/доповнення з біофортифікацією. Найбільш переконливими аргументами на користь біоформування є вартість та доцільність. ЮНІСЕФ та інші організації з надання допомоги в значній мірі розраховували на пожертви урядів та приватних фондів для фінансування програм укріплення та доповнення в бідних районах. Фінансування не гарантується, особливо у випадках економічної кризи та політичних потрясінь. Бідніші країни також не мають необхідної інфраструктури та логістики, необхідних для розповсюдження добавок та збагачених продуктів харчування. У 104 пріоритетних країнах ЮНІСЕФ щодо добавок вітаміну А рівень охоплення цільових груп населення становить лише 58%, і ця кількість сильно коливається з року в рік [7].

Традиційні програми добавок вимагають послідовних грошових вкладень; USAID вважає, що витрати на Гану або країну подібного розміру становлять 2-3 мільйони доларів щороку [13]. На відміну від цього, біоформування є помітно дешевшим. У випадку із "Золотим рисом" компанія GM, що займається ГМ, дала згоду надати безкоштовно насіння GR2 фермерам, які заробляють менше 10 000 доларів на рік (близько 99% цільової популяції.) Як тільки фермери отримають це насіння, подальші інвестиції не будуть необхідні, оскільки вони можуть продовжувати садити насіння рік за роком, а виробництво бета-каротину стабільно протягом кількох поколінь рослин із золотого рису. Витрати на біофортифікацію походять від розвитку сільськогосподарських культур і представляють лише частину витрат на стійкі добавки [4].

Деякі групи, зокрема Грінпіс, ​​стверджують, що біоформування, особливо за допомогою генетичної модифікації, не є доцільним - замість того, щоб впроваджувати ГМ-культури в бідні країни, ми повинні допомагати фермерам навчитися вирощувати різноманітні культури, щоб поліпшити загальний склад раціону [5]. Одним з прикладів є вирощування солодкої картоплі, багатої бета-каротином, як вторинної культури в Африці; знову ж таки, недоліками таких типів програм є висока вартість та логістичне навантаження. Хоча Золотий рис та інші ГМ-культури не вирішують проблему бідності, вони можуть мати значний позитивний вплив на рівень захворюваності. Прихильники ГМ обережно підкреслюють, що біофортифікація має бути лише одним із компонентів зусиль, спрямованих на охорону здоров’я у країнах, що розвиваються, і вона буде найефективнішою, якщо застосовуватись разом із програмами зменшення бідності [4].

Ще однією головною перешкодою ГМ-культур є безпека, оскільки багато споживачів вважають, що введення чужорідної ДНК в рослину може зробити рослину непридатною для споживання. Золотий рис та інші ГМ-культури проходять дуже суворий аналіз безпеки, щоб бути схваленими такими регуляторними органами, як FDA або Європейське управління безпеки харчових продуктів (EFSA) (див. Цю статтю). Багато людей не усвідомлюють, що стратегії розведення сільськогосподарських культур можуть також кардинально змінити склад рослин. Одним з важливих прикладів є розмноження мутацій: насіння піддаються дії хімічних речовин та випромінювання, що створює пул насіння з різними мутаціями, деякі з яких можуть бути корисними. Станом на 2010 рік 2543 сорти сільськогосподарських культур були виведені з використанням мутаційного розведення, але тестування на безпеку для цих культур не є обов’язковим, як для ГМО, таких як Золотий рис, і зусилля щодо селекції регулюються набагато більш вільно [14-16].

Супротивники ГМ переживають, що нові гени в ГМО можуть бути токсичними. У випадку із Золотим рисом єдиним новим білком для раціону людини є бактеріальний ген, згаданий вище; інші нові білки зазвичай споживаються людиною і, отже, навряд чи можуть завдати шкоди. [14,15]. Насправді дослідження показали, що білки в золотому рисі (включаючи бактеріальний білок) є одночасно нетоксичними та неалергенними [15]. Оскільки рис ретельно готується при високих температурах, його білки інактивуються теплом, ще більше знижуючи ризик токсичності [14].

Чи справді фермери використовуватимуть ГМ-культури, такі як Золотий рис? Одне з ключових питань - наскільки добре буде рости Золотий рис; щоб його можна було широко прийняти та використовувати, урожайність культур повинна бути подібною до штамів рису, що використовуються в даний час [11]. Гени GR були впроваджені в кілька штамів рису, щоб створити сорти Золотий рис, оптимізовані для росту в різних середовищах [4]. Також будуть необхідні освітні програми, щоб фермери були поінформовані та могли почуватись комфортно при посадці золотого рису та інших біоукріплених культур [15]. Золотий рис має такий же смак і смак, як і традиційний рис, властивості, які повинні збільшити його прийняття. Шафран та куркума зазвичай використовуються для виробництва страв з жовтого рису, тому жовтий колір Золотого рису не повинен перешкоджати його прийняттю.

Таблиця 1. Вибір основних культур, що розробляються для поліпшення складу поживних речовин. [17]

Якщо дивитись поза Золотим рисом, існує велика кількість біоукріплених основних культур (Таблиця 1). Багато з цих культур призначені для надходження інших мікроелементів, зокрема вітаміну Е у кукурудзу, ріпак та сою, а також підвищену доступність заліза в рисі та кукурудзі. Вміст білка також є ключовим напрямком; білково-енергетичне недоїдання зачіпає 25% дітей, оскільки багато основних культур мають низький рівень незамінні амінокислоти. Незамінні амінокислоти є будівельним елементом білків, і їх потрібно вживати через дієту або добавки. До цього часу кукурудза, ріпак та соя були сконструйовані так, щоб вони містили більшу кількість незамінної амінокислоти лізину. Такі культури, як кукурудза, картопля та цукровий буряк, також були модифіковані, щоб містити більше харчових волокон, що є компонентом, що має багато позитивних переваг для здоров'я [17].

Недоїдання є тихою епідемією у країнах, що розвиваються, щороку помирають мільйони дітей. Біофортифікація може не бути ідеальним рішенням проблеми бідності в цих країнах, але вона може потенційно значно зменшити тягар хвороб. Залишається ще багато роботи, але біоукріплені культури, такі як Золотий рис, дійсно можуть бути на вагу золота, коли мова йде про запобігання хворобам.

Оригінальна версія цієї статті зазначала, що маніоку не можна розводити вибірково. Хоча маніоку в історії було важко розводити, HarvestPlus розробив маніоку вітаміну А шляхом селективного розведення.

Мері Е. Гірінг - кандидат наук. кандидат у програмі біологічних та біомедичних наук Гарвардського університету.

Ця стаття є частиною спеціального видання від серпня 2015 року, Генетично модифіковані організми та наша їжа.