Генетическая инженерия

Генетическая  инженерия

Генетическая  инжене́рия (генная инженерия) — совокупность приёмов, методов и технологий получения  рекомбинантных РНК и ДНК, выделения  генов из организма (клеток), осуществления  манипуляций с генами и введения их в другие организмы.

Генетическая  инженерия не является наукой в широком  смысле, но является инструментом биотехнологии, используя методы таких биологических  наук, как молекулярная и клеточная  биология, цитология, генетика, микробиология, вирусология.

Экономическое значение

Генетическая  инженерия служит для получения  желаемых качеств изменяемого или  генетически модифицированного  организма. В отличие от традиционной селекции, в ходе которой генотип  подвергается изменениям лишь косвенно, генная инженерия позволяет непосредственно  вмешиваться в генетический аппарат, применяя технику молекулярного  клонирования. Примерами применения генной инженерии являются получение  новых генетически модифицированных сортов зерновых культур, производство человеческого инсулина путём использования  генномодифицированных бактерий, производство эритропоэтина в культуре клеток или новых пород экспериментальных  мышей для научных исследований.

История развития и достигнутый  уровень технологии

Во второй половине XX века было сделано несколько важных открытий и изобретений, лежащих  в основе генной инженерии. Успешно  завершились многолетние попытки  «прочитать» ту биологическую информацию, которая «записана» в генах. Эта  работа была начата английским учёным Ф. Сенгером и американским учёным У. Гилбертом (Нобелевская премия по химии 1980 г.). Как известно, в генах содержится информация-инструкция для синтеза  в организме молекул РНК и  белков, в том числе ферментов. Чтобы заставить клетку синтезировать  новые, необычные для неё вещества, надо чтобы в ней синтезировались  соответствующие наборы ферментов. А для этого необходимо или  целенаправленно изменить находящиеся  в ней гены, или ввести в неё  новые, ранее отсутствовавшие гены. Изменения генов в живых клетках  — это мутации. Они происходят под действием, например, мутагенов  — химических ядов или излучений. Но такие изменения нельзя контролировать или направлять. Поэтому учёные сосредоточили  усилия на попытках разработать методы введения в клетку новых, совершенно определённых генов, нужных человеку.

Основные этапы  решения генноинженерной задачи следующие:

1. Получение  изолированного гена.

2. Введение гена  в вектор для переноса в  организм.

3. Перенос вектора  с геном в модифицируемый организм.

4. Преобразование  клеток организма.

5. Отбор генетически  модифицированных организмов (ГМО)  и устранение тех, которые не  были успешно модифицированы.

Процесс синтеза  генов в настоящее время разработан очень хорошо и даже в значительной степени автоматизирован. Существуют специальные аппараты, снабжённые ЭВМ, в памяти которых закладывают  программы синтеза различных  нуклеотидных последовательностей.

Чтобы встроить ген в вектор, используют ферменты — рестриктазы и лигазы, также  являющиеся полезным инструментом генной инженерии. С помощью рестриктаз ген и вектор можно разрезать  на кусочки. С помощью лигаз такие  кусочки можно «склеивать», соединять  в иной комбинации, конструируя новый  ген или заключая его в вектор. За открытие рестриктаз Вернер Арбер, Даниел Натанс и Хамилтон Смит также  были удостоены Нобелевской премии (1978 г.).

Техника введения генов в бактерии была разработана  после того, как Фредерик Гриффит  открыл явление бактериальной трансформации. В основе этого явления лежит  примитивный половой процесс, который  у бактерий сопровождается обменом  небольшими фрагментами нехромосомной  ДНК, плазмидами. Плазмидные технологии легли в основу введения искусственных  генов в бактериальные клетки.

Значительные  трудности были связаны с введением  готового гена в наследственный аппарат  клеток растений и животных. Однако в природе наблюдаются случаи, когда чужеродная ДНК (вируса или  бактериофага) включается в генетический аппарат клетки и с помощью  её обменных механизмов начинает синтезировать  «свой» белок. Учёные исследовали особенности  внедрения чужеродной ДНК и использовали как принцип введения генетического  материала в клетку. Такой процесс  получил название трансфекция.

Если модификации  подвергаются одноклеточные организмы  или культуры клеток многоклеточных, то на этом этапе начинается клонирование, то есть отбор тех организмов и  их потомков (клонов), которые подверглись  модификации. Когда же поставлена задача получить многоклеточные организмы, то клетки с изменённым генотипом используют для вегетативного размножения  растений или вводят в бластоцисты  суррогатной матери, когда речь идёт о животных. В результате рождаются  детеныши с изменённым или неизменным генотипом, среди которых отбирают и скрещивают между собой только те, которые проявляют ожидаемые  изменения.

Применение  в научных исследованиях

 Для изучения  функции того или иного гена  может быть применен нокаут  гена (gene knockout). Так называется техника  удаления одного или большего  количества генов, что позволяет  исследовать последствия подобной  мутации. Для нокаута синтезируют  такой же ген или его фрагмент, изменённый так, чтобы продукт  гена потерял свою функцию. 

Искусственная экспрессия. Логичным дополнением нокаута  является искусственная экспрессия, то есть добавление в организм гена, которого у него ранее не было. Этот способ генной инженерии также можно  использовать для исследования функции  генов. В сущности процесс введения дополнительных генов таков же, как  и при нокауте, но существующие гены не замещаются и не повреждаются.

Генная  инженерия человека

В применении к  человеку генная инженерия могла  бы применяться для лечения наследственных болезней. Однако, технически, есть существенная разница между лечением самого пациента и изменением генома его потомков.

Задача изменения  генома взрослого человека несколько  сложнее, чем выведение новых  генноинженерных пород животных, поскольку в данном случае требуется  изменить геном многочисленных клеток уже сформировавшегося организма, а не одной лишь яйцеклетки-зародыша. Для этого предлагается использовать вирусные частицы в качестве вектора. Вирусные частицы способны проникать  в значительный процент клеток взрослого  человека, встраивая в них свою наследственную информацию; возможно контролируемое размножение вирусных частиц в организме. При этом для  уменьшения побочных эффектов учёные стараются избегать внедрения генноинженерных  ДНК в клетки половых органов, тем самым избегая воздействия  на будущих потомков пациента.

С помощью генотерапии  в будущем возможно изменение  генома человека. В настоящее время  эффективные методы изменения генома человека находятся на стадии разработки и испытаний на приматах.

Хотя и в  небольшом масштабе, генная инженерия  уже используется для того, чтобы  дать шанс забеременеть женщинам с  некоторыми разновидностями бесплодия.Для этого используют яйцеклетки здоровой женщины. Ребёнок в результате наследует генотип от одного отца и двух матерей.

Однако возможность  внесения более значительных изменений  в геном человека сталкивается с  рядом серьёзных этических проблем.