Darvas B. (1999): Történetek a Bacillus thuringiensis-ről.
Élet és Tudomány, 54 (5): 141- 143.
Darvas Béla

Történetek a Bacillus thuringiensis-ről

A „csodabaktérium”, a rovarölő mérgeket termelő Bacillus thuringiensis 1957-ben jelent meg a növényvédő szerek piacán. A biotechnológusok egy évtizede figyeltek föl rá, s ma benne látják a jövő egyik legfontosabb eszközét a rovarok elleni védekezésben.

 

A titok nyitja: a Bacillus thuringiensis (röviden a Bt) méreganyagát magában foglaló paraporális test a rovarok lúgos kémhatású középbelében kisebb polipeptidekké esik szét (lásd A “méregkeverő” falain belül című írásunkat – A szerk.). Így a méreg, a d-endotoxin a középbél hámsejtjeinek receptoraihoz kötődhet, és csatornákat nyit a sejthártyán. E sebeken a bélüregben lévő sokféle mikroorganizmus bejut a testüregbe, ami végül is a rovar pusztulásához vezet. A fertőzést követően a kártevő még több napig élhet, de már nem táplálkozik. A d-endotoxin önmagában is kifejti hatását, nem szükséges hozzá a baktériumsejt.

 

A biotechnológia szolgálatában

Egy amerikai vegyipari cég „javított” baktériumtörzseket hozott létre: több ezer Bt-törzsben azonosította a d -endotoxint termelő plazmidokat, majd némelyiket konjugációval* olyan törzsekbe vitte át, amelyek gazdaságosan fermentálhatók (2. ábra). Hibrid baktériumtörzseket pedig (ugyancsak konjugációval) a plazmidok új kombinációival hoztak létre (3. ábra). Az ilyen baktériumok egyidejűleg többféle hatású d-endotoxinokat termelnek, s például nem csupán a burgonyabogarat, hanem a burgonyát károsító hernyókat is megbetegítik.

 


1. ábra A Bacillus thuringiensis sejtje a spórával és a toxinnal hernyókat

 

Az Amerikai Egyesült Államokban a d-endotoxin termelését kódoló géneket elkülönítve a többitől, azokat genetikailag módosított, nagy mennyiségű toxint létrehozó Pseudomonas fluorescens-be klónozták. A fermentálás végén a befogadó baktériumot elpusztították, s a tiszta d-endotoxint mikrokapszulázták (CellCap-technológia).

De a növény saját maga is termelhet mérgeket a rovarok ellen, ha cry géneket tartalmaz.


2. ábra Bacillus thuringiensis vegetatív sejtje. Törzsjavítás plazmidmódosítással

 

A d-endotoxint termelő módosított – transzgénikus – dohány 1987-ben született meg, 1992-ig pedig az ilyen képességű gyapotot, majd burgonyát és paradicsomot is létrehozták. A négy főcsoportból leginkább a lepke- és bogárfajok lárváit pusztító transzgénikus növények váltak ismertté. A transzgénikus gyapot kifejlesztésére például a cryIAb és cryIAc gének részben manipulált formáit használták fel, s ezek a növényben már százszorta voltak hatékonyabbak, mint az eredeti gének. A toxint kódoló gének manipulálása eleve új típusú toxinok létrehozására vezethet. Példa erre néhány új Bt-törzsnek a fonálférgekre is ható méreganyagai. A transzgénikus növény elkészítéséhez egy „segédeszközt” (úgynevezett vektort) használnak fel (a Bt nem képes bejutni a növény szöveteibe). A növénybe általában az Agrobacterium tumefaciens talajbaktérium egyik (tumort indukáló) plazmidjával viszik be a szükséges géneket tartalmazó DNS-szakaszt.

 


3. ábra Hibrid baktériumtörzs készítése konjugációs módszerrel

 

A Bt-toxint termelő növények továbbfejlesztett változataiban már többféle transzgén is van. Például az új kukoricafajták már bizonyos vírusoknak is ellenállnak, vírus eredetű köpenyfehérje-génjeiknek köszönhetően.

 

Másodlagos hatások

A természetes eredetű Bt-tartalmú készítmények nem mérgezőek madarakra, halakra és emlősökre. Néhány fehérjéjük azonban allergiát okozhat a különösen érzékeny emberekben. Oregonban majdnem harminc évig használtak ilyen készítményeket. Az ott élő emberek közül az első évben 80 ezer, a második évben 40 ezer embert vizsgáltak meg (a testükből tizennyolc helyről vettek mintát). A szűrés eredménye: ötvenöt Bt-pozitív pácienst találtak, de mindössze három esetben állapítottak meg tüneteket is, igaz, mind a hármuk régebbi eredetű, immunhiányos állapotot előidéző betegségben szenvedett. Ez arra hívja fel a figyelmet, hogy a biopreparátumok hatását az immunhiányos betegekre kiterjesztve is vizsgálni kellene. Mostanában láttak napvilágot azok a közlemények, amelyek a Bt-készítményekben a hasmenést okozó enterotoxint* mutattak ki (a CryIA-t gyanúsítják). Egy 1995. évi gyomor-bél hurut járványa kapcsán a Bacillus cereus és a Bacillus thuringiensis együttes előfordulását észlelték.

Megjelentek már a Bt-toxinokra rezisztens kártevők is. Az első, Bt-toxinra rezisztenciát mutató rovartörzset 1982-ben fedezték fel. A készletmoly (Plodia interpunctella) törzseinek második nemzedékében már harmincszoros hatékonyságcsökkenést is kimutattak, a tizenötödik nemzedék után pedig százszor kevésbé érzékeny népességet kaptak! Ma mintegy tucatnyi rovarfajnak a Bt-toxinra ellenálló törzsét tartjuk nyilván, ez pedig a transzgénikus növényfajták lejárati idejére hívja fel a figyelmet.

A Bt-toxint termelő transzgénikus növények komposztálódásuk során szokatlanul nagy mennyiségű toxint bocsátanak ki a talajba, amely elpusztítja a lebontásban közreműködő rovarlárvákat. A Bt d-endotoxinok lebomlására vonatkozóan alig vannak adataink. S az a körülmény, hogy a transzgénikus növények által termelt d-endotoxinok esetleg saját táplálékainkban is megjelenhetnek, számtalan kérdést vet fel. Például: miként oszlik el a toxin az élelmezésre szolgáló növényrészek szöveteiben?

 

A Cry-toxinok csoportosítása

Toxinosztály

Aktivitási terület

Nagyság
(kilodalton)

Eredet

CryI
CryII
CryIII
CryIV

lepkék
lepkék és kétszárnyúak
bogarak
kétszárnyúak


130-140
70-73
67-75
70-140

természetes
természetes
természetes
természetes


CryV
CryVI
CryVII
CryVIII
CryIX

lepkék és kétszárnyúak
fonálférgek
fonálférgek
lepkék

81
44-153
44-153


mesterséges
mesterséges
mesterséges
mesterséges
mesterséges

 

Ha a Bt-gén elszabadul

A génelszabadulás tényével is szembe kell nézni. A genetikailag manipulált Bt-törzsek plazmidjai konjugációval átkerülhetnek a természetes Bt-népességekbe. A módosított Bt-törzsek esetében vizsgálni kellene, hogy az általuk termelt toxin előfordul-e a természetben. Némelyek szerint a baktériumfajok 1 százalékát sem ismerjük, így elgondolkodtató az, hogy mennyire feltáratlan környezetbe kerülnek a transzgénikus baktériumok. Mások szerint nincs ok aggodalomra: a mikrobák felől érkező természetes szelekciós nyomás olyan erős, hogy aligha képzelhető el elterjedésük.

Az idegen beporzású növények világában állatok vagy a szél segítik a pollen terjedését, a transzgénikus növényektől való tovakerülését is (lásd az Öszvérnövények című keretes írást! – A szerk.). Míg az önbeporzók körében a keresztbeporzás megakadályozására elégségesnek gondolják a 10 méteres izolációs távolságot, addig idegen beporzóknál 1000–2000 méterre becsülik ezt a távolságot. Ez, persze, átlagos körülményekre értendő. Például a kétlaki kender pollenjét 10-15 kilométer távolságban is felfogták. A probléma megoldására a szakemberek különböző, egymással össze nem férhető, ám hasonló időben virágzó, rovarporozta növényfajokból védősávok és a termesztett faj egyedeiből (ám ezek magjait a vetőmag-hasznosításból kizárva) őrzősávok létrehozását javasolják. A génelszabadulás veszélyei teljesen csak a hímsteril transzgénikus vonalakkal háríthatóak el.

A Bt d-endotoxint termelő transzgén a kultúrkörnyezetből kiszabadulva – a rokonsági körben – létrehozhat rovarkártevő nélküli gyomokat. A környezetben nagy mennyiségben megjelenő ilyen növény gyökeresen alakítaná át az ízeltlábúak világát (a kártevőket és a rájuk épülő táplálékláncokat egyaránt), de a flórát is, hiszen a növényi társulásokban ő lesz a domináns elem. A természet meglevő forrásainak kihasználásáért verseny folyik, s ha egy növényfaj dominánssá válik, módosul az eloszlás, a domináns növény kiszoríthatja környezetéből a többi fajt. A felsorolt aggályok ellenére a természetes eredetű Bt-toxint tartalmazó készítmények – mai tudásunk szerint – kémiai versenytársaikkal összevetve a legkisebb környezeti veszélyt jelentik. Ellenben a biotechnológiai úton módosított Bacillus thuringiensis, a CellCap technológiával csomagolt d-endotoxinok és a Bt-toxint termelő transzgénikus növények ökotoxikológiai megítélésében (s általában a biotechnológia jelenlegi eredményeinek növényvédelmi célokra való alkalmazásában) napjainkban még igen sok a kérdőjel. Sajnos, még e rohamosan fejlődő kutatási terület vezető országában, az Amerikai Egyesült Államokban is a biotechnológiai kutatásokra kapott pénznek csupán 1 százalékát használták fel ökológiai kockázat felmérésére.

 

A méregkeverő falain belül

A Bacillus thuringiensist 1911-ben írta le Berliner. Alfajai közül 1970-ben fedezték föl a B. serovar. kurstaki-t, amely hernyókban kétszázszorta volt patogénebb, mint a B. serovar. thuringiensis. 1977-ben a kétszárnyúakon aktív B. serovar. israelensis-t, végül 1987-ben a bogárfajokat megbetegítő B. serovar. tenebrionis-t.

A Bacillus thuringiensis aerob, toxin- és spóraképző baktérium (1. ábra), amely gyakori a természetes környezetünkben. A baktérium – az anyasejt pusztulásakor – a DNS-tartalmat magába záró hőtűrő baktériumspórát és kristályos zárványokat, úgynevezett parasporális testet hoz létre, és amely lappangó (hipobiotikus) formában rendkívül hosszú ideig életképes marad. Gazdaszervezetbe kerülve a parasporális test feloldódásával „kiszabadulnak” a fehérjetoxinok, és a spóra újra létrehozza a baktériumsejtet.

A Bt három toxincsoportot termelhet: az α- és a ß-exotoxinokat, illetve a d-endotoxinokat. A vízoldékony és hőre elbomló α-exotoxinokat azonosították a lecitináz C enzimmel. A hőtűrő ß-exotoxinok nukleotid természetűek és – hatásmódjukat tekintve – az RNS-polimeráz* gátlói. Mára az ilyen tartalmú készítményeket mutagén és magzatkárosító hatásuk miatt betiltották. A d-endotoxin a spóraképződés idején keletkeznek mint kristályosodó fehérjetoxinok, s a Bt e méreganyagait Cry névvel különböztetik meg más fajok toxinjaitól.

A Bt-t a vegetatív sejt* egyik antigénje: a H-antigén alapján huszonhét eltérő antigénszerkezetű törzsre: szerotípusra választották szét. A törzsek patogenitása között nagy különbségek vannak, s ez azzal függ össze, hogy melyik milyen toxint termel. Ma már inkább a toxintermelő-képesség szerint osztályozzák őket, az pedig nem mindig egyezik meg a H-antigén alapján készített elkülönítéssel.

A Bt citoplazmájában a baktériumokra jellemző, önállóan szaporodó DNS-tartalmú elemből: a plazmidból hat-tizenegy található. Ezekből általában csupán egynek vagy kettőnek a génjei – a Bt méreganyagának neve után –, a cry-gének vesznek részt a d-endotoxinok létrehozásában. A Bt közeli DNS-rokona, a Bacillus cereus probléma nélkül képes fogadni és működtetni a d-endotoxint termelő plazmidokat. Ugyanerre még seregnyi más baktériumfaj is képes, például a Pseudomonas fluorescens is. A B. serovar kurstaki HD-1 törzsében két plazmidon öt gén termel toxinokat, amelyek tégla és bipiramidális alakú kristályszerkezetben válnak ki. A két termék összeépülve alkotja a már említett parasporális testet.

Magukat a természetes eredetű d-endotoxinokat négy nagy – CryI-CryIV – csoportba osztották attól függően, hogy milyen rovarrendekben fejtik ki a hatásukat (táblázat). A nagy toxincsoportok alcsoportokra bomlanak: CryIAa, CryIAb, CryIAc, CryIB stb. Jelenleg negyvenkét Cry toxint ismerünk. A genetikailag módosított Bt szervezetek által termelt toxinokat CryV és annál nagyobb számmal jelölik. A transzgénikus növények pedig többnyire a CryI és a CryIII toxinok módosított változatait termelik. A módosítás oka az, hogy az eredeti toxin a növényekben fitotoxikus hatású volt, emiatt némi változtatást kellett végrehajtani rajta.

 

Öszvérnövények

Földünkön minden fajnak megvan a maga génközpontja; s a növénynek azon a területen akad a legtöbb olyan rokona is, amelyekkel fajhibridek létrehozására is képes. A keresztbeporzás feltételei: az azonos élőhely, a szexuális összeférhetőség, az egymást átfedő virágzási időszak és az azonos megporzók léte. Ennek a feltételnek a természetes ökoszisztémákban sokkal több termesztett növény és gyom társulása felel meg, mint ezt előzetesen feltételeztük. A kérdéskör gyakorlatilag két fontos részre ágazik: génáramlás megporzással, magelszórással, valamint vegetatív szaporodással keletkezhet (citoplazmikus öröklődés csak ez utóbbi úton terjed); az új genetikai tartalom fennmaradása az F1 nemzedék vegetatív növekedésétől, alkalmazkodóképességétől és magtermelésétől, az F2 nemzedékben az öröklött tulajdonságok „hasadásától” és mutációjától stb. függ. Napjainkban fajok közötti hibridképződésre vonatkozó közlemények a cirokkal (Sorghum bicolor) és a vegetatívan is szaporodó fenyércirokkal (Sorghum halepense), valamint a rovar porozta repcével (Brassica napus), a réparepcével (Brassica rapa) és a Szareptai-mustárral (Brassica juncea) kapcsolatban láttak napvilágot. Minthogy számos termesztett növényünknek Európa a génközpontja, annak is nagy a valószínűsége, hogy fajhibridek képződnek alma, cikória, cirok, cukorrépa, fehérhere, fenyőfélék, fűfélék (Agrostis spp., Festuca spp., Lolium spp., Poa spp.), káposztafélék, lucerna, nyárfélék, repce, saláta, sárgarépa, spárga, szilva, tök és vörös here esetében is. Igazán izgalmas a transzgén sorsa akkor, ha ez a kérdés: milyen pollen-összeférhetőségi lánc működik a természetes ökoszisztémákban, azaz egy véletlenül transzgénikussá váló gyomnövény vajon hová „passzolja” tovább az előnyösnek mutatkozott gént?

Élete során a transzgénikus növény számos kapcsolat részesévé válik. A talajon keresztül mikroorganizmusokkal, növényevő állatokkal, vadon élő rokonokkal (keresztbeporzás útján) és más növényekkel (dominanciaviszonyok megváltozása által) létesít kapcsolatokat. Az állatok és az ember bélmikroflórájára gondolva, emésztéskor egy újabb, alig kutatott kapcsolatrendszer keletkezik. A biotechnológiában napjainkban alkalmazott transzgének többsége Escherichia coli, Agrobacterium, Achromobacter, Bacillus, Klebsiella, Pseudomonas, Salmonella, Shigella és Streptococcus baktériumokból származik, s egy részük antibiotikum-rezisztenciát is hordoz.

 

&
Kislexikon

enterotoxin: a belekben ható méreg

keresztrezisztencia: az azonos szerkezetű, hatásmódú vagy detoxifikációs viszonyban lévő vegyületek között kialakuló kapcsolat

konjugáció: két egysejtű szervezet időlegesen összeolvad, majd – genetikai információik egy részét egymással kicserélve – szétválik egymástól. E genetikai információátadásnak egyik fontos eszköze a plazmid, segítségükkel ~ baktériumfajok között is létrejöhet

plazmid: a citoplazmában található, a kromoszómától független, géneket tartalmazó DNS-szál

RNS-polimeráz: az RNS egységeket „összeépítő” enzim

vegetatív sejt: szaporodóképes baktériumsejt, amelyet meghatároz a kromoszóma- és plazmidtartalma

 

 

(ÉT verzió)