Генетическая инженерия

Генетическая  инженерия - это  раздел молекулярной  генетики,  связанный  с   целенаправленным   созданием   новых комбинаций   генетического   материала.   Основа   прикладной   генетической инженерии  -  теория  гена.   Созданный   генетический   материал   способен размножаться в клетке-хозяине и синтезировать конечные продукты обмена.

       Из истории генетической инженерии.  Генетическая инженерия возникла  в 1972 году, в Станфордском университете, в США. Тогда лаборатория П.  Берга получила первую рекомбинатную (гибридную) ДНК или (рекДНК). Она соединяла в себе фрагменты ДНК фага лямбда, кишечной палочки и обезьяньего вируса SV40.

      Строение рекомбинантной ДНК.  Гибридная  ДНК  имеет   вид  кольца.  Она содержит ген (или гены) и вектор. Вектор - это фрагмент ДНК,  обеспечивающий размножение  гибридной  ДНК  и  синтез   конечных   продуктов   деятельности генетической системы - белков. Большая часть  векторов  получена  на  основе фага лямбда, из плазмид, вирусов SV40,  полиомы,  дрожжей и др.  бактерий.

Синтез  белков происходит клетке-хозяине. Наиболее часто в качестве  клетки- хозяина используют  кишечную  палочку,  однако  применяют  и  др.  бактерии, дрожжи, животные или растительные клетки.  Система  вектор-хозяин  не  может быть  произвольной:  вектор  подгоняется  к  клетке-хозяину.  Выбор  вектора зависит от видовой специфичности и целей исследования. Ключевое  значение  в конструировании гибридной ДНК несут два фермента.  Первый  -  рестриктаза  - рассекает молекулу ДНК на фрагменты по строго определенным местам. И  второй - ДНК-лигазы - сшивают фрагменты ДНК в единое целое. Только после выделения таких  ферментов  создание   искусственных   генетических   структур   стало технически выполнимой задачей.

      Этапы генного  синтеза.  Гены,  подлежащие  клонированию,  могут   быть

получены  в  составе  фрагментов  путем  механического  или   рестриктазного дробления тотальной ДНК. Но структурные гены, как правило,  приходится  либо синтезировать химико-биологическим путем, либо  получать  в  виде  ДНК-копии информационных  РНК,  соответствующих избранному  гену.  Структурные   гены содержат только кодированную  запись  конечного  продукта  (белка,  РНК),  и полностью   лишены   регуляторных   участков.   И   поэтому   не    способны функционировать в клетке-хозяине.

      При получении рекДНК образуется  чаще  всего несколько структур,  из

которых только одна является нужной. Поэтому обязательный  этап  составляет селекция и молекулярное клонирование рекДНК, введенной путем трансформации в  клетку-хозяина.  Существует  3  пути   селекции   рекДНК:   генетический, иммунохимический и гибризационный с мечеными ДНК и РНК.

       Практические результаты генной  инженерии. В  результате  интенсивного

развития  методов  генетической  инженерии  получены  клоны  множества  генов рибосомальной, транспортной и 5S РНК  ,  гистонов,  глобина мыши,  кролика, человека,  коллагена,  овальбумина,  инсулина  человека  и   др.   пептидных гормонов, интерферона человека и  прочее.  Это  позволило  создавать  штаммы бактерий, производящих многие биологически активные  вещества,  используемые в медицине, сельском хозяйстве и микробиологической промышленности.

      На основе генетической  инженерии   возникла  отрасль  фармацевтической промышленности, названная «индустрией ДНК». Это одна из  современных  ветвей биотехнологии.

      Для  лечебного  применения   допущен   инсулин   человека   (хумулин),

полученный  посредством рекДНК.  Кроме того,  на   основе   многочисленных мутантов  по  отдельным  генам,  получаемых   при   их   изучении,   созданы высокоэффективные  тест-системы  для   выявления   генетической   активности факторов среды, в том числе для выявления канцерогенных соединений.

      Теоретическое значение генетической  инженерии. За короткий срок  генная инженерия оказала  огромное  влияние  на  развитие  молекулярно-генетических методов и позволила существенно продвинуться по  пути  познания  строения  и функционирования генетического аппарата.

     Плюсы генной инженерии. 

1. С помощью  генной инженерии можно увеличить  в генетически  измененной продукции содержание полезных веществ и витаминов по сравнению  с  «чистыми» сортами. Например, можно «вставить» витамин А в рис, с тем чтобы выращивать его в регионах, где люди испытывают его нехватку.

1.2. Можно  существенно  расширить   ареалы   посева   сельхозпродуктов, приспособив их к экстремальным условиям, таким, как засуха и холод. 

1.3. Путем генетической модификации растений можно существенно уменьшить интенсивность обработки полей  пестицидами  и  гербицидами.  Ярким  примером здесь является уже состоявшееся внедрение в  геном  кукурузы  гена  земляной бактерии  Bacillus  thuringiensis,  уже снабжающего растение   собственной защитой, так  называемым  Bt-токсином,  и делающего по  замыслу генетиков дополнительную обработку бессмысленной. 

1.4. Генетически  измененным  продуктам  могут  быть  приданы   лечебные свойства. Ученым уже удалось создать банан с содержанием анальгина и  салат, вырабатывающий вакцину против гепатита B. 

1.5. Еда из генетически измененных растений может быть дешевле и вкуснее. 

1.6. Модифицированные  виды  помогут  решить  и  некоторые  экологические проблемы. Конструируются растения,  эффективно  поглощающие  цинк,  кобальт, кадмий, никель и  прочие  металлы  из  загрязненных  промышленными  отходами почв.

     1.7. Генная инженерия позволит улучшить качество жизни, очень вероятно  – существенно продлить её; есть  надежда  найти  гены,       ответственные  за старение организма и реконструировать их.

      Возможность  воздействовать  на  гены   позволяет   устранять   причины наследственных болезней, изменять свойства организмов в нужном  направлении, пересаживать гены из одного организма в другой и  привносить  в  него  новые признаки.  Например,  уже  создаются  новые  организмы,  сочетающие  в  себе свойства животных и растений. Однако  довольно  сложно  определить  долговременные        последствия генных манипуляций. 

2. Минусы  генной инженерии.

        В настоящее время генная инженерия  технически несовершенна, так как  она не  в  состоянии  управлять  процессом  встраивания  нового  гена.   Поэтому невозможно предвидеть место встраивания и эффекты добавленного гена. Даже  в том случае, если местоположение гена  окажется  возможным  установить  после его встраивания в геном, имеющиеся сведения о ДНК очень  неполны  для  того, чтобы предсказать результаты. При этом само существование противоречий свидетельствует,  что выведение   генетически   модифицированных   видов   растений   и   животных представляет определенную  опасность,  обусловленную  непредсказуемостью  их развития и поведения в естественной среде. Риски, связанные с применением генной инженерии  к  продуктам  питания можно разделить на три категории: экологические,  медицинские  и  социально- экономические.

1. Экологические риски.

 Появление  супервредителей -в сущности, такие уже появились. На  Bt-кукурузе  и хлопке  уже живет коробочный (хлопковый) червь, которому наиболее  ценный  природный  пестицид Bacillus thuringensis (Bt) не приносит вреда. Наивно думать,  что вредители на   ухищрения  ученых  не  ответят  своим  контрударом.  Как  известно,   в экстремальных условиях, а процесс вытеснения вредителей  устойчивыми  к  ним растениями иначе как экстремальным не назовешь, скорость мутаций  растет,  и неизвестно,  сколько  понадобится  насекомым   времени   для   того,   чтобы приспособиться к новым условиям окружающей среды. И  все  пойдет  по  новой,только на более высоком уровне.

 Уже   доказано,  что  многие  ГМ-растения,  такие,  как   ГМ-табак   или технический рис,  применяемый  для  производства  пластика  и  лекарственных веществ, смертельно опасны для живущих на поле или  рядом  с  ним  грызунов.

    Пока  эти растения произрастают лишь  на  опытных  полях,  а  что  произойдет после полного вымирания грызунов в районах их массовых засевов - не  берется предсказать никто. Если генетически модифицированный хлопок опылит своего  родственника-сорняка,  то в результате получится устойчивый к действию  пестицидов  и  гербицидов,  не боящийся ни жары, ни холода, не угрызаемый жуками  и  паразитами  и  страшно плодовитый суперсорняк. Примерно то же может случиться и со многими другими видами культурных растений, таких, как масленичный рапс,  картофель,  томаты или бобы. У всех них есть и весьма  широко  распространены  дикие  сородичи, являющиеся  зачастую  одними  из  главных  в  силу  сходства  условий  жизни сорняками основной культуры.   Кстати говоря, даже культурный  рапс  зачастую  является  сорняком  для других  культур,  но  в  силу  его  изнеженности   он   считается   сорняком малозначительным.  Генетически  модифицированный  рапс  изнеженным   назвать нельзя. Вооруженный мощью современной науки, он даст фору  в  сто  очков  по выживанию любой культуре. И пшеничные поля весьма быстро могут  превратиться в  технические рапсовые.  Уже были  зафиксированы случаи,  когда ГМ-рапс наделил  устойчивостью  к  гербицидам  свою  сорную  родственницу  -   дикую горчицу. Выход один: следует прикрывать прозрачным колпаком  всякие  посадки генетически модифицированных растений, чтобы, не дай бог, ни  одно  семечко, ни одна пылинка не вырвались наружу.

2. Медицинские риски.
• Повышенная аллергеноопасность.
• Возможная токсичность и опасностью.
• Устойчивость к действиям антибиотиков- для того чтобы  понять,  «встроился»  ли  нужный  ген  в  цепочку  ДНК, специалисты-генетики снабжают его специальным «флажком». Чаще всего  в  роли этого «флажка» выступает  ген  устойчивости  к  антибиотикам.  Если  целевая клетка после «опыления» новым геном выдерживает действие этого  антибиотика, значит, цель достигнута, и ген успешно  внедрен.  Проблема  состоит  в  том,что, единожды внедрив этот ген в ДНК, вывести его уже нельзя.  В результате возникает двойная опасность. Во-первых, употребление  в  пищу  устойчивых  к антибиотикам  продуктов  неизбежно   нейтрализует   действие   антибиотиков, принимаемых  в  качестве  лекарства.   А   во-вторых,   появление   большого количества антибиотикоустойчивых растений может повлечь за  собой появление антибиотикоустойчивых бактерий.
• Могут возникнуть новые и опасные вирусы. Экспериментально  показано, что встроенные в геном гены вирусов могут соединяться с генами  инфекционныхвирусов. Такие новые вирусы могут быть  более агрессивными,  чем исходные.

    2.3. Социально- экономические риски. Большинство социальных и экономических  угроз,  которые  несет  в  себе развитие   генной   инженерии,    подпадают    под    широкое    определение «продовольственной безопасности», то есть способности людей обеспечить  свои продовольственные потребности в здоровых, разнообразных и доступных по  цене продуктах питания.

       Таким образом, ученые пришли  к выводу, что эффективность новых   культур также зависит от  многих  частных  факторов,  в  том  числе  распространения сорняковых растений и насекомых-паразитов, погодных условий и типа почвы. При этом лишь незначительная часть  продуктов  питания  из  генетически модифицированных   сельскохозяйственных   культур   имеют   более    высокие питательные  свойства.   А   иногда   они   оказывают   даже   отрицательное воздействие, что ставит под сомнение перспективу их распространения.