Hatás kontra ellenhatás – A tolerancia és rezisztencia alapjai

Glyphosate-rezisztens betyárkóró (Conyza canadensis) egy fresnói (Kalifornia) őszibarackosban (Fotó: Bradley D. Hanson et al.)
Glyphosate-rezisztens betyárkóró (Conyza canadensis) egy fresnói (Kalifornia) őszibarackosban (Fotó: Bradley D. Hanson et al.)

(Biotechnológikaland No36)

A természetben minden hatást ellenhatás követ. Egy faj érintetlen népességeinek egyedei sokfélék. A legkülönfélébb tulajdonságokat birtokolnak. Olyanokat is, amelyeknek eddig hasznát sem vették. A mutációk és a genetikai rekombináció idézték elő időben ezt a sokféleséget. Vannak egyedek, amelyek egy durván új szelekciós hatásra – mint például a glyphosate gyomirtó totális növénypusztítása – is másként reagálnak, mint a többség. Szerencsésen térnek el az átlagtól, például van egy kissé eltérően funkcionáló részük, amelyen keresztül ez a hatóanyag éppen kifejtené a növénypusztuláshoz vezető hatását. Bingó. Túlélnek és magot érlelnek, s a földrajzi helyen, a következő nemzedékben a részesedésük sokkal nagyobb lesz, majd lassan meghatározóvá is válnak. Ehhez persze a szelekciós hatásnak hosszú távon kell hatnia. Így jönnek létre természetes úton tűrőképes gyomnépességek, amelyek időről időre keresztbe tesznek a technológiai haladásnak.

A növényvédelmi célú (első generációs) géntechnológiai úton módosított (GM) növényekkel kapcsolatos hírekben a véleményírások száma messze meghaladja a tényirodalmat, ami a tudománytörténetet tekintve merőbben szokatlan. Számtalan pro és kontra vélemény olvasható. Lelkesedhetünk a korai eredményekért, mint a természettudományos technológia egyik jelenkori eredményéért, és elvethetjük ezeket, mint a takarmányokat és táplálékainkat érintő, eddig szükségtelennek bizonyuló változtatásokat. Egyetlen dolog van, amit senki sem tagad, de összetett volta miatt a tárgyalását elkerüli, ez pedig a gyakorlati szempontból kulcsfontosságú tűrő- és ellenálló-képesség. Teszek egy – korábban az Élet és Tudomány folyóiratban Székács Andrással írtak utáni – kísérletet ennek kifejtésére.

Tolerancia és rezisztencia

A farmakológiából az egyik legrégebben ismert példa a morfiné, amelyből 2-4 hetes használat után egyre nagyobb dózis szükséges ahhoz, hogy a kívánt fájdalomcsillapító hatást elérjük. A hatást kiváltó dózis változása igen tekintélyes lehet. Míg a kezelés kezdetén 60 mg morfin/nap már légzésmegállást okozhat, a morfintoleránsoknál ez 2000 mg morfin/nap dózis is lehet. A tűrőképesség tehát akár a 30-szorosára is fokozódhat. Az okok között leggyakrabban a detoxifikálásban résztvevő májenzimek hatékonyabb működését találták.

A tolerancia (tűrőképesség) és rezisztencia (ellenálló-képesség) egyáltalán nem könnyen elválasztható fogalmak. Kétségtelen persze, hogy a rezisztenciához a tűrőképesség fokozódásán keresztül vezet az út. Viszont a tűrőképesség nagyon is dózis-/koncentrációfüggő, vagyis létezik olyan mennyiség, amelyre az érzékeny népességrész pusztulással reagál, míg a tűrőképes túléléssel. A mennyiség emelése azonban a tűrőképességet is leküzdi. A rezisztencia ennél többről szól: ilyenkor a kezelt mennyiség olyan mérvű növekedéséről van már szó, amely gyakorlati körülmények között elő sem fordul, vagyis méltán beszélünk ellenálló-képességről.

A növényvédelemben is ismert, hogy nagy generációszámú rovarok ellen alkalmazott rovarölő hatóanyagok gyorsan veszítenek hatékonyságukból. Például az üvegházi molytetű (Trialeurodes varopariorum) ellen a hetvenes évek elején alkalmazott dichlorvos* néhány év alatt veszítette el a gyakorlat számára való ebbéli használhatóságát a szentesi üvegházakban. Ez esetben jelentős összetevő volt az a tény, hogy a kártevő tojás és két utolsó – nem táplálkozó – nimfa stádiuma mentesült a méreghatás alól, vagyis az ún. szubletális hatás esélye nagyra emelkedett. A szubletális hatás ideális előzmény egy méreganyaggal szembeni kevésbé érzékeny népességrész szelekciójához, azaz a túlélést biztosító géneket hordozó egyedek feldúsulásához.

Gyógyszerészeti területen talán a legrégebben emlegetett példa a penicillin-rezisztens kórokozók megjelenése. A penicillin 1928-as felfedezése után már a negyvenes években leírták azokat az eseteket, amikor a várt hatás elmaradt. Az antibiotikum-rezisztencia oka sokféle lehet (32. ábra): (i) az antibiotikum enzimatikus deaktiválása (béta-laktamázok megjelenése; esbl-gének); (ii) az antibiotikum metabolizálásának módosulása; (iii) a kiválasztás fokozásával az antibiotikum akkumulációjának csökkenése; (iv) az antibiotikum receptorának módosulása. Penicillin esetében, mely az érzékeny baktériumok sejtfalának normális növekedését gátolja azzal, hogy kötődik az ún. lineáris muropeptidhez, az egyik legjelentősebb változás az, amikor a muropeptid szerkezete lineárisról csoportosra változik, s ez a penicillin kötődéséhez nem teremt lehetőséget. A változás kapcsán a leginkább emlegetett gének: pbp, MurN, MurM.

g32abra

32.ábra: Az antibiotikum-rezisztencia néhány oka

A GM-növényekre gondolva az antibiotikum-markergének példái tartoznak ide. Közülük az ntpII (neomycin-foszfotranszferáz II enzim génje – kanamycin, neomycin, paromomycin, ribostamycin, butirosin, gentamicin A és B, továbbá geneticin), a bla (béta-laktamáz enzim génje – penicillinek és cephalosporinok, ampicillin), az aph4 (hpt) (hygromycin-B foszfotranszferáz – hygromycin), az aad (3”(9)-O-aminoglikozid adenililtranszferáz – streptomycin, spectinomycin), az spc (spectinomycin adenil-transzferáz – streptomycin, spectinomycin) a leginkább használtak a gyakorlatban. Sokan szerették volna ezt az összetevőt a GM-növények előállításából kitiltani (a környezetben az antibiotikum-rezisztenciagének gyarapodásától tartottak), de átmeneti szigorítás után az európai adminisztráció (EFSA) nem így döntött.

Rovarirtó szerek közül, mint a legkorábbi példaként a nikotint említhetjük, amelyet a dohány kivonataként használtak rovarirtásra. Köztudott, hogy a dohánynak is vannak kártevői, azaz léteznek olyan rovarfajok, amelyek éppen ezen a növényen táplálkoznak. Ilyen például a rovarélettan egyik modellállata, a Manduca sexta szender lárvája, amely előszeretettel táplálkozik toxikus alkaloidokat termelő burgonyaféléken (Solanaceae). Ilyen rovar hazánkban a zöld őszibarack-levéltetű (Myzus persicae) is (106. kép), amely faj nikotinos acetilkolin-receptora módosult egy, az átlagosnál sokkal kevésbé érzékeny változatra, így a dohányban előforduló nikotinkoncentráció a számára nem jelent problémát.

Máig közel 400 mezőgazdasági kártevő különféle vegyületekre rezisztens népességeit írták le, ami a jelenség általános és széleskörű elterjedtségét támasztja alá. A GM-növények példái közül a Cry-toxinokat termelő Bt-növények tartoznak ide. A közhiedelemtől eltérően bizony a Cry-toxinokra is sokféleképpen kialakulhat rezisztencia (lásd később).

g106kep

106.kép: Polifág zöld őszibarack-levéltetű (Myzus perciae) szárnyatlan, szűznemző nősténye (Fotó: David Cappaert/bugwood.org)

Az eddigiekből levonható az a következmény, hogy a tűrő- és az ellenálló-képesség fajonként eltérő. Egy vegyület mérgezőségének – letális hatást elérő dózisának – tehát fajokra, sőt azon belül népességekre jellemző öröklődő sajátosságai vannak. A tűrőképesség valamiféle átmeneti állapot az érzékenység és a valódi ellenálló-képesség között. Ebben a fázisban az egyedi érzékenység csökkenése (nagyrészt detoxifikáló enzimrendszerek hatékony indukcióján alapul), amely után a népességszintű szelekció – amelyben az elkövetkező generációkban a tűrőképesek aránya növekedik – jelentős tényező. A rezisztencia ehhez képes a népességre jellemző öröklődő változás, amely során az illető anyaggal kapcsolatos érzékenység (sokszor a hatáshely érzékenységének öröklődő megváltozásával) esetleg nagyságrendileg csökken.

Detoxifikáció – detoxifikáló enzimek

Ahhoz, hogy egy vegyület kifejtse a hatását, el kell jutnia a célhelyhez. Nevezzük ezt receptornak, amelyhez való kötődés indítja el a fiziológiai változást. Ilyen receptort egy további GM-növénycsoport, az ún. glyphosate-tűrő növények miatt is releváns említenünk. A szóban forgó EPSPS nevű célhely, amely génje (epsps) a módosítás tárgya ugyanis változó erősséggel (ez esetben gyöngébben) kapcsolódhat a glyphosate-hoz, s ez máris megteremti a menekülési utat. Speciálisan itt a glyphosate hatóanyagról van szó, ahol napjainkig 17 egyszikű és 20 kétszikű gyomfaj népességeit tartják számon, amelyek tűrőképessége jelentős erre a totális gyomirtóra. Nem kell kifejtenem, hogy gazdaságilag miért rendkívül jelentős fejlemény, ha egy gyomirtó szer elveszíti a gyomirtó-képességét, és hogy ilyesmi technológiai szempontból miféle zavarokat okoz (33. ábra).

g33babra

33.ábra: Az egyes gyomirtó hatóanyagokra napjainkban számontartott, tűrőképessé vált gyomfaj-népességek száma (Forrás)

A receptorhoz való kapcsolódásig egy vegyületnek sokféle akadályt kell leküzdenie. Ennek megfelelően többféle toleranciáról/rezisztenciáról beszélünk. Állatoknál a magatartási típusú rezisztencia a táplálék elfogadására vagy elutasítására vonatkozik. Az elfogadáshoz vizuális, olfaktorikus (gerinceseken szaglószervi) és kemorecepciós (gerinceseken ízlelőszervi) ingereken keresztül vezet az út. A repellens és deterrens hatású anyagok a táplálkozást megakadályozzák, ilyenkor tehát a vegyület elutasításra kerül. Míg a repellens hatású vegyületek már olfaktorikus úton hatnak, azaz próbatáplálkozásra sem kerül sor, a deterrens hatású anyagoknál próbatáplálkozás és kontakt kemorecepciós tapasztalat után történik a visszautasítás.

Vizuális élmény utáni kapcsolat-visszautasításra (repellenciára) is van példa, amennyiben a rikító színű és mintázatú rovarok, puhatestűek, halak, hüllők, kétéltűek elkerülése, általános elutasítása a jellemző. A fiziológiai típusú rezisztenciára az anyagfelvétel (baktériumok sejtfala), annak becsomagolása (szállító fehérjék – lipoforin, arilforin – rovaroknál), időszaki raktározása (méregzacskók) és kiválasztása (időnként saját védelemre fordítva a felvett mérgező anyagot) a jellemző. Ilyenkor az eredeti toxikus vegyület nem feltétlenül módosul.

A biokémiai rezisztencia az előzőekkel szemben lényegi kémiai átalakítást jelent. Ilyenkor a nagy metabolizációs enzimrendszerek (citokróm P-450, glutation-S-transzferáz, karboxil-észteráz, epoxi-hidroláz, hexóz-transzferáz stb.) végzik el egy vagy több lépésben az átalakítást, amely során a gyors kiválasztás előfeltételét megteremtve emelkedik a vízoldhatóság mértéke. Ez a biokémiai rutin azonban néha öngyilkos aktivációhoz vezethet, és az eredeti vegyületnél toxikusabb közti termék jön létre. A nagy detoxifikáló enzimrendszerek működése meglehetősen összetett. Képesek arra, hogy bizonyos vegyületek (induktorok) hatására sokszorosára növeljék a detoxifikációs teljesítőképességüket, illetve hogy ezen túlmenően az aktuálisan jelen lévő vegyület kezelésére hatékonyabb izoenzimeket állítsanak elő, amelyben a szubsztrátcsatorna és -kötőhely öröklődő változásokhoz is vezethet.

g34abra

34.ábra: A rezisztencia/tolerancia formái

A szervezetbe bejutó mérgező vegyületnek a fenti változtatásokat elkerülve (34. ábra) kell a receptorát elérnie. A fehérjetermészetű receptor (öröklődő természete ebből adódik) azonban úgyszintén módosulhat, és érzékenysége sokszorosára csökkenhet. Ennek következménye az lesz, hogy többszörös mennyiségű mérgező anyag váltja ki csak ugyanazt a biológiai hatást (vö. dohányfogyasztó rovarok).

Biodiverzitás

Mi a forrása a toleranciának és rezisztenciának? Természetesen a biodiverzitás, amelynek különböző szintjeit ismerjük. Az ún. vad népességekben a különböző genetikai adottságú egyedek száma magas. Mindez arra jó, hogy egy faj igen sokféle stratégiával készüljön fel a jövő környezetei változásaira. A környezeti változásokra az eltérő adottságú egyedek rejtik a megoldást, rajtuk keresztül alkalmazkodik a népesség. Amennyiben a biodiverzitást génekre vetítjük, akkor az allélgazdagság jellemzi a génszintű biodiverzitást. Népességi szinten az allélgyakoriságok eltérései egy-egy konkrét problémához a gyorsabb vagy lassabb alkalmazkodását teszik lehetővé. Ilyenkor az érzékenység alléljeit hordozó egyedek elpusztulnak, a változatlan forrást viszont elfoglalják a tűrő vagy ellenálló-képesség alléljeit hordozó egyedek (35. ábra). Egy generáció után tehát az illető népesség a szelekciós ágens (itt egy negatív hatású vegyület) hatására átalakul. A biodiverzitásnak létezik faji és ökoszisztéma-szintű válfaja is.

g35abra

35.ábra: Valamely szelekciós ágens hatása egy szűznemző népesség egyedeire

A tűrő- és ellenálló-képesség a táplálékfogyasztás, feldolgozás és kiválasztás teljes vertikumában magában foglal egyéni és csoportválaszokat. A tűrőképesség fokódására egyedi stratégia a detoxifikáló enzimrendszerek indukciója. Az ellenálló-képesség – a fentiek szerint – öröklődő természetű. A vad fajokban a mutáció teremti meg azt az allélgazdagságot, amivel a megváltozó környezethez alkalmazkodó népességek kialakulására teremtődnek meg a feltételek. Egy negatív hatású vegyület átalakítja a népességek allélgyakoriságát úgy, hogy az illető hatást legkönnyebben átélő egyedek életben maradását és szaporító-képességét támogatja. A rendkívüli maghozó-képességű palmer disznóparéj és glyphosate találkozása valami ilyesmit eredményezett (107. kép). A drasztikus környezetei hatások géneróziót idézhetnek elő, ami valójában az allélok számának rendkívüli csökkenését jelenti, ami a további alkalmazkodás esélyeit nagyon lerontja.

g107kep

107.kép: Glyphosate-rezisztens palmer disznóparéj (Amarathus palmeri) egy nebraskai szójaültetvényen (Fotó: Parminder Chaha)

Keresztrezisztencia

Egy vegyületre kialakuló ellenálló-képesség – éppen összetett természete miatt – sokszor eredményez változást más vegyületekkel szemben is. Ekkor beszélünk keresztrezisztenciáról. Az okok többfélék lehetnek. Keresztrezisztencia alakulhat ki azonos kémiai szerkezetű, de azonos hatáshelyű vegyületek (klórozott szénhidrogének és piretroidok) között is, vagy olyanok esetében, ahol ugyanazon megváltozott detoxifikációs kapacitás eredményesen működik.

A következő rész címe: Hatás kontra ellenhatás (2) – Glyphosate-rezisztens gyomok (Biotechnológikaland No37)

Darvas Béla

  • Burián László

    Kedves Béla!

    Mindenekelőtt köszönöm, hogy megosztottad ezt a cikket, hihetetlenül sok információt kaptam és megerősített abban, hogy tovább kell folytatni az egészséges élelmiszerek gyártásával kapcsolatos munkát. Rávilágít arra, hogy ez már a növényeknél kezdődik, és sokkal többet kell a természetre bízni, mint azt gondolják nagyon sokan. Ne akarjunk Istent játszani, mert az nagyon rosszul sül el. Az antibiotikumnál már kiderült, hogy az orvostudomány néha már tehetetlen, egyre inkább jelennek meg a szuper baktériumok. Nem ilyen összeszedetten fogalmazok, de az allergia a gyerekkoromban ötvenes évek vége, még ismeretlen fogalom volt. Falun nőttem fel, tehát hatás lett volna. Visszatérve a bevezetéshez, valamikor úgy tanultuk, hogy biológiai egyensúly. Nagyon kéne erre vigyáznunk, mert fejre állhat a természet, vagy már fejre állt. Mindezt a fogyasztó, vagy a gazdasági szereplők érdekének nevezzük. Sokan mondják, hogy minderre (kemizálására) azért van szükség mert a föld különben nem tudja eltartani az emeriséget. Lehet, hogy mi saját magunk csökkentjük az emberiség létszámát. Én úgy gondolom, hogy ezen a téren az elosztáson kéne gondolkodni. Vannak területek, ahol pocséklás van, máshol éheznek, meg éhen halnak. Egyenlőre ennyi kicsit elkanyarodtam a témától, de úgy gondolom ezek összefüggenek.
    Burián László