Генная инженерия

 

 

3. 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 организмов с новыми комбинациями наследственных свойств путем конструирования функционально-активных генетических структур в форме рекомбинантных ДНК из фрагментов геномов разных организмов, которые вводились в клетку.

Как отмечалось, впервые рекомбинантную ДНК получила группа П. Берга в 1972 г.

В 1973-74 гг. С. Коэном, Д. Хелинским, Г. Бойером и другими учеными впервые сконструированы функционально активные молекулы гибридной ДНК, то есть удалось их клонирование. 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  стране группой специалистов под руководством С. И. Алиханяна и А. А. Баева.

Достижения генетики и химии нуклеиновых кислот позволили разработать методологию генной инженерии:

—открытие явления рестрикции — модификации ДНК и выделение ферментов  рестриктаз для получения специфических ферментов;

—создание методов химического и ферментативного синтеза генов;

—выявление векторных молекул ДНК, способных перенести в клетку чужеродную ДНК и обеспечить там экспрессию соответствующих генов;

— разработка методов трансформации у различных организмов и отбор клонов, несущих рекомбинантные ДНК.

Составляющие  методики.

Явление рестрикции — модификации ДНК впервые наблюдали Г. Бертани и Д. Ж. Вейгль, а его суть раскрыл В. Арберг: в бактериях действуют специальные ферменты, способные специфично распознать "свою" (бактериальную) ДНК от "чужой" (фаговой). Эти ферменты ограничивают возможность размножения фаговой ДНК в бактериях путем ее специфичной (в зависимости 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 рестрикции — модификации.

В генной инженерии  используют ферменты, разрывающие двухцепочную ДНК в зоне участка узнавания или на незначительном фиксированном расстоянии от него. Фермент распознает специфичную последовательность и разрезает ее. В последнем случае образуются выступающие одноцепочечные концы, получившие название "липких". В настоящее время известно несколько сотен таких рестриктаз, что обеспечивает возможность получения различных фрагментов ДНК, содержащих желаемые 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 использовался способ получения генов из природных источников, и он до сих пор применяется для создания банка генов.

В том же году группой Корани впервые осуществлен химический синтез расшифрованного гена аланиновой тРНК дрожжей, но функционально не активный; позднее и активный ген супрессорный тирозиновой тРНК, галактозного оперона.

Этому способствовало совершенствование методов определения первичных структур (секвенирования) нуклеиновых кислот, а также белков и других продуктов, кодируемых синтезированным 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 продуцентов инсулина человека для лечения больных диабетом, открылся путь для производства продуктов белковой природы.

Широкое распространение  нашел метод ферментативного синтеза генов по механизму обратной транскрипции. Не вдаваясь в его суть, отметим, что он позволяет синтезировать практически любой ген в присутствии соответствующих иРНК, методы выделения которых достаточно хорошо разработаны.

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

Однако остается нерешенной проблема стабильности гибридных молекул. Вектор должен обеспечивать стабильное наследование рекомбинантных ДНК в автономном, реже интегрированном с хромосомой состоянии, иметь генетические маркеры для обнаружения трансформированных клеток, содержать сайт узнавания и др. Он используется для получения банка генов, так как клонированные в них большие фрагменты ДНК легко 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  селективных средах.

5. Доказательство  присутствия рекомбинантной ДНК в этих клонах путем ее выделения из клеток, обработки соответствующими 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 гибридизация соматических клеток (Б. Эфрусси и Г. Барски).

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

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

Создание гибридов высших растений возможно путем слияния протопластов и соматической гибридизации растительных клеток.

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

Не менее  важна генная инженерия как аппарат  фундаментальных исследований.

Потенциальные возможности генной инженерии в  действительности очень велики, и они будут реализовываться.

 

4. Историческая  перспектива.                                                                 Как известно жизнь зародилась на Земле приблизительно 4,6 миллиарда лет назад, и, какие бы формы она не принимала, за жизненные проявления каждого организма отвечало одно и то же вещество - дезоксирибонуклеиновая кислота (она же - ДНК). ДНК, закрепленная в генах, определяла, и все еще определяет (а в будущем, видимо, под чутким руководством человека) метаболическую активность клеток, необходимую для их выживания, а это и есть жизнь в самом простом определении. Собственно, термин "гены" не использовался до начала прошлого века, хотя исследования того, как они функционируют начались еще в ХIX веке. Австрийский монах Грегор Мендель в течение многих лет наблюдал за потомством растений гороха, который он выращивал на монастырсом огороде. Фиксируя внешние особенности - высоту стебля, окраску лепестков, форму горошин, он смог теоретически предположить существование неких "факторов", которые наследуются потомством от родительских растений. Как и Колумб, Мендель умер, так и не узнав о том, что же ему удалось открыть. С самого начала ХХ века разразился бум, связанный с исследованиями строения клеток. Биологам удалось установить, какие функции выполняет клеточное ядро, раскрыть загадку природы хромосом. Самым важным оказалось то, что стала понятной природа трансляция молекул ДНК: во время меозиса, предшествующего появлению яйцеклеток и сперматозоидов, количество хромосом, в которых и содержится ДНК, уменьшается в два раза, что впоследствии, при слиянии половых клеток, позволит объединить их ядра в единое целое - дать начало новому организму с совершенно уникальным набором генов. В 1953 году, наконец, удалось вычленить двойную спиральную структуру ДНК, которую сейчас в лицо знает каждый школьник. Теперь ДНК признана универсальным биологическим языком, который объединят все обитающие на Земле организмы: человека и бактерии, грибы и растения. Однако, ХХ век - это век не только фундаментальных открытий, но и век инженерии - практического применения этих самых открытий. Поэтому наряду с продолжающимися исследованиями про то, как "все это в целом устроено", семимильными шагами развивались различные отрасли генной инженерии и разнообразные биотехнологии. С самого начала инженерная мысль такого рода касалась в первую очередь того, каким образом можно использовать одни живые организмы, обладающие определенным геном, для того, чтобы улучшить другие - речь шла о растениях или животных. В семидесятых годах ученые научились вырезать участки ДНК одного организма и пересаживать его в другой, что совершило небольшой переворот в производстве разнообразных лекарств - инсулина, гормона человеческого роста и т.д. Не один год ведутся попытки осуществить так называемую терапию человеческими генами - людям, у которых в генном наборе не хватает определенных компонентов или они в какой-то мере неполноценны, пересаживаются гены других людей. Достаточно обширно знания, полученные благодаря генетике, используются в сфере воспроизводства людей. Многие знают, что при определенных условиях вполне реально выращивать детей "из пробирки", а при некоторых ситуациях женского бесплодия - обращаться за помощью к суррогатным матерям. Генетически измененные растения (морозоустойчивые злаки, трансгенный картофель, быстро созревающие помидоры и т.д.) уже появляются на обеденных столах, хотя пока особого ажиотажа не вызывают.

 

5. ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ.  ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

Эмбриогенез — это феноменальный процесс, при котором информация, заложенная в линейной структуре ДНК, реализуется в трехмерный организм.

ДНК представляет запись последовательности аминокислот для построения молекул различных белков. В эмбриональном развитии в разное время появляются разные белки. Существуют гены-регуляторы, которые определяют время и скорость синтеза. Установлены состав и структура гена, но неизвестно как кодируется форма организма и, соответственно, как линейные спирали цепочной структуры белков соединяются в объемные структуры.

Клонирование есть воспроизведение живого существа из его неполовых клеток. Это попытка прорыва сквозь запреты Природы.

Клонирование  органов и тканей — это задача номер один в области трансплантологии, травматологии и др. областях медицины и биологии.

При пересадке  клонированных органов не возникает  реакции отторжения и возможных последствий (например, рака, развивающегося на фоне иммунодефицита). Клонированные органы — это спасение для людей, попавших в автомобильные 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, определяющие какую-либо подобную болезнь, содержатся в хромосомах отца, то в яйцеклетку матери пересаживается ядро ее собственной соматической клетки, тогда появится ребенок, лишенный опасных генов, точная копия матери. Если эти гены содержатся в хромосомах матери, то в ее яйцеклетку будет перемещено ядро соматической клетки отца — появится здоровый ребенок, копия отца.

Более скромная, но не менее важная задача клонирования — регуляция пола сельскохозяйственных животных, а также клонирование в них человеческих генов "терапевтических белков", которые используются для лечения людей, например гемофиликов, у которых мутировал ген, кодирующий белок, участвующий в процессе свертывания крови. Это тем более важно, поскольку гемофилики считаются "группой риска" по СПИДу.

Бум, связанный  с рождением овечки Долли, это  всего лишь эпизод развитии клонирования. Когда она подрастет и обзаведется своим потомством, в ее молоке будет и человеческий белок, отличающийся от овечьего. Она станет на службу человечеству.

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

А, кроме того, так был обойден теломерасный (теломерас — бессмертие гена) запрет и смягчен запрет на клонирование (не распространяется на животных, отдельные органы и ткани, а клонирование 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.

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ:

 

Естествознание  затрагивает широкий спектр вопросов о многочисленных и всесторонних проявлениях свойств Природы.

В 70-е годы XX века создана техника выделения гена из ДНК, а также методика размножения нужного гена. В результате этого возникла генная инженерия. Внедрение в живой организм чужеродной генетической информации и приемы, заставляющие организм эту информацию реализовывать, составляют одно из самых перспективных направлений в развитии биотехнологии. Методами генетической инженерии удалось получить интерферон и инсулин. Объектом биотехнологии выступает сегодня не только отдельный ген, но и клетка в целом.

Клеточная инженерия открывает широкие возможности практического использования биомассы культивируемых клеток и создания на их основе промышленных технологий, например, для быстрого клонального микроразмножения и оздоровления растений.

Применение  методов клеточной инженерии позволяет существенно интенсифицировать процесс создания новых форм организмов. Метод гибридизации соматических клеток — новый метод, дающий возможность получать межвидовые гибриды, т.е. преодолевать естественный барьер межвидовой нескрещиваемости, чего нельзя было достичь традиционными методами селекции. Для этого в искусственно созданных условиях выделяют и сливают протопласты - клетки, лишенные стенок, — обоих родительских растений и получают гибридные клетки, которые могут затем регенерировать целое гибридное растение с признаками обоих родителей. Это позволяет получать совершенно новые организмы, не существовавшие в природе. Но при этом возникает опасность, что искусственно созданные организмы могут вызвать непредсказуемые и необратимые последствия для всего живого на Земле, в том числе, и для человека.

Генная и  клеточная инженерия обратили внимание человечества на необходимость общественного контроля за всем, что происходит в науке.

 

В заключении можно сказать, что генная инженерия имеет множество преимуществ. Таких как:

• С помощью генной инженерии получен уже ряд препаратов, в том числе инсулин человека и противовирусный препарат интерферон;
• В сельском хозяйстве с помощью рекомбинантной ДНК могут быть получены сорта культурных растений, устойчивые к засухе, холоду, болезням, насекомым-вредителям и гербицидам;
• 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;
• Генетически измененным продуктам могут быть приданы лечебные свойства;
• Модифицированные виды помогут решить и некоторые экологические проблемы. Конструируются растения, эффективно поглощающие цинк, кобальт, кадмий, никель и прочие металлы из загрязненных промышленными отходами почв.