Избирательность обусловлена специфическим механизмом токсичности Bt-протеина. Попадая в пищеварительный тракт чувствительного к нему насекомого, Bt-протеин претерпевает изменения: под действием определенного протеолитического фермента в щелочной среде (рН 7,5 - 8,0); от исходной молекулы протеина отделяется небольшая часть (приблизительно равная одной трети молекулы), представляющая собой активную форму этого белка. Только она способна прикрепляться к специфическим рецепторам в средней части пищеварительного тракта насекомого и вызывать лизис (растворение) клеток, который приводит к образованию пор. Насекомое перестает питаться, происходит обезвоживание организма, и, в конце концов, наступает смерть. У нечувствительных к конкретным препаратам Bt-протеина насекомых описанные процессы не происходят, и Bt-протеин у них просто переваривается.
Естественно, Bt-протеин не представляет угрозы для теплокровных животных и человека, поскольку пищеварительный тракт у них устроен иначе, чем у насекомых, и у них другие протеолитические ферменты. Более того, Bt-протеин - весьма нестойкий белок, который легко денатурирует при нагревании, в кислой среде желудка, быстро переваривается желудочным соком (лишь разбавление желудочного сока в тысячу раз позволило построить кривую его деградации во времени: уже через десять минут от него не оставалось и следов). В остром эксперименте на мышах (15 дней скармливания Bt-протеина в дозах до 5 граммов на один килограмм веса) не установлено никаких отклонений в здоровье опытных особей. За почти сорокалетнюю историю использования препаратов на основе Bt-протеина не отмечено ни одного случая аллергий или его токсичности для людей, в том числе сотрудников предприятий, на которых его производят.
Особенно высокая эффективность трансгенного Bt-протеина отмечена на кукурузе и хлопке. Дело в том, что вредители этих культур - личинки мотыльков европейского точильщика кукурузы, хлопкового коробочного и розового коробочного червеца - находятся на поверхности растения в течение очень короткого времени. Затем они внедряются в ткани растения и прогрызают там ходы, нанося, таким образом, существенный урон здоровью растений и урожаю. Поскольку у трансгенных сортов Bt-протеин образуется во всех зеленых тканях растения и присутствует там постоянно, то это позволяет растению защищать себя от вредителей на протяжении всего периода вегетации. При этом трансгенный Bt-протеин высокоэффективен в исключительно низких концентрациях. Так, во всей зеленой массе кукурузы в период цветения на площади в 1 гектар содержится всего 8 - 16 граммов Bt-протеина. В конце сезона эта цифра имеет еще меньшее значение - 0,8 грамма. В зрелом зерне и в силосной массе Bt-протеин отсутствует вообще: его невозможно обнаружить даже с помощью самых чувствительных аналитических методов.
Для создания Bt-картофеля использован другой промотор - ats1Aмалой субъединицы рибулозо-1,5-бифосфаткарбоксилазы любимого генетиками модельного растения Arabidopsisthaliana (мелкий сорняк из семейства Крестоцветных). Bt-ген, регулируемый фоточувствительным промотором, экспрессируется на свету в 100 раз сильнее, чем в темноте. Соответственно в клубнях Bt-протеина образуется в 100 раз меньше, чем в листьях. Если быть точным, речь идет о 0,09-0,053 микрограмма Bt-протеина на 1 грамм сырого веса клубней. Таким образом, чтобы потребить суточную дозу Bt-протеина, которую скармливали мышам в остром эксперименте (без каких-либо отрицательных последствий для их здоровья), человеку весом 70 килограммов необходимо съесть за сутки как минимум 700 тонн клубней!
Эти красноречивые данные свидетельствуют, что ни трансгенный картофель, ни трансгенная кукуруза не содержат в своем урожае продукта привнесенного им бактериального гена. То есть они полностью идентичны по своим потребительским свойствам сортам, полученным методами традиционной селекции.
Еще одной большой проблемой в выращивании культур являются вирусные болезни.
Вирусные болезни являются причиной весьма значительных потерь урожая для целого ряда культур, в первую очередь тех, которые размножаются вегетативно (клубнями, черенками, луковицами, прививкой), а также тыквенных, томатов и некоторых других. В связи с этим разработка принципиально новых подходов в борьбе с вирусными болезнями представляет большой практический интерес. Современные генно-инженерные технологии создания устойчивых к вирусам сортов растений базируются на использовании известного с незапамятных времен метода, получившего название перекрестной защиты (crossprotection). Он основан на явлении повышенной устойчивости растений к агрессивным формам какого-либо вируса при условии, что оно было ранее заражено менее вредоносной формой того же самого вида вирусов. Механизм этого явления точно не выяснен, однако его достаточно широко используют в Японии для защиты томатов от поражения вирусами томатной и огуречной мозаики, в Бразилии для защиты цитрусовых (citrustristeraclosterovirus), папайи (ringspotроtyvirus), кабачков цуккини.
В 1986 году Пауэл Абель с сотрудниками впервые получили устойчивые к мозаичному тобамовирусу растения табака путем переноса в их генетический материал гена этого вируса, кодирующего образование белка оболочки (coatprotein - СР). С тех пор этот подход был успешно апробирован на многих растениях (свыше 30 видов) с более чем 50 вирусными СР. Позднее оказалось, что аналогичный, а иногда даже лучший результат достигается при использовании не СР-трансгенов, а генов, кодирующих другие протеины вирусов - ферментов репликазы, РНКазы.
Для генетической инженерии вирусоустойчивых форм в целях безопасности используют СР-гены, которые предварительно модифицируют таким образом, чтобы они не могли переноситься от растения к растению, либо выделяют СР-гены из естественных "нетрансмиссибельных" штаммов. Также оперируют генами от штаммов, не способных инфицировать растения в естественных условиях, либо манипулируют укороченными СР-генами, которые кодируют образование дефектных, нефункционирующих СР-протеинов. Оказалось, что можно обеспечить защиту от вирусов даже в тех случаях, когда встроен настолько дефектный СР-ген, что образовавшаяся при его считывании информационная РНК не способна к трансляции, то есть к синтезу соответствующего СР-протеина.
Из всего разнообразия полученных вирусоустойчивых форм для коммерческого использования допущены сравнительно немногие: папайя, устойчивая к вирусу пятнистости, две формы цукини, устойчивые к нескольким вирусам, и сорта картофеля с комплексной устойчивостью к колорадскому жуку (Bt-ген) и к одному из вирусов картофеля: игрек-вирусу (PVY) или вирусу скручивания листьев (PLRV).
Заметим, что описанная генно-инженерная технология защиты растений от вирусов позволяет получать сорта, в значительной мере идентичные по своим потребительским качествам сортам традиционной селекции. Человечество имеет длительную историю безопасного потребления продуктов трансгенов СР-протеинов, поскольку названные вирусные протеины постоянно присутствуют в пище из картофеля, кабачков и других растений. Более того, в обычных сортах концентрация этих белков может быть в десятки, а то и сотни раз выше, чем у трансгенных форм: ведь они-то не устойчивы к вирусам и поэтому накапливают их в своих тканях.
Одним из больших плюсов генной инженерии является улучшение сельскохозяйственных растений и их качественных характеристик.
Это группа исключительно ценных для потребителя форм, при получении которых не используются чужеродные гены. Добавляя в генетический материал растения дополнительные копии определенных генов, выделенных из собственной ДНК растения, можно добиться ослабления активности этих генов. В свою очередь это может привести к изменению качественных характеристик того продукта, в генетическом контроле биосинтеза которого задействованы данные гены.
Интересный пример использования явления "замолкания генов" - создание сортов трансгенного картофеля с улучшенным качеством крахмала. Крахмал, выделенный из обычных сортов картофеля, содержит две основные формы этого полисахарида: ветвистый - амилопектин и неветвистый - амилоза. Чем больше амилопектина и меньше амилозы, тем выше качество крахмала. Генно-инженерный сорт картофеля с повышенным качеством крахмала создан путем добавки дополнительной копии гена амилозы (в перевернутом по отношению к промотору виде, то есть в виде так называемой антисмысловой конструкции). В результате уровень менее ценной амилозы в крахмале трансгенного сорта был понижен практически до нуля.
Аналогичная "антисмысловая" генетическая конструкция использована и при создании трансгенного сорта томатов FLAVRSAVRс удлиненным периодом хранения плодов. Обычно в процессе созревания плоды томатов вскоре после покраснения постепенно теряют упругость, становятся мягкими и загнивают. Причиной этого является образование фермента полигалактуроназа, который деградирует пектин, находящийся в межклеточном пространстве плода. При создании трансгенного сорта была использована антисмысловая конструкция названного гена. В результате у полученного сорта полигалактуроназа образуется в пониженном количестве, благодаря чему спелые помидоры в течение продолжительного времени сохраняют товарный вид.
При создании трансгенного рапса с улучшенным составом масла использован более традиционный для генетической инженерии подход горизонтального переноса генов от неродственных видов. В генетический материал рапса был "подсажен" ген тиоэстеразы от калифорнийского лаврового дерева. Вследствие этого трансгенный сорт получил способность образовывать масло, в котором появились не свойственные для рапса лавровая и миристиновая жирные кислоты. Такое масло по качеству приблизилось к наиболее ценным растительным маслам: пальмовому и кокосовому.