Генная инженерия

Законы эволюции требуют дальнейшего изучения, но суще-ствуют современные гипотезы, подкрепленные фактами палеонтологии, биогеографии, сравнительной эмбриологии и био-химии. 

Рассматривая  эволюцию на молекулярном уровне, можно  сказать, что направленная эволюция обусловливает развитие по-пуляции  молекул в определенном направлении, благодаря цик-лам селекции, амплификации и мутаций.  

Молекулярный  био-лог может читать гены какого-либо организма как историчес-кий документ, свидетельствующий о его эволюции, но написан-ный химическим языком (структура  молекулы ДНК). В настоя-щее время  исследуется и сам механизм, производящий эволю-ционные изменения. Разработанные математические модели эво-люции позволяют выявить общие закономерности эволюции раз-личных систем. Они опираются на теорию информации и само-организации. 

Современные данные палеонтологии говорят о квантовом характере видообразования. В соответствии с геологическим временем этот процесс почти мгновенен. Анализ уравнений популяционной генетики показывает, что процесс видообразова-ния похож на фазовый переход. 

Биология как  наука о жизни 

2. ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ.  

НАУЧНО - ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ  АСПЕКТЫ. 
 

Генная инженерия -- экспериментальная наука. Возникла на стыке молекулярной биологии и  генетики официально в 1972 г., когда в  лаборатории П. Берга (Стенфордский университет, США) была получена первая рекомбинантная (гибридная) ДНК на базе объединения генетического материала, полный геном вируса обезьян 40, часть генома измерного бактериофага и гены галактозного оперона.  

Генная инженерия  нацелена на создание орга-низмов с  новыми комбинациями наследственных свойств пу-тем конструирования функционально-активных генетических структур в форме рекомбинантных ДНК из фрагментов гено-мов разных организмов, которые вводились в клетку. 

Как отмечалось, впервые рекомбинантную ДНК получи-ла группа П. Берга в 1972 г. 

В 1973-74 гг. С. Коэном, Д. Хелинским, Г. Бойером и други-ми учеными впервые сконструированы функционально актив-ные молекулы гибридной ДНК, то есть удалось их клонирова-ние. Были созданы первые, не существующие в Природе, плазмиды (стабилизатор наследства) на базе ДНК из разных видов бактерий и высших организмов, из ДНК лягушки (кодирующей синтез рРНК), морского ежа (контролирующей синтез белков-гистон), и от мыши. 

Вскоре аналогичная  работа была выполнена в нашей  стра-не группой специалистов под  руководством С. И. Алиханяна и А. А. Баева. 

Достижения генетики и химии нуклеиновых кислот позво-лили разработать методологию генной инженерии: 

--открытие явления  рестрикции -- модификации ДНК и  выделение ферментов рестриктаз  для получения специфи-ческих  ферментов; 

--создание методов  химического и ферментативного  синте-за генов; 

--выявление векторных  молекул ДНК, способных перенес-ти  в клетку чужеродную ДНК и  обеспечить там экспрессию со-ответствующих  генов; 

-- разработка  методов трансформации у различных  организ-мов и отбор клонов, несущих рекомбинантные ДНК. 

Составляющие  методики. 

Явление рестрикции -- модификации ДНК впервые наблю-дали Г. Бертани и Д. Ж. Вейгль, а его суть раскрыл В. Арберг: в бактериях действуют специальные ферменты, способные спе-цифично распознать "свою" (бактериальную) ДНК от "чужой" (фаговой). Эти ферменты ограничивают возможность размно-жения фаговой ДНК в бактериях путем ее специфичной (в за-висимости от типа фермента) деградации. Такие ферменты были названы эндонуклеазами рестрикции няирестриктазами. 

В 1971 г. группой  Г. Смитга была выделена первая рестриктаза, специфично расщепляющая двухцепочную ДНК в строго определенных сайтах. Вскоре было установлено, что болынинство видов бактерий обладает специфичными системами рест-рикции -- модификации. 

В генной инженерии  используют ферменты, разрывающие двухцепочную ДНК в зоне участка узнавания  или на незначи-тельном фиксированном расстоянии от него. Фермент распоз-нает специфичную последовательность и разрезает ее. В пос-леднем случае образуются выступающие одноцепочечные кон-цы, получившие название "липких". В настоящее время извест-но несколько сотен таких рестриктаз, что обеспечивает возмож-ность получения различных фрагментов ДНК, содержащих же-лаемые гены. 

Работы в направлении  синтеза гена начались еще до 1972 г. 

Так в 1969 г. появились  публикации по выделению генов при  помощи физических и генетических методов. 

На начальном этапе развития генной инженерии широко ис-пользовался способ получения генов из природных источников, и он до сих пор применяется для создания банка генов. 

В том же году группой Корани впервые осуществлен  хими-ческий синтез расшифрованного  гена аланиновой тРНК дрож-жей, но функционально не активный; позднее и активный ген супрессорный тирозиновой тРНК, галактозного оперона. 

Этому способствовало совершенствование методов опреде-ления  первичных структур (секвенирования) нуклеиновых кис-лот, а также белков и других продуктов, кодируемых синтези-рованным геном. 

Секвенирование  ДНК играет большую роль и в  изучении функций генов и генетических систем. 

Метод химического  синтеза генов и введения их в  клетки микроорганизмов обеспечил  возможность получения продуцен-тов инсулина человека для лечения больных диабетом, открыл-ся путь для производства продуктов белковой природы. 

Широкое распространение  нашел метод ферментативного  синтеза генов по механизму обратной транскрипции. Не вдава-ясь в его  суть, отметим, что он позволяет синтезировать практи-чески любой ген в присутствии соответствующих иРНК, мето-ды выделения которых достаточно хорошо разработаны. 

С его помощью  созданы и клонированы в бактериях  гены, кодирующие глобины человека, животных, птиц и т. п., интер-ферон человека, который используют для борьбы с вирусными инфекциями, злокачественными опухолями и рядом других за-болеваний. 

Однако остается нерешенной проблема стабильности гиб-ридных молекул. Вектор должен обеспечивать стабильное на-следование рекомбинантных ДНК в автономном, реже интег-рированном с хромосомой состоянии, иметь генетические мар-керы для обнаружения трансформированных клеток, содержать сайт узнавания и др. Он используется для получения банка ге-нов, так как клонированные в них большие фрагменты ДНК лег-ко хранить, выделять и анализировать. Создаются специальные векторы и для клонирования рекомбинантных ДНК в клетках животных и растений, при этом в клетках животных ими могут быть некоторые вирусы, а растений -- агробактерии на основе специальных плазмид и передаваться клеткам в естественных условиях бактериями. 

Схема, используемая в генной инженерии, едина: 
 

1. Обработка  кольцевой векторной молекулы  рестриктазой с образованием  линейной формы ДНК. 

2. Формирование  гибридной структуры путем слияния ее с фрагментом чужеродной ДНК. 

3. Введение гибрида  в клетку реципиента. 

4. Отбор клонов  трансформированных клеток на  селектив-ных средах. 

5. Доказательство  присутствия рекомбинантной ДНК  в этих клонах путем ее выделения  из клеток, обработки соответству-ющими рестриктазами и анализа образовавшихся фрагментов методом электрофореза. 

Известно несколько  методов объединения фрагментов ДНК из разных источников, позволяющих  включить клонируемую донорную ДНК  в состав вектора. 

Одним из перспективных методов клеточной инженерии в культуре клеток человека, животного и растения является гиб-ридизация соматических клеток (Б. Эфрусси и Г. Барски). 

В культивируемые клетки млекопитающих или развивающи-еся  эмбрионы ДНК вводят методом микроинъекции  ДНК в ядро с помощью микроманипулятора. 

Развитие методов  микрохирургии клеток позволило  заменять ядра оплодотворенных яйцеклеток на ядра из соматических кле-ток и  в результате получать организм, идентичный тому, чье ядро было перенесено в  яйцеклетку. 

Создание гибридов высших растений возможно путем слия-ния протопластов и соматической гибридизации растительных клеток. 

Все эти методы могут использоваться для конструирования  новых форм микроорганизмов, животных и растений, несу-щих гены, детерминирующие  желаемые признаки. 

Не менее важна  генная инженерия как аппарат  фундамен-тальных исследований. 

Потенциальные возможности генной инженерии в  действи-тельности очень велики, и они будут реализовываться. 

3. ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ.  ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ. 
 

Эмбриогенез -- это феноменальный процесс, при котором информация, заложенная в линейной структуре ДНК, реализу-ется в трехмерный организм.  

ДНК представляет запись после-довательности аминокислот  для построения молекул различных  белков. В эмбриональном развитии в разное время появляются разные белки. Существуют гены-регуляторы, которые опреде-ляют время и скорость синтеза. Установлены состав и структу-ра гена, но неизвестно как кодируется форма организма и, соот-ветственно, как линейные спирали цепочной структуры белков соединяются в объемные структуры. 

Клонирование  есть воспроизведение живого существа из его неполовых клеток. Это попытка  прорыва сквозь запреты При-роды. 

Клонирование  органов и тканей -- это задача номер один в области трансплантологии, травматологии и др. областях меди-цины и биологии.  

При пересадке  клонированных органов не возникает  реакции отторжения и возможных  последствий (например, рака, развивающегося на фоне иммунодефицита). Кло-нированные органы -- это спасение для людей, попавших в авто-мобильные аварии или иные катастрофы, а также нуждающихся в радикальной помощи из-за каких-либо заболеваний. 

Клонирование  может дать возможность бездетным  людям иметь своих собственных  детей, поможет людям, страдающим тяжелыми генетическими заболеваниями. Так, если гены, оп-ределяющие какую-либо подобную болезнь, содержатся в хро-мосомах отца, то в яйцеклетку матери пересаживается ядро ее собственной соматической клетки, тогда появится ребенок, ли-шенный опасных генов, точная копия матери. Если эти гены со-держатся в хромосомах матери, то в ее яйцеклетку будет пере-мещено ядро соматической клетки отца -- появится здоровый ребенок, копия отца. 

Более скромная, но не менее важная задача клонирования -- регуляция пола сельскохозяйственных животных, а также кло-нирование в них человеческих генов "терапевтических белков", которые используются для лечения людей, например гемофи-ликов, у которых мутировал ген, кодирующий белок, участвую-щий в процессе свертывания крови. Это тем более важно, по-скольку гемофилики считаются "группой риска" по СПИДу. 

Бум, связанный  с рождением овечки Долли, это  всего лишь эпизод развитии клонирования. Когда она подрастет и обзаве-дется  своим потомством, в ее молоке будет  и человеческий бе-лок, отличающийся от овечьего. Она станет на службу челове-честву. 

Американские  ученые несколько модифицировали метод  шотландцев, использовав ядра эмбриональных (зародышевых) фибробластов -- взятых у  взрослого организма клеток. Это  об-легчило задачу введения "чужого" гена, поскольку в культуре фибробластов это делать значительно легче и дешевле.  

А, кроме того, так был обойден теломерасный (теломерас -- бессмер-тие гена) запрет и смягчен запрет на клонирование (не распро-страняется на животных, отдельные  органы и ткани, а клониро-вание  людей отодвигается на 10 лет). 

Это сулит уникальные перспективы для человечества, несмотря на все высказанные политическими, религиозными, научными и общественными  деятелями морально-этические и  чисто биологические возражения по использованию клонирования.