Функции генной инженерии. Генная инженерия - враг или друг

Генная 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.

Проводятся первые эксперименты по использованию бактерий с перестроенной ДНК для лечения больных .

Основой микробиологической, биосинтетической промышленности является бактериальная клетка. Необходимые для промышленного производства клетки подбираются по определённым признакам, самый главный из которых - способность производить, синтезировать, при этом в максимально возможных количествах, определённое соединение - аминокислоту или антибиотик, стероидный гормон или органическую кислоту. Иногда надо иметь микроорганизм, способный, например, использовать в качестве «пищи» нефть или сточные воды и перерабатывать их в биомассу или даже вполне пригодный для кормовых добавок белок. Иногда нужны организмы, способные развиваться при повышенных температурах или в присутствии веществ, безусловно смертельных для других видов микроорганизмов.

Задача получения таких промышленных штаммов очень важна, для их видоизменения и отбора разработаны многочисленные приёмы активного воздействия на клетку - от обработки сильнодействующими ядами, до радиоактивного облучения. Цель этих приёмов одна - добиться изменения наследственного, генетического аппарата клетки. Их результат - получение многочисленных микробов-мутантов, из сотен и тысяч которых учёные потом стараются отобрать наиболее подходящие для той или иной цели. Создание приёмов химического или радиационного мутагенеза было выдающимся достижением биологии и широко применяется в современной биотехнологии .

Но их возможности ограничиваются природой самих микроорганизмов. Они не способны синтезировать ряд ценных веществ, которые накапливаются в растениях, прежде всего в лекарственных и эфирномасличных. Не могут синтезировать вещества, очень важные для жизнедеятельности животных и человека, ряд ферментов, пептидные гормоны, иммунные белки, интерфероны да и многие более просто устроенные соединения, которые синтезируются в организмах животных и человека. Разумеется, возможности микроорганизмов далеко не исчерпаны. Из всего изобилия микроорганизмов использована наукой, и особенно промышленностью, лишь ничтожная доля. Для целей селекции микроорганизмов большой интерес представляют, например, бактерии анаэробы , способные жить в отсутствие кислорода, фототрофы , использующие энергию света подобно растениям, хемоавтотрофы , термофильные бактерии, способные жить при температуре, как обнаружилось недавно, около 110 °C, и др.

И всё же ограниченность «природного материала» очевидна. Обойти ограничения пытались и пытаются с помощью культур клеток и тканей растений и животных. Это очень важный и перспективный путь, который также реализуется в биотехнологии. За последние несколько десятилетий учёные создали методы, благодаря которым отдельные клетки тканей растения или животного можно заставить расти и размножаться отдельно от организма, как клетки бактерий. Это было важное достижение - полученные культуры клеток используют для экспериментов и для промышленного получения некоторых веществ, которые с помощью бактериальных культур получить невозможно.

Другое направление исследований - удаление из ДНК генов, ненужных для кодирования белков и функционирования организмов и создание на основе таких ДНК искусственных организмов с "усеченным набором" генов. Это позволяет резко повысить устойчивость модифицируемых организмов к вирусам .

История развития и методы

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 Фредериком Сенгером и американским учёным Уолтером Гилбертом (Нобелевская премия по химии 1980 года). 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.

Все методы генетической инженерии (англ. Genetic engineering techniques ) применяются для осуществления одного из следующих этапов решения генно-инженерной задачи:

Получение изолированного гена.
Введение гена в вектор для переноса в организм.
Перенос вектора с геном в модифицируемый организм.
Преобразование клеток организма.
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. Такой аппарат синтезирует отрезки ДНК длиной до 100-120 азотистых оснований (олигонуклеотиды). Получила распространение техника, позволяющая использовать для синтеза ДНК, в том числе мутантной, полимеразную цепную реакцию . Термостабильный фермент, ДНК-полимераза, используется в ней для матричного синтеза ДНК, в качестве затравки которого применяют искусственно синтезированные кусочки нуклеиновой кислоты - олигонуклеотиды . Фермент обратная транскриптаза позволяет с использованием таких затравок (праймеров) синтезировать ДНК на матрице выделенной из клеток РНК. Синтезированная таким способом ДНК называется комплементарной (РНК) или кДНК. Изолированный, «химически чистый» ген может быть также получен из фаговой библиотеки. Так называется препарат бактериофага , в геном которого встроены случайные фрагменты из генома или кДНК, воспроизводимые фагом вместе со всей своей ДНК.

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

Однако возможность внесения более значительных изменений в геном человека сталкивается с рядом серьёзных этических проблем . В 2016 в США группа учёных получила одобрение на клинические испытания метода лечения рака с помощью собственных иммунных клеток пациента, подвергаемых генной модификации с применением технологии CRISPR /Cas9 .

В конце 2018 года в Китае родились двое детей , геном которых был искусственно изменён (выключен ген CCR5) на стадии эмбриона методом CRISPR/Cas9, в рамках исследований, проводимых с 2016 года по борьбе с ВИЧ Один из родителей (отец) был ВИЧ-инфицированным, а дети, по заявлению, родились здоровыми . Поскольку эксперимент был несанкционированным (до этого все подобные эксперименты на человеческом эмбрионе разрешались только на ранних стадиях развития с последующим уничтожением экспериментального материала, то есть без имплантации эмбриона в матку и рождением детей), ответственный за него учёный не предоставил доказательств своим заявлениям, которые были сделаны на международной конференции по редактированию генома. В конце января 2019 года властями Китая были официально подтверждены факты проведения данного эксперимента . Тем временем учёному было запрещено заниматься научной деятельностью и он был арестован .

Клеточная инженерия

Клеточная инженерия основана на культивировании растительных и животных клеток и тканей, способных вне организма производить нужные для человека вещества. Этот метод используется для клонального (бесполого) размножения ценных форм растений; для получения гибридных клеток, совмещающих свойства, например, лимфоцитов крови и опухолевых клеток, что позволяет быстро получить антитела.

Генетическая инженерия в России

Отмечается, что после введения государственной регистрации ГМО заметно возросла активность некоторых общественных организаций и отдельных депутатов Государственной думы, пытающихся воспрепятствовать внедрению инновационных биотехнологий в российское сельское хозяйство. Более 350 российских ученых подписали открытое письмо Общества научных работников в поддержку развития генной инженерии в Российской Федерации. В открытом письме отмечается, что запрет ГМО в России нанесёт не только ущерб здоровой конкуренции на рынке сельскохозяйственной продукции, но приведёт к значительному отставанию в сфере технологий производства пищевых продуктов, усилению зависимости от импорта продуктов питания, и подорвет престиж России, как государства, в котором официально заявлен курс на инновационное развитие [значимость факта? ] .

См. также

Примечания

Александр Панчин Обыгрывая бога // Популярная механика . - 2017. - № 3. - С. 32-35. - URL: http://www.popmech.ru/magazine/2017/173-issue/
Ольга Волкова. 12 методов в картинках: генная инженерия. Часть I, историческая (рус.) . Биомолекула. Проверено 25 марта 2019.
Майкл Вальдхольц Трансформеры // В мире науки . - 2017. - № 5-6. - С. 126 - 135.
In vivo genome editing using a high-efficiency TALEN system (англ.) . Nature . Проверено 10 января 2017.
Элементы - новости науки: Обезьян вылечили от дальтонизма при помощи генной терапии (неопр.) (18 сентября 2009). Проверено 10 января 2017.
Трансгенные обезьяны дали первое потомство (неопр.) . membrana (29 мая 2009). Проверено 10 января 2017.
Genetically altered babies born (неопр.) . Би-би-си . Проверено 26 апреля 2008. Архивировано 22 августа 2011 года.
B. Alberts, A. Johnson, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, P. Walter, 2008. «Molecular biology of the cell», 5th ed., Garland Science, USA, pp. 1302-1303
Kimmelman J. (2009) «Ethics of cancer gene transfer clinical research», Methods in Molecular Biology 542, 423-445
Wagner AM, Schoeberlein A, Surbek D. (2009) «Fetal gene therapy: opportunities and risks», Advanced Drug Delivery Reviews 61, 813-821
Gatzidou E, Gatzidou G, Theocharis SE. (2009) «Genetically transformed world records: a reality or in the sphere of fantasy?», Medical Science Monitor 15, RA41-47
Lowenstein PR. (2008) «Clinical trials in gene therapy: ethics of informed consent and the future of experimental medicine», Current Opinion in Molecular Therapy 10, 428-430

Генетическая инженерия

Современная биология коренным образом отличается от традиционной биологии не только большей глубиной разработки познавательных идей, но и более тесной связью с жизнью общества, с прак- тикой. Можно сказать, что в наше время биология стала средством преобразования живого мира с целью удовлетворения материальных потребностей общества. Это заключение иллюстрируется прежде всего тесной связью биологии с биотехнологией, которая стала важнейшей областью материального производства, равноправным партнером механической и химической технологий, созданных чело- веком, а также с медициной.

С момента своего возникновения биология и биотехнология всегда развивались совместно, причем с самого начала биология была научной основой биотехнологии. Однако длительное время недостаток собственных данных не позволял биологии оказывать очень большое влияние на биотехнологию. Положение резко изменилось с созданием во второй половине XX в. методологии генетической инженерии, под которой понимают генетическое манипулирование с целью конструкции новых и реконструкции существующих генотипов. Являясь по своей природе методическим достижением, генетическая инженерия не привела к ломке сложившихся представлений о биологических явлениях, не затронула основных положений биологии подобно тому, как радиоастрономия не поколебала основных положений астрофизики, установление «механического эквивалента тепла» не привело к изменению законов теплопроводности, а доказательство атомистической теории вещества не изме- нило соотношений термодинамики, гидродинамики и теории упругости (А.А. Баев).

Тем не менее генетическая инженерия открыла новую эру в биологии по той причине, что появились новые возможности для про- никновения в глубь биологических явлений с целью дальнейшей характеристики форм существования живой материи, более эффективного изучения структуры и функции генов на молекулярном уровне, понимания тонких механизмов работы генетического аппарата. Успехи генетической инженерии означают переворот в современном

естествознании. Они определяют критерии ценности современных представлений о структурно-функциональных особенностях молекулярного и клеточного уровней живой материи. Современные данные о живом имеют гигантское познавательное значение, ибо обеспечивают понимание одной из важнейших сторон органического мира и тем самым вносят неоценимый вклад в создание научной картины мира. Таким образом, резко расширив свою познавательную базу, биология через генетическую инженерию оказала также ведущее влияние на подъем биотехнологии.

Генетическая инженерия создает заделы на пути познания способов и путей «конструирования» новых или улучшения существующих организмов, придавая им большую хозяйственную ценность и способность резкого увеличения продуктивности биотехнологических процессов. Однако генетическая инженерия создала новые горизонты и для медицины по линии диагностики и лечения многих болезней, как ненаследственных, так и наследственных. Она открыла новые пути в поисках новых лекарств и материалов, используемых в медицине. Генетическая инженерия и биотехнология стимулировали разработку методов бионанотехнологии.

В рамках генетической инженерии различают генную и клеточную инженерию. Под генной инженерией понимают манипуляции с целью создания рекомбинантных молекул ДНК. Часто эту методологию называют молекулярным клонированием, клонированием генов, технологией рекомбинантных ДНК или просто генетическими манипуляциями. Важно подчеркнуть, что объектом генной инженерии являются молекулы ДНК, отдельные гены. Напротив, под клеточной инженерией понимают генетические манипуляции с изолированными отдельными клетками или группами клеток растений и животных.

ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ И ЕЕ ИНСТРУМЕНТЫ

Генную инженерию составляет совокупность различных экспериментальных приемов (методик), обеспечивающих конструкцию (реконструкцию), клонирование молекул ДНК и генов с заданными целями.

Методы генной инженерии используют в определенной последовательности (рис. 127), причем различают несколько стадий в выпол-

нении типичного генно-инженерного эксперимента, направленного на клонирование какого-либо гена, а именно:

1. Выделение плазмидий ДНК из клеток интересующего организма (исходного) и выделение ДНК-вектора.

2. Разрезание (рестрикция) ДНК исходного организма на фрагменты, содержащие интересующие гены, с помощью одного из ферментов-рестриктаз и выделение этих генов из рестрикционной смеси. Одновременно разрезают (рестрицируют) векторную ДНК, превращая ее из кольцевой структуры в линейную.

3. Смыкание интересующего сегмента ДНК (гена) с ДНК вектора с целью получения гибридных молекул ДНК.

4. Введение рекомбинантных молекул ДНК путем трансформации в какой-либо другой организм, например в Е. coli или соматические клетки.

5. Высев бактерий, в которые вводили гибридные молекулы ДНК, на питательные среды, позволяющие рост только клеток, содержащих гибридные молекулы ДНК.

6. Идентификация колоний, состоящих из бактерий, содержащих гибридные молекулы ДНК.

7. Выделение клонированной ДНК (клонированных генов) и ее характеристика, включая секвентирование азотистых оснований в клонированном фрагменте ДНК.

Рис. 127. Последовательные стадии генно-инженерного эксперимента

В ходе эволюции бактерии развили способность синтезировать так называемые рестрицирующие ферменты (эндонуклеазы), которые стали частью клеточной (бактериальной) системы рестрикциимодификации. У бактерий системы рестрикции-модификации являются внутриклеточной иммунной системой защиты от чужеродной ДНК. В отличие от высших организмов, у которых распознание и разрушение вирусов, бактерий и других патогенов происходит внеклеточно, у бактерий защита от чужеродной ДНК (ДНК растений и животных, в организме которых они обитают) происходит внутриклеточно, т.е. тогда, когда чужеродная ДНК проникает в цитоплазму бактерий. С целью защиты бактерии в ходе эволюции развили также способность «метить» собственную ДНК метилирующими основаниями на определенных последовательностях. По этой же причине чужеродная ДНК из-за отсутствия в ней метильных групп на тех же последовательностях плавится (разрезается) на фрагменты разными бактериальными рестриктазами, а затем деградируется бактериальными экзонуклеазами до нулеотидов. Можно сказать, что таким образом бактерии защи- щают себя от ДНК растений и животных, в организме которых они обитают временно (как патогены) или постоянно (как сапрофиты).

Рестриктазы впервые были выделены из Е. coli в 1968 г. Оказалось, что они способны разрезать (плавить) молекулы ДНК на разных сайтах (местах) рестрикции. Эти ферменты получили название эндонуклеаз класса I. Затем у бактерий были обнаружены эндонуклеазы класса II, которые распознают в чужеродной ДНК сайты рестрикции специфически и на этих сайтах тоже осуществляют рестрикцию. Именно ферменты этого класса стали использовать в генной инже- нерии. Тогда же были открыты ферменты класса III, которые плавят ДНК рядом с сайтами распознания, но эти ферменты не имеют значения в генной инженерии.

Действие системы рестрикции-модификации «рационализуется» так называемыми палиндромными (распознающими) последователь- ностями азотистых оснований, которые являются сайтами рестрикции ДНК. Палиндромные последовательности - это последовательности оснований, которые одинаково читаются вперед и назад, как, например, последовательность букв радар. Поскольку цепи ДНК обладают антипараллельным направлением, то считают, что последовательность является палиндромной, если она идентична, когда читается в направлении от 5" - к 3"-концу на верхней и на нижней цепи от 3" - к 5"-концу, а именно:

Палиндромы могут быть любых размеров, но большинство тех палиндромов, которые используют в качестве сайтов узнавания рестриктазами, состоят из 4, 5, 6 и реже 8 оснований.

Рестриктазы - это абсолютно необходимый инструмент в генной инженерии для вырезания интересующих фрагментов (генов) из больших молекул ДНК. Поскольку известно более 100 ферментов рестрикции, то это позволяет выбор рестриктаз и селективное вырезание фрагментов из исходной ДНК.

Замечательной особенностью рестриктаз является то, что они продуцируют разрезы молекул на несколько фрагментов (рестриктов) ДНК уступами, в результате чего в образующихся концах одна цепь длиннее другой, образуя своеобразный хвост. Такие концы (хвосты) получили название «липких» концов, так как они способны к самокомплементарности.

Рассмотрим результаты рестрикции на примере одной из наиболее известных рестриктаз Eco RI из системы рестрикция-модификация Е. соИ. Вместо того чтобы плавить ДНК в центре палиндромной последовательности узнавания, этот фермент плавит ДНК за преде- лами центра и продуцирует 4 самокомплементарных («липких») конца, состоящих из разного количества нуклеотидов, а именно:

Эти «липкие» концы в генно-инженерных опытах полезны по той причине, что они могут быть воссоединены комплементарно при низких температурах, что позволяет эффективное смыкание ДНК-фрагментов.

Сайты распознавания и сайты плавления в случае других рестриктаз имеют другое содержание, а именно:

Вслед за рестрикцией ДНК из рестрикционной смеси выделяют рестрикционные ДНК-фрагменты (ДНК-рестрикты), которые необ- ходимы затем для объединения с вектором. Для выделения ДНКрестриктов прибегают к электрофорезу, поскольку с помощью этого метода рестрикцированную ДНК очень легко фракционировать благодаря размерам фрагментов-рестриктов и константным отношениям электрический заряд-масса. Фрагменты в электрическом поле мигрируют в ходе электрофореза при частоте, зависимой от их размеров (массы). Чем больше (длиннее) фрагмент, тем медленнее он мигрирует в электрическом поле. Материалом, в котором проводят электрофорез, являются незаряжающиеся агароза или полиакриламид. Для опознания фрагментов используют этидий бромид, который красит фрагменты, что ведет к их более легкому обнаружению.

Результативность электрофореза очень высока, поскольку с его помощью могут быть разделены фрагменты, размеры которых состав- ляют от 2 до 50 000 оснований.

После электрофореза фрагменты из агарозы выделяют с помощью разных методов. На основании результатов сравнения размеров

рестриктов одной и той же ДНК, полученных с помощью разных рестриктаз, строят рестрикционные карты, на которых показывают сайты рестрикции каждой из использованных рестриктаз. В практическом плане рестрикционные карты позволяют определять не только размеры рестриктов, но и выяснять расположение в молекулах ДНК локусов тех или иных генов.

Поскольку у высших организмов в ходе транскрипции синтезируется гетерогенная ДНК, корректируемая процессингом, то в генной инженерии обычно используют комплементарную ДНК (кДНК), которую получают при использовании в качестве матрицы мРНК, на которой обратная транскриптаза синтезирует одноцепочечную ДНК (кДНК), являющуюся копией мРНК. В последующем эти одноцепочечные ДНК превращают в двухцепочечные ДНК. Считают, что кДНК содержит непрерывные нуклеотидные последовательности (транскрибируемые и транслируемые). Именно кДНК используют для рестрикции.

Выделенные после электрофореза из агарозных гелей фрагменты ДНК (рестрикты) можно предварительно подвергнуть сек-вентированию, т.е. определить в них нуклеотидную последовательность. Для этого служат химический и ферментативный методы секвентирования. Химический метод основан на получении меченных радиоактивным фосфором (32 Р) фрагментов и удалении из этих фрагментов одного из оснований с последующим учетом результатов радиоавтографии гелей, содержащих эти фрагменты. Ферментативный метод основан на том, что в конец анализируемого фрагмента вводят нуклеотид, используемый затем в синтезе разных фрагментов in vitro, анализируемых на нуклеотидную последовательность электрофоретически. Для изучения специфических последовательностей нуклеотидов в молекуле ДНК используют

также гибридизацию ДНК-ДНК, РНК-РНК, ДНК-РНК, Нозерн-

и Саузерен-блоттинги.

Генетические векторы. Сегмент ДНК (ген), который предназначен для молекулярного клонирования, должен обладать способностью к репликации при переносе его в бактериальную клетку, т.е. быть репликоном. Однако он такой способностью не обладает. Поэтому, чтобы обеспечить перенос и обнаружение клонируемых генов в клетках, их объединяют с так называемыми генетическими векторами. Последние должны обладать как минимум двумя свойствами. Во-первых, векторы должны быть способны к репликации

в клетках, причем в нескольких концах. Во-вторых, они должны обеспечивать возможность селекции клеток, содержащих вектор, т.е. обладать маркером, на который можно вести контрселекцию клеток, содержащих вектор вместе с клонируемым геном (рекомбинантные молекулы ДНК). Таким требованиям отвечают плазмиды и фаги. Плазмиды являются хорошими векторами по той причине, что они являются репликонами и могут содержать гены резистентности к какому-либо антибиотику, что позволяет вести селекцию бактерий на устойчивость к этому антибиотику и, следовательно, легкое обнаружение рекомбинантных молекул ДНК

(рис. 128).

Рис. 128. Вектор pBRl

Поскольку не существует природных плазмидных векторов, то все известные к настоящему времени плазмидные векторы были сконструированы искусственно. Исходным материалом для создания ряда генетических векторов послужили R-плазмиды, в которых с помощью рестриктаз удаляли излишние последовательности ДНК, в том числе те, на которых располагались множественные сайты рестрикции. Это удаление определялось тем, что плазмидный вектор должен обладать только одним сайтом узнавания для одной рестриктазы, причем этот сайт должен лежать в функционально несущественном районе плазмидного генома. Например, плазмидый вектор pBR 322, который имеет гены резистентности к ампициллину и тетрациклину, что делает его очень удобным

для селекции бактерий, содержащих клонируемый сегмент ДНК, обладает одиночными сайтами рестрикции для более 20 ферментов- рестриктаз, включая такие известные рестриктазы, как Eco RI, Hind III, Pst I, Pva II и Sal I.

Фаговые векторы тоже обладают рядом преимуществ. Они могут включать в себя более крупные (более длинные) клонируемые фрагменты ДНК по сравнению с плазменными векторами. Далее, перенос фагами клонируемого фрагмента в клетки в результате инфицирования ими последних является более эффективным, чем трансформация ДНК. Наконец, фаговые векторы позволяют более эффективный скрининг (распознание) на поверхности агара колоний, содержащих клетки, несущие клонируемый ген. Многие фаговые векторы сконструированы на базе фага лямбда.

Кроме фаговых используют и другие вирусные векторы, сконструированные на базе вируса герпеса, а также векторы, сконструированные на базе дрожжевой ДНК.

Если клонирование генов проводят, используя клетки млекопитающих или растений, то требования к векторам те же, что и в случае клонирования в бактериальных клетках.

Конструирование рекомбинантных молекул ДНК. Непосредственное конструирование рекомбинантных молекул ДНК следует после того, как получены рестрикты исследуемой ДНК и векторной ДНК. Оно заключается в смыкании сегментов-рестриктов исследуемой ДНК с рестриктом векторной ДНК, которая в результате рестрикции превращается из кольцевой в линейную ДНК.

Чтобы сомкнуть фрагменты исследуемой ДНК с ДНК вектора, используют ДНК-лигазу (рис. 129). Лигирование будет успешным, если смыкаемые структуры обладают З"-гидроксильной и 5"-фос- фатной группами и если эти группы расположены соответствующим образом относительно одна другой. Фрагменты объединяются через их «липкие» концы в результате самокомплементарности. При высоких концентрациях фрагментов последние время от времени становятся в правильное положение (напротив друг друга). Многие рестриктазы, такие как Eco RI, продуцируют «липкие» концы, состоящие из четырех оснований. Процесс лигирования «липких» концов, состоящих из четырех оснований, происходит при пониженной температуре (до 12 ?С).

Рис. 129. ДНК-лигирование

Если при рестрикции образуются фрагменты без «липких» концов, то их «насильственно» конвертируют в молекулы с «липкими» концами, используя фермент трансферазу. Этот фермент добавляет нуклеотиды к 3"-концу ДНК. На одном фрагменте может быть добавлен поли-А-хвост, на другом - поли-Т-хвост. Для генерации любых желаемых концов ДНК используют также полимеразную цепную реакцию (ПЦР). Принцип ПЦР основан на денатурации выделенной из клеток ДНК и «отжиге» ее с добавлением к ренатурирующимся цепям ДНК-олигонуклеотидов, состоящих из 15-20 нуклеотидов каждый. Эти олигонуклеотиды должны быть комплементарны последовательностям в цепях, разделенных расстояниями в 50-2000 нуклеотидов. Будучи «затравкой» для синтеза ДНК in vitro, они позволяют ДНК-полимеразе копировать те участки, которые находятся между «затравками». Это копирование дает большое количество копий изучаемого фрагмента ДНК.

Введение рекомбинантных молекул ДНК в клетки. После смыкания интересующего фрагмента ДНК (гена) с генетическим вектором с помощью ДНК-лигазы образованные рекомбинантные молекулы вводят в клетки с целью добиться их репликации (за счет генетического вектора) и увеличения количества копий. Наиболее популярным способом введения в клетки рекомбинантных молекул ДНК, в которых вектором служит плазмида, является трансформация Е. coli. С этой целью бактериальные клетки предварительно обрабатывают кальцием или рубидием (ионами), для того

чтобы они стали «компетентными» в восприятии рекомбинатной ДНК. Чтобы повысить частоту проникновения ДНК в клетки, используют метод электропорации, заключающийся в кратком экспонировании клеток в интенсивном электрическом поле. Эта обработка создает полости в мембранах клеток, что способствует лучшему восприятию клетками ДНК. После введения рекомбинатных молекул ДНК в бактерии последние высевают на МПА (мясо-пептонный агар), обогащенный антибиотиками для селекции желаемых клеток, т.е. клеток, содержащих рекомбинантные молекулы ДНК. Частота трансформации является невысокой. Обычно один трансформант возникает на 10 5 высеянных клеток. Если же вектор является фаговым, то прибегают к трансфекции клеток (бактерий или дрожжей) фагом. Что касается соматических клеток животных, то их трансфекцию осуществляют ДНК в присутствии химических веществ, облегчающих прохождение ДНК через плазматические мембраны. Возможны также прямые микроинъекции ДНК в овоциты, в культивируемые соматические клетки и в эмбрионы млекопитающих.

Важнейшим моментом, связанным с молекулярным клонированием, является поиск способа, позволяющего установить, действитель- но ли клонируемый фрагмент включился в вектор и вместе с вектором, образовав рекомбинатную молекулу ДНК, вошел в клетки. Если речь идет о бактериальных клетках, то один из способов основан на учете инсерционной инактивации плазмидного (векторного) гена резистентности. Например, в плазмидном векторе pBR 322, детерминирующем резистентность к ампициллину и тетрациклину, един- ственный сайт для рестриктазы Pst I находится в локусе, занимаемом геном резистентности к ампициллину. Pst I-плавление на этом сайте генерирует «липкие» концы, позволяющие лигирование клонируемого фрагмента с векторной ДНК. Однако при этом плазмидный (векторный) ген ампициллинрезистентности инактивируется, тогда как ген тетрациклинрезистентности на векторе остается интактным. Именно ген тетрациклинрезистентности и используется для селекции клеток, трансформируемых рекомбинантными молекулами ДНК. Это позволяет убедиться, что клетки выросших колоний на среде с тетрациклином действительно содержат рекомбинантные молекулы ДНК, их проверяют с помощью так называемого «спот-теста» на паре чашек с плотной средой, одна из которых содержит ампициллин, тогда как другая лишена этого антибиотика. Клонируемые ДНК находятся

лишь в трансформантах, резистентных к тетрациклину. Что касается трансформантов, резистентных одновременно к ампициллину и тетрациклину (АрТс), то они содержат плазмидные (векторные) молекулы, которые спонтанно приобрели кольцевую форму без включения в них чужеродной (клонируемой) ДНК.

Другой способ обнаружения инсерции чужеродных (клонируемых) фрагментов в плазмидный вектор основан на использовании вектора, содержащего ген β-галактозидазы. Инсерция чужеродной ДНК в этот ген неизбежно инактивирует синтез β-галактозидазы, что может быть обнаружено посевом трансформированных клеток на среду, которая содержит субстраты β-галактозидазы. Эта среда позволяет селекцию окрашенных колоний клеток. Существуют и другие методы.

Как уже отмечено, рестрикционные линейные фрагменты векторной ДНК способны к восстановлению кольцевой структуры без включения в них клонируемых сегментов. Чтобы уменьшить частоту спонтанного образования таких кольцевых молекул векторной ДНК, рестрикты векторной ДНК обрабатывают фосфатазой. В результате этого образование кольцевых молекул ДНК становится невозможным, поскольку будут отсутствовать концы 5"-РО 4 , необходимые для действия лигазы.

Совокупность колоний-трансформантов, выросших на селективной среде, представляет собой совокупность клеток, содержащих клоны разных фрагментов (генов) клонируемой геномной или кДНК. Коллекции этих клонов формируют так называемые библиотеки ДНК, широко используемые в генно-инженерных работах.

Заключительной стадией клонирования генов является выделение и исследование клонированной ДНК, включая секвенирование. Перспективные штаммы бактерий или соматических клеток, содержащих рекомбинантные молекулы ДНК, которые контролируют синтез интересующих белков, имеющих коммерческую ценность, передают в промышленность.

КЛЕТОЧНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

Как отмечено в начале главы, клеточной инженерией называют генетические манипуляции с изолированными клетками животных и растений. Эти манипуляции часто осуществляют in vitro, а главной целью они имеют получение генотипов этих организмов с заданными свойствами, в первую очередь хозяйственно полезными. Что касает-

ся человека, то клеточная инженерия оказалась применимой к его половым клеткам.

Предпосылкой к развитию клеточной инженерии у человека и животных явилась разработка методов культивирования их сома- тических клеток на искусственных питательных средах, а также получение гибридов соматических клеток, включая межвидовые гибриды. В свою очередь успехи в культивировании соматических клеток оказали влияние на изучение половых клеток и оплодотворения у человека и животных. Начиная с 60-х гг. ХХ в. в нескольких лабораториях мира были выполнены многочисленные эксперименты по пересадке ядер соматических клеток в яйцеклетки, искусственно лишенные ядер. Результаты этих экспериментов часто были противоречивы, но в целом они привели к открытию способности клеточных ядер обеспечивать нормальное развитие яйцеклетки (см. гл. IV).

На основе результатов изучения развития оплодотворенных яйцеклеток в 60-е гг. XX в. были начаты также исследования по выяснению возможности оплодотворения яйцеклеток вне организма матери. Очень быстро эти исследования привели к открытию возможности оплодотворения яйцеклеток сперматозоидами в пробирке и дальнейшего развития образованных таким путем зародышей при имплантации в матку женщины. Дальнейшее совершенствование разработанных в этой области методов привело к тому, что рождение «пробирочных» детей стало реальностью. Уже к 1981 г. в мире было рождено 12 детей, жизнь которым была дана в лаборатории, в пробирке. В настоящее время этот раздел клеточной инженерии получил большое распространение, а количество «пробирочных» детей составляет уже десятки тысяч (рис. 130). В России работы по получению «пробирочных» детей были начаты только в 1986 г.

В 1993 г. была разработана методика получения монозиготных близнецов человека in vitro путем разделения эмбрионов на бласто- меры и доращивания последних до 32 клеток, после чего они могли быть имплантированы в матку женщины.

Под влиянием результатов, связанных с получением «пробирочных» детей, у животных тоже была разработана технология, получившая название трансплантации эмбрионов. Она связана с разработкой способа индукции полиовуляции, способов искусственного оплодот- ворения яйцеклеток и имплантации зародышей в организм животных - приемных матерей. Суть этой технологии сводится к следую-

щему. Высокопродуктивной корове вводят гормоны, в результате чего наступает полиовуляция, заключающаяся в созревании сразу 10-20 клеток. Затем яйцеклетки искусственно оплодотворяются мужскими половыми клетками в яйцеводе. На 7-8-й день зародыши вымывают из матки и трансплантируют в матки другим коровам (приемным матерям), которые затем дают жизнь телятам-близнецам. Телята наследуют генетический статус своих подлинных родителей.

Рис. 130. «Пробирочные» дети

Другой областью клеточной инженерии у животных является создание трансгенных животных. Наиболее простой способ получения таких животных заключается во введении в яйцеклетки исходных животных линейных молекул ДНК. Животные, развившиеся из оплодотворенных таким образом яйцеклеток, будут содержать в одной из своих хромосом копию введенного гена и, кроме того, они будут передавать этот ген по наследству. Более сложный способ получения трансгенных животных разработан на мышах, различающихся по окраске шерстного покрова, и сводится к следующему. Вначале из организма беременной серой мыши извлекают четырехдневных зародышей и измельчают их на отдельные клетки. Затем из эмбриональных клеток извлекают ядра, переносят их в яйцеклетки черных мышей, предварительно лишенных ядер. Яйцеклетки черных мышей, содержащие чужие ядра, помещают в пробирки

с питательным раствором для дальнейшего развития. Развившиеся из яйцеклетки черных мышей зародыши имплантируют в матки белых мышей. Таким образом, в этих экспериментах удалось получить клон мышей с серой окраской шерстного покрова, т.е. клонировать эмбриональные клетки с заданными свойствами. В главе IV мы рассмотрели результаты оплодотворения искусственно лишенных ядер яйцеклеток овец ядерным материалом соматических клеток животных этого же вида. В частности, из яйцеклеток овец удаляли ядра, а затем в такие яйцеклетки вводили ядра соматических клеток (эмбриональных, плодовых или клеток взрослых животных), после чего оплодотворенные таким образом яйцеклетки вводили в матки взрослых овец. Рождающиеся ягнята оказались идентичными овцедонору. Пример - овца Долли. Получены также клоновые телята, мыши, кролики, кошки, мулы и другие животные. Такое конструирование трансгенных животных представляет собой прямой путь клонирования животных с хозяйственно полезными признаками, включая особей определенного пола.

Трансгенные животные получены также при использовании исходного материала, принадлежащего разным видам. В частности, известен способ передачи гена, контролирующего гормон роста, от крыс в яйцеклетки мышей, а также способ комбинирования бластомеров овцы с бластомерами козы, что привело к возникновению гибридных животных (ковец). Эти эксперименты указывают на воз- можность преодоления видовой несовместимости на самых ранних этапах развития. Особенно заманчивые перспективы открываются (если видовая несовместимость будет преодолена полностью) на пути оплодотворения яйцеклеток одного вида ядрами соматических клеток другого вида. Речь идет о реальной перспективе создания хозяйственно ценных гибридов животных, которых невозможно получить путем скрещиваний.

Следует отметить, что ядерно-трансплантационные работы еще не очень эффективны. Эксперименты, выполненные на земноводных и млекопитающих, в целом показали, что их результативность является небольшой, причем она зависит от несовместимости между донорскими ядрами и реципиентными овоцитами. Кроме того, препятствием на пути к успехам являются также образующиеся хромосомные аберрации в трансплантированных ядрах в ходе даль- нейшего развития, которые сопровождаются гибелью трансгенных животных.

На стыке работ по изучению гибридизации клеток и иммунологических исследований возникла проблема, связанная с получением и изучением так называемых моноклональных антител. Как отмечено выше, антитела, продуцируемые организмом в ответ на введение антигена (бактерии, вирусы, эритроциты и т.д.), представляют собой белки, называемые иммуноглобулинами и составляющие фундаментальную часть защитной системы организма против возбудителей болезней. Но любое чужеродное тело, вводимое в организм, представляет собой смесь разных антигенов, которые будут возбуждать продукцию разных антител. Например, эритроциты человека обладают антигенами не только для групп крови А (II) и В (III), но и многими другими антигенами, включая резус-фактор. Далее, белки клеточной стенки бактерий или капсида вирусов также могут действовать в качестве разных антигенов, вызывающих образование разных антител. В то же время лимфоидные клетки иммунной системы организма обычно представлены клонами. Значит, даже только по этой причине в сыворотке крови иммунизированных животных антитела всегда представляют собой смесь, состоящую из антител, продуцируемых клетками разных клонов. Между тем для практических потребностей необходимы антитела только одного типа, т.е. так называемые моноспецифические сыворотки, содержащие антитела только одного типа или, как их называют, моноклональные антитела.

В поисках методов получения моноклональных антител швейцарскими исследователями в 1975 г. был открыт способ гибридизации между лимфоцитами мышей, иммунизированных тем или иным антигеном, и культивируемыми опухолевыми клетками костного мозга. Такие гибриды получили название «гибри- домные». От «лимфоцитарной» части, представленной лимфоцитом одного клона, одиночная гибридома наследует способность вызывать образование необходимых антител, причем одного типа, а благодаря «опухолевой (миэломной)» части она становится способной, как и все опухолевые клетки, бесконечно долго размно- жаться на искусственных питательных средах, давая многочисленную популяцию гибридов. На рис. 131 показана схема выделения клеточных линий, синтезирующих моноклональные антитела. Линии мышиных клеток, синтезирующих моноклональные антитела, выделяют путем слияния миеломных клеток с лимфоцитами из селезенки мыши, иммунизированной за пять дней до этого

желаемым антигеном. Слияния клеток достигают смешиванием их в присутствии полиэтиленгликоля, который индуцирует слияние клеточных мембран, а затем в высеве их на питательную среду, позволяющую рост и размножение только гибридных клеток (гибридом). Размножение гибридом проводят в жидкой среде, где они растут далее и секретируют антитела в культуральную жидкость, причем только одного типа, к тому же в неограниченных количествах. Эти антитела получили название моноклональных. Чтобы повысить частоту образования антител, прибегают к клонированию гибридом, т.е. к селекции отдельных колоний гибридом, способных вызывать образование наибольшего количе- ства антител желаемого типа. Моноклональные антитела нашли широкое применение в медицине для диагностики и лечения ряда болезней. В то же время важнейшее преимущество моноклональной технологии заключается в том, что с ее помощью могут быть получены антитела против материалов, которые невозможно очистить. Напротив, можно получить моноклональные антитела против клеточных (плазматических) мембран нейронов животных. Для этого мышей иммунизируют выделенными мембранами нейронов, после чего их селезеночные лимфоциты объединяют с миеломными клетками, а дальше поступают, как описано выше.

Рис. 131. Получение моноклональных антител

ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ И МЕДИЦИНА

Генная инженерия оказалась очень перспективной для медицины, прежде всего в создании новых технологий получения физиологически активных белков, используемых в качестве лекарств (инсулин, соматостатин, интерфероны, соматотропин и др.).

Инсулин используют для лечения больных диабетом, который стоит на третьем месте (после болезней сердца и рака) по частоте вызываемых смертельных случаев. Мировая потребность инсулина составляет несколько десятков килограммов. Традиционно его получают из панкреатических желез свиней и коров, но гормоны этих животных слегка отличаются от инсулина человека. Инсулин свиней различается по одной аминокислоте, а коровий - по трем. Считают, что инсулин животных часто вызывает побочные эффекты. Хотя химический синтез инсулина осуществлен давно, но до сих пор промышленное производство гормонов оставалось очень дорогим. Сейчас получают дешевый инсулин с помощью генно-инженерного метода путем химико-ферментативного синтеза гена инсулина с последующим введением этого гена в кишечную палочку, которая затем синтезирует гормон. Такой инсулин более «биологичен», так как химически идентичен инсулину, вырабатываемому клетками поджелудочной железы человека.

Интерфероны - белки, синтезируемые клетками главным образом в ответ на заражение организма вирусами. Интерфероны характери- зуются видовой специфичностью. Например, у человека установлены три группы интерферонов, продуцируемых различными клетками под контролем соответствующих генов. Интерес к интерферонам определяется тем, что их широко используют в клинической практике для лечения многих болезней человека, особенно вирусных.

Имея крупные размеры, молекулы интерферона мало доступны для синтеза. Поэтому большинство интерферонов сейчас получают из крови человека, но выход при таком способе получения небольшой. Между тем потребности в интерфероне исключительно велики. Это поставило задачу изыскать эффективный метод производства интерферона в промышленных количествах. Генетическая инженерия лежит в основе современного производства «бактериального» интерферона.

Усилилось влияние генетической инженерии на технологию тех лекарственных веществ, которые уже давно создаются по био- логической технологии. Еще в 40-50-е гг. XX в. была создана

биологическая промышленность для производства антибиотиков, которые составляют наиболее эффективную часть лекарственного арсенала современной медицины. Однако в последние годы отмечается значительный рост лекарственной устойчивости бактерий, особенно к антибиотикам. Причина заключается в широком распространении в микробном мире плазмид, детерминирующих лекарственную устойчивость бактерий. Именно поэтому многие знаменитые ранее антибиотики утратили свою былую эффективность. Единственный пока путь преодоления резистентности бактерий к антибиотикам - это поиски новых антибиотиков. По оценкам специалистов, в мире ежегодно создают около 300 новых антибиотиков. Однако большинство из них либо неэффективно, либо токсично. В практику же каждый год вводится лишь несколько антибиотиков, что заставляет не только сохранять, но и увеличивать мощность антибиотической промышленности на основе генно-инженерных разработок.

Основные задачи генной инженерии в тех технологиях лекарственных веществ, в которых продуцентами лекарств являются микроорганизмы, определяются необходимостью генно-инженерной реконструкции последних с целью повышения их активности. В то же

время началась реализация идеи создания лекарств в виде малых молекул, что способствует их большей эффективности.

Иммунная биотехнология связана с производством прежде всего вакцин нового поколения для профилактики инфекционных болезней человека и животных. Первыми коммерческими продуктами, созданными с помощью генетической инженерии, стали вакцины против гепатита людей, ящура животных и некоторые другие. Исключительно важное направление в этой области связано с производством моноклональных антител, реагентов, необходимых для диа- гностики возбудителей болезни, а также для очистки гормонов, витаминов, белков различной природы (ферментов, токсинов и др.).

Значительный практический интерес представляет метод получения искусственного гемоглобина путем введения гемоглобиновых генов в растения табака, где под контролем этих генов продуциру- ются α- и β-цепи глобина, которые объединяются в гемоглобин. Синтезируемый в клетках табачных растений гемоглобин полностью функционален (связывает кислород). Клеточная инженерия в применении к человеку связана не только с решением фундаментальных проблем биологии человека, но и с преодолением прежде всего женского бесплодия. Поскольку частота положительных случаев имплантации в матку женщин эмбрионов, полученных in vitro, является небольшой, то получение монозиготных близнецовэмбрионов in vitro также имеет значение, так как увеличиваются возможности повторных имплантаций за счет «запасных» эмбрионов. Особый интерес представляют перспективы использования стволовых клеток в качестве источника замены клеток и тканей в лечении таких болезней, как диабет, повреждения спинного мозга, боли сердца, остиоартриты, болезнь Паркинсона. Но для реализации этих перспектив необходимо углубленное изучение биологии стволовых клеток.

В использовании генетической инженерии применительно к проблемам медицины особое значение приобрела задача разработки генно-инженерных методов радикального лечения наследственных болезней, которые, к сожалению, еще не поддаются лечению существующими методами. Содержание этой задачи заключается в разработке способов исправления (нормализации) мутаций, результатом которых являются наследственные болезни, и в обеспечении передачи «исправлений» по наследству. Считают, что успешной разработке генно-инженерных методов лечения наследственных болезней будут

способствовать данные о геноме человека, полученные в результате выполнения международной научной программы «Геном человека».

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНЖЕНЕРИИ

Подняв на новый уровень биотехнологию, генетическая инженерия нашла также применение в разработке способов определения и устранения загрязнений окружающей среды. В частности, сконструированы штаммы бактерий, которые являются своеобразными индикаторами мутагенной активности химических загрязнений. С другой стороны, генно-инженерным способом сконструированы штаммы бактерий, содержащие плазмиды, под контролем которых происходит синтез ферментов, способных разрушать многие химические соединения- загрязнители среды обитания. В частности, некоторые плазмидосодержащие бактерии способны разлагать до безвредных соединений нефть и нефтепродукты, оказавшиеся в среде в результате различных аварий или других неблагоприятных причин.

Однако генетическая инженерия - это превращение генетического материала, которое в природе отсутствует. Следовательно, продукты генной инженерии - это абсолютно новые продукты, не существующие в природе. Поэтому она сама по себе из-за неизвестности ее продуктов таит опасность как для природы и среды обитания, так и для персонала, работающего в лабораториях, где используют методы генетической инженерии или работают со структурами, созданными в ходе генно-инженерных работ.

Поскольку возможности клонирования генов безграничны, то еще в самом начале этих исследований среди ученых возникли вопросы о природе создаваемых организмов. Одновременно были высказаны предположения о ряде нежелательных последствий этой методологии, причем эти предположения нашли поддержку и среди широкой общественности. В частности, появились раз- ногласия о свойствах бактерий, получивших в генно-инженерных экспериментах гены животных. Например, сохраняют ли бактерии Е. coli свою видовую принадлежность из-за содержания введенных в них генов животного происхождения (например, гена инсулина) или их следует считать новым видом? Далее, насколько долговечны такие бактерии, в каких экологических нишах они могут

существовать? Но самое главное стало заключаться в появлении опасений, что в ходе производства и манипуляций с рекомбинантными молекулами ДНК могут быть созданы генетические структуры со свойствами, непредвиденными и опасными для здоровья человека, для исторически сложившегося экологического равновесия. Тогда же начались и призывы к мораторию на генетическую инженерию. Эти призывы вызвали международный резонанс и привели к международной конференции, которая состоялась в 1975 г. в США и на которой широко обсуждались возможные последствия исследований в этой области. Затем в странах, где стала развиваться генетическая инженерия, были выработаны правила работы с рекомбинантными молекулами ДНК. Эти правила направлены на исключение попадания в среду обитания продуктов деятельности генно-инженерных лабораторий.

Другой аспект нежелательных последствий генно-инженерных работ связан с опасностью для здоровья персонала, работающего в лабораториях, где применяют методы генетической инженерии, поскольку в таких лабораториях используют фенол, этидий бромид, УФ-излучения, которые являются вредными для здоровья факторами. Кроме того, в этих лабораториях существует возможность заражения бактериями, содержащими рекомбинантные молекулы ДНК, контролирующие нежелательные свойства, например лекарственную резистентность бактерий. Эти и другие моменты определяют необходимость повышения уровня техники безопасности в генноинженерных работах.

Наконец, широко обсуждаются в обществе проблемы опасности генетически модифицированных продуктов (генетически изме- ненных томатов, картофеля, кукурузы, сои), а также таких продуктов, как хлеб, пасты, конфеты, мороженое, сыр, растительное масло, мясные продукты, которые в ряде стран, особенно в США, приобрели широкое распространение. На протяжении 12 000 лет сельского хозяйства человек употреблял продукты естественного происхождения. Поэтому предполагают, что с генетически модифицированной пищей в организм человека попадут новые токсины, аллергены, бактерии, канцерогены, что приведет к совершенно новым болезням будущих поколений. В связи с этим возникает вопрос о подлинно научной оценке генетически модифицированной пищи.

ВОПРОСЫ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ

1. Что понимают под генной, клеточной и генетической инженерией? Есть ли разница между этими понятиями и молекулярном клонировании?

2. В чем заключается прогрессивность генетической инженерии по сравнению с другими методами, используемыми в биологии?

3. Перечислите основные «инструменты» генной инженерии.

4. Что представляют собой ферменты-рестриктазы, каковы их свойства и их роль в генной инженерии?

5. Все ли рестриктазы образуют «липкие» концы исследуемых ДНК и зависит ли структура «липких» концов от вида рестриктазы?

6. Дайте определение генетическим векторам. Существуют ли природные векторы?

7. Как получают генетические векторы в лабораторных условиях? Какие биологические объекты являются исходным материалом для получения векторов?

8. Какова предельная длина последовательностей азотистых оснований ДНК, которые еще могут включиться в генетический вектор? Различаются ли векторы по «мощности»?

9. Охарактеризуйте свойства ДНК-лигазы и определите ее роль в генной инженерии.

10. Как смыкают клонируемый сегмент ДНК (ген) с генетическим вектором?

11. Какова частота введения рекомбинантных молекул ДНК в бактериальные клетки?

12. На каком принципе основана селекция бактериальных клеток, содержащих рекомбинантные молекулы ДНК? Приведите один из примеров такой селекции.

14. Многие штаммы бактерий обладают одинаковыми ферментами, практически одинаково обеспечивающими их метаболизм. Между тем нуклеотидная специфичность систем рестрикции-модификации бактерий различна. Можете ли вы объяснить это явление?

15. Почему последовательности ДНК, представляющие сайты распознавания рестриктазами, не могут содержать более восьми пар оснований?

16. Сколько раз последовательность ГГЦЦ, распознаваемая рестриктазой Нае III, будет встречаться в сегменте ДНК длиной в 50 000 пар оснований с 30-, 50- и 70-процентным содержанием ГЦ?

17. Рестриктазы Bam HI и Bgl I плавят последовательности Г ГАТЦЦ и Т ГАТЦА соответственно. Можно ли включить в сайт Bam HI фрагменты ДНК, продуцированные Bgl I-рестрикцией? Если да, то почему? Если используемая плазмида (вектор) содержит один сайт для рестрикции Bgl I, то на какой питательной среде можно осуществить селекцию бактерий, эту плазмиду?

18. Вычислите частоту трансформации бактерий на одну молекулу ДНК, если на 5000 плазмидных пар оснований образуется 5-10 5 трансформантов?

19. Можно ли клонировать 0-пункт репликации ДНК Е. coli и если да, то каким образом?

20. Можно ли определить, сколько необходимо молекул ДНК для трансформации одной клетки Е. coli?

21. Можно ли с помощью полимеразной цепной реакции определить сайт сплайсинга на мРНК?

22. Каким образом можно использовать полимеразную цепную реакцию для того, чтобы ввести желаемый сайт рестрикции в интересующее место на фрагменте ДНК, предназначенном для клонирования?

23. Назовите методы клеточной инженерии в применении к животным. Какова хозяйственная ценность животных, получаемых этими методами?

24. Дайте определение понятиям «трансгенные растения» и «трансгенные животные». Сохраняют ли трансгенные организмы свою видовую принадлежность или их можно считать организмами новых видов?

25. Что такое гибридомы и моноклональные антитела? Как их получают?

26. Применима ли клеточная инженерия к человеку?

27. Допустим, что инъекция чужеродной ДНК в яйцеклетку мыши и имплантация оплодотворенной таким путем яйцеклетки в организм мыши закончились ее беременностью и рождением мышат, содержащих в геноме копии инъецированной ДНК. Однако мышата оказались мозаиками, т.е. одни их клетки содержат копии инъецированной ДНК, другие лишены этой ДНК. Можете ли вы объяснить природу этого явления?

28. Считаете ли вы генетически опасной пищу, приготовленную из генетически измененных продуктов?

29. Необходима ли научная экспертиза генетически измененных продуктов питания?

Познание определяется тем, что утверждается нами как Истина.

П.А. Флоренский, 1923

Генетическая инженерия и современная биотехнология возникли в результате развития микробиологии, генетики и биохимии. Достижения молекулярной биологии, молекулярной генетики, биологии клетки, а также вновь открытые эксперимен-тальные методы и новое оборудование обеспечили немыслимые темпы развития генетической инженерии и биотехнологии.

Цель генной инженерии

Целью генной инженерии является изменение строения генов, их расположения в хромосоме и регулирование их деятельности в со-ответствии с потребностями человека. Для достижения этой цели применяются различные методы, позволяющие осуществлять в про-мышленных масштабах производство белков, создавать новые сорта растений и породы животных, наиболее отвечающие требованиям, диагностировать и лечить различные инфекционные и наследствен-ные болезни человека.

Объектами исследования генетической инженерии являются вирусы, бактерии, грибы , животные (в том числе организм человека) и растительные клетки. После очищения молекулы ДНК этих живых существ от других веществ клетки материальные различия между ними исчезают. Очищенная молекула ДНК может быть расщеплена с помощью энзимов на специфические отрезки, которые затем при необходимости можно с помощью сшивающих энзимов соединить между собой. Современные методы генетической инженерии позволяют размножать любой отрезок ДНК или заменять любой нуклеотид в цепи ДНК другим. Разумеется, эти успехи достигнуты в результате последовательного изучения закономерностей наследственности.

Генетическая инженерия (генная инженерия) возникла в результате открытия энзимов, специфическим образом разделяющих материальную основу наследственности — молекулу ДНК на отрезки и соединяющих эти отрезки концами друг с другом, а также электрофоретического метода, позволяющего с высокой точностью разделять по длине отрезки ДНК. Создание методов и оборудования для определения специфической последовательности нуклеотидов, образующих молекулу ДНК, а также для автоматического синтеза любого желаемого отрезка ДНК обеспечило развитие генетической инженерии быстрыми темпами.

Развитию у учёных стремления управлять наследст-венностью способствовали доказательства, свидетельствующие о том, что основу наследственности всех растений и животных составляет молекула ДНК, что бактерии и фаги также подчиняются законам наследст-венности, что мутационный процесс является общим для всех живых существ и может регулироваться экспериментальными методами.

Луи Пас-тер

Вели-кий французский учёный Луи Пас-тер, разработав метод получения клонов, первым показал, что бак-терии разнообразны, обладают нас-ледственностью и их свойства тесно связаны с последней (рис. 1, 2).

Туорт и Д’Эррель

В 1915 г. Туорт и Д’Эррель доказали, что фаги (фаги — вирусы, размножающиеся в бактериях), самопроизвольно размножаясь внутри бактерий, могут их уничтожить. Микробиологи возлагали надежды на использование фагов против микробов — возбудителей опасных инфекционных заболеваний. Однако бактерии обладают устойчивостью к фагам вследствие само-произвольных спонтанных мутаций. Наследование этих мутаций предохраняет бактерии от уничтожения со стороны фагов.

Размножаясь внутри клетки, вирусы и фаги могут погубить её или, внедрившись в геном клетки, изменить её наследственность. Для изменения наследственности организма широко используются процессы трансформации и трансдукции .

Джошуа и Эстер Ледерберги

В 1952 г. Джошуа и Эстер Ледерберги, используя метод копирования (репликации) колоний бактерий, до-казали существование самопроиз-вольных мутаций в бактериях (рис. 3). Они разработали метод, позволяющий выделять мутантные клетки с помощью репликации. Под влиянием внешней среды частота мутаций возрастает. Специальные методы позволяют увидеть невооружённым глазом клоны новых штаммов , образовавшихся в результате мутаций.

Метод репликации колоний бактерий осуществляется следующим образом. Стерилизованную бархатную ткань натягивают на поверхность деревянного приспособления и прик-ладывают к колонии бактерий, рас-тущих на поверхности чашки Петри, предназначенной для пересадки реп-лик. Затем колонии переносят в чистую чашку Петри с искусствен-ной питательной средой . Материал с сайта

Этапы генной инженерии

Генная инженерия осуществляется в несколько этапов.

Определяют ген, представляющий интерес по его функциям, затем его выделяют, клонируют и изучают его структуру.
Выделенный ген соединяют (рекомбинируют) с ДНК какого-нибудь фага, транспозона или плазмиды , имеющей способность рекомбинироваться с хромосомой, и таким путём создают век-торную конструкцию.
Векторную конструкцию встраивают в клетку (транс¬формация) и получают трансгенную клетку.
Из трансгенной клетки в искусственных условиях можно полу¬чить зрелые организмы.

Генная инженерия

Материал из Википедии - свободной энциклопедии

Ге́нная инжене́рия - 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.

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

1 Экономическое значение

2 История развития и достигнутый уровень технологии

3 Применение в научных исследованиях

4 Генная инженерия человека

5 Примечания

7 Литература

Экономическое значение

Генная 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 путем использования генномодифицированных бактерий, производство эритропоэтина в культуре клеток или новых пород экспериментальных мышей для научных исследований.

Задача получения таких промышленных штаммов очень важна, для их видоизменения и отбора разработаны многочисленные приёмы активного воздействия на клетку - от обработки сильно действующими ядами до радиоактивного облучения. Цель этих приёмов одна - добиться изменения наследственного, генетического аппарата клетки. Их результат - получение многочисленных микробов-мутантов, из сотен и тысяч которых учёные потом стараются отобрать наиболее подходящие для той или иной цели. Создание приёмов химического или радиационного мутагенеза было выдающимся достижением биологии и широко применяется в современной биотехнологии.

Но их возможности ограничиваются природой самих микроорганизмов. Они не способны синтезировать ряд ценных веществ, которые накапливаются в растениях, прежде всего в лекарственных и эфирномасличных. Не могут синтезировать вещества, очень важные для жизнедеятельности животных и человека, ряд ферментов, пептидные гормоны, иммунные белки, интерфероны да и многие более просто устроенные соединения, которые синтезируются в организмах животных и человека. Разумеется, возможности микроорганизмов далеко не исчерпаны. Из всего изобилия микроорганизмов использована наукой, и особенно промышленностью, лишь ничтожная доля. Для целей селекции микроорганизмов большой интерес представляют, например, бактерии анаэробы, способные жить в отсутствие кислорода, фототрофы, использующие энергию света подобно растениям, хемоавтотрофы, термофильные бактерии, способные жить при температуре, как оказалось недавно, около 110 °C, и др.

[править]

История развития и достигнутый уровень технологии

Во второй половине ХХ 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. Такой аппарат синтезирует отрезки ДНК длиной до 100-120 азотистых оснований (олигонуклеотиды). Получила распространение техника, позволяющая использовать для синтеза ДНК, в том числе мутантной, полимеразную цепную реакцию. Термостабильный фермент, ДНК-полимераза, используется в ней для матричного синтеза ДНК, в качестве затравки которого применяют искусственно синтезированные кусочки нуклеиновой кислоты - олигонуклеотиды. Фермент обратная транскриптаза позволяет с использованием таких затравок (праймеров) синтезировать ДНК на матрице веделенной из клеток РНК. Синтезированная таким способом ДНК называется комплементарной (РНК) или кДНК. Изолированный, «химически чистый» ген может быть также получен из фаговой библиотеки. Так называется препарат бактериофага, в геном которого встроены случайные фрагменты из генома или кДНК, воспроизводимые фагом вместе со всей своей ДНК.

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.

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

Применение в научных исследованиях

Генетический нокаут. Для изучения функции того или иного гена может быть применен генетический нокаут. Так называется техника удаления одного или большего количества генов, что позволяет исследовать последствия подобной мутации. Для нокаута синтезируют такой же ген или его фрагмент, измененный так, чтобы продукт гена потерял свою функцию. Для получения нокаутных мышей полученную генноинженерную конструкцию вводят в эмбриональные стволовые клетки и замещают ею нормальный ген, а измененные клетки имплантируют в бластоцисты суррогатной матери. У плодовой мушки дрозофилы мутации инициируют в большой популяции, в которой затем ищут потомство с нужной мутацией. Сходным способом получают нокаут у растений и микроорганизмов.

Искуственная экспрессия. Логичным дополнением нокаута является искусственная экспресия, т.е. 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.

Мечение генных продуктов. Используется, когда задачей является изучение локализации продукта гена. Одним из способов мечения является замещение нормального гена на слитый с репортерным элементом, например, с геном зеленого флуоресцентного белка (GRF). Этот белок, флуоресцирующий в голубом свете, используется для визуализации продукта генной модификации. Хотя такая техника удобна и полезна, ее побочными следствиями может быть частичная или полная потеря функции исследуемого белка. Более изощренным, хотя и не столь удобным методом является добавление к изучаемому белку не столь больших олигопептидов, которые могут быть обнаружены с помощью специфических антител.

Исследование механизма экспрессии. В таких экспериментах задачей является изучение условий экспрессии гена. Особенности экспрессии зависят прежде всего от небольшого участка ДНК, расположенного перед кодирующей областью, который называется промотор и служит для сязывания факторов транскрипции. Этот участок вводят в организм, поставив после него вместо собственного гена репортерный, например, того же GFP или фермента, катализирующего хорошо детектируемую реакцию. Кроме того, что функционирование промотора в тех или иных тканях в тот или иной момент становится хорошо заметным, такие эксперименты позволяют исследовать структуру промотора, убирая или добавляя к нему фрагменты ДНК, а также искусственно усиливать его функции.

[править]

Генная инженерия человека

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

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. Ребенок в результате наследует генотип от одного отца и двух матерей. При помощи генной инженерии можно получать потомков с измененной внешностью, умственными и физическими способностьями, характером и поведением. В принципе можно создавать и более серьезные изменения, но на пути подобных преобразований человечеству необходимо решить множество этических проблем.

Примечания

BBC News. news.bbc.co.uk. Проверено 2008-04-26 г.

Литература

Сингер М., Берг П. Гены и геномы. - Москва, 1998.

Стент Г., Кэлиндар Р. Молекулярная генетика. - Москва, 1981.

Sambrook J., Fritsch E.F., Maniatis T. Molecular Cloning. - 1989.

Генная инженерия – это направление исследований в молекулярной биологии и генетике, конечной целью которых является получение с помощью лабораторных приемов организмов с новыми, в том числе и не встречающимися в природе, комбинациями наследственных свойств.

Формальной датой рождения генной инженерии считают 1972 год. В основе генной инженерии лежит обусловленная последними достижениями молекулярной биологии и генетики возможность целенаправленного манипулирования с фрагментами нуклеиновых кислот. К этим достижениям следует отнести установление универсальности генетического кода, то есть факта, что у всех живых организмов включение одних и тех же аминокислот в белковую молекулу кодируются одними и теми же последовательностями нуклеотидов в цепи ДНК; успехи генетической энзимологии, предоставившей в распоряжение исследователя набор ферментов, позволяющих получить в изолированном виде отдельные гены или ферменты нуклеиновой кислоты, осуществлять in vitro синтез фрагментов нуклеиновых кислот, объединить в единое целое полученные фрагменты. Таким образом, изменение наследственных свойств организма с помощью генной инженерии сводится к конструированию из различных фрагментов нового генетического материала, введение этого материала в рецепиентный организм, создания условий для его функционирования и стабильного наследования.

Генная инженерия бактерий

В 1972 году группа исследователей во главе с американским биохимиком Полом Бергом, работавшим в Стэнфордском университете, что неподалёку от Сан-Франциско в Калифорнии, сообщила о создании вне организма первой рекомбинантной ДНК. Такую молекулу часто называют гибридной, так как она состоит из ДНК-фрагментов различных организмов.

Первая рекомбинантная молекула ДНК состоит из фрагмента ДНК бактериофага кишечной палочки (E. coli), группы генов самой этой бактерии, ответственные за сбраживание сахара галактозы, и полной ДНК вируса SV40, вызывающего развитие опухолей у обезьян. Такая рекомбинантная структура теоретически могла обладать функциональной активностью в клетках, как кишечной палочки, так и обезьяны, ведь в неё входила часть ДНК фага, обеспечивающая её способность реплицироваться (самокопироваться) в E. coli, и вся ДНК SV40, реплицирующаяся в клетках обезьяны.

Фактически это была первая гибридная молекула ДНК, которая могла бы, как челнок, «ходить» между бактерией и животным. Но именно это экспериментально не проверил П.Берг и его коллеги.

Учёные разных стран, развивая идеи П.Берга, создали in vitro функционально активные гибридные ДНК. Первыми эту задачу решили американцы Стэнли Коен из Стэнфордского университета и его коллега Герберт Бойер из Калифорнийского университета в Сан-Франциско. В их работах появился новый и очень важный «инструмент» всех последующих генно-инженерных работ – вектор.

Основные методы генной инженерии бактерий были разработаны в начале 70-х годов прошлого века. Их суть заключается во введении в организм нового гена. Наиболее распространённый из них – конструирование и перенос рекомбинантных ДНК.

Генная инженерия растений

При введении новых генов в эукариотические клетки, например, растительные, возникает немало трудностей. Одна из них заключается в том, что генетическое строение растений намного сложнее и менее изучено, чем строение бактерий, остававшихся до недавнего времени основным объектом генных инженеров. К тому же изменить генотип всех клеток многоклеточного организма невозможно. Значительно затрудняется перенос векторных систем прочная целлюлозная оболочка, которая покрывает клетки растений.

Несмотря на сказанное генная инженерия растений применяется в сельском хозяйстве, особенно в растениеводстве. Это стало возможным, во-первых, потому, что изолированные от многоклеточного организма клетки растений могут расти и размножаться на искусственных питательных средах, то есть in vitro или вне организма. Во-вторых, установлено, что ядра зрелых растительных клеток содержат всю информацию, необходимую для кодирования целого организма. Так, если клетки какого-либо растения пометить в подходящий растительный раствор, то их можно вновь заставить делиться и образовывать новые растения. Это свойство растительных клеток, связанное со способностью к регенерации уже после достижения ими зрелости и специализации, названо тотипотентностью.

Использование почвенных агробактерий

Один их эффективных способов переноса генов в растения – использование в качестве вектора почвенных бактерий, прежде всего, Agro bacterium tumefaciens («полевая бактерия, вызывающая рак растений»). Эта бактерия была выделена в 1897г. из опухоли винограда. Она заражает многие двудольные растения и вызывает у них образование больших наростов – корончатых галлов.

Патогенные штаммы этой агробактерии в отличие от непатогенных содержат крупную плазмиду, специально предназначенную для переноса генов из бактериальной клетки в растительную. Плазмида получила название Ti, то есть вызывающая опухоль. Именно в неё обычно встраивается подготовленный для переноса ген.

Кроме A. tumefaciens для введения новых генов в растения используют также бактерию вида A. Rhizogenes. Они вызывают у двудольных растений очень мелкие опухоли, из которых вырастает множество корней. Болезнь, которую вызывают эти ризогенные агробактерии, называют «бородатый» или «волосатый» корень. В них обнаружены плазмиды, похожие на Ti. Они названы Ri или корнеиндуцирующими.

В последние годы Ri-плазмиды применяются в генной инженерии растений не менее широко, чем Ti-плазмиды. Это объясняется, прежде всего, тем, что клетки корончатых галлов плохо растут на искусственно питательных средах и из них не удаётся вырастить целые растения. Напротив, клетки «бородатого» корня хорошо культивируются и регенерируются.

Использование вирусов

Вирусы также достаточно часто используются для конструирования векторов, обеспечивающих перенос новых генов в растения. Чаще других для этой цели выделяют вирус мозаики цветной капусты. В природе он заражает только крестоцветные, однако известно, что в экспериментальных условиях способен поражать и другие виды растений.

Геном вируса мозаики представляет собой небольшую двунитевую кольцевую ДНК. Некоторые из его генов могут быть заменены на другие, интересующие исследователя. Проникая в растительную клетку, вирус вносит в неё не только свою собственную ДНК, но и встроенный в неё чужеродный ген.

Векторной системой, способной переносить новые гены в растения, могут быть и вирусы, у которых генетический материал представлен РНК. Вирусы этой группы способны с высокой частотой проникать в растительные клетки, активно в них размножаться и тем самым обеспечивать высокий уровень экспрессии введённых генов вследствие увеличения их количества.

Конструирование рекомбинантной ДНК

Техника встраивания генов в векторы предназначенных для растений аналогична той, что используется для бактериальных клеток. Плазмидная ДНК и ДНК вирусов разрезается рестриктазами с образованием «липких» концов. Если применяется фермент, образующий тупые концы, пользуются короткими фрагментами ДНК. Встраивая новый ген в подготовленный плазмидный или вирусный вектор с помощью ДНК-лигазы, получают рекомбинантную ДНК.

Направления генной инженерии растений

Основные направления генной инженерии растений связаны с созданием культур, устойчивых к насекомым-вредителям, гербицидам и вирусам, способных к азотфиксации, а также с повышением качества и количества продуктов.

Растения устойчивые к насекомым-вредителям

Насекомые-вредители могут приводить к значительному снижению урожая различных сельскохозяйственных культур. Для борьбы с ними используются химические вещества,

называемые инсектицидами. Первым инсектицидом, завоевавшим всемирное признание, оказалась бордосская жидкость.

Помимо препаратов, синтезированных химически, известны инсектициды, полученные на основе естественных врагов насекомых – бактерий и грибов. Многие годы в мире применяют инсектициды бактериального происхождения – препараты спор, которые образует почвенная бактерия Bacillus thuringiensis («тюрингская бацилла», или сокращённо Bt). Инсектицидная активность этих спор связана с находящимися в них ядовитыми кристаллами белка эндотоксина. Проглотив такую спору, гусеница вскоре погибает от паралича кишечника.

Преимущество инсектицидов этого типа в том, что они не токсичны для человека и животного, их легко отмыть и инактивировать. Недостаток таких инсектицидов – сравнительно короткий период активности в полевых условиях. Эффективность их действия при распылении на растения колеблется, и её трудно прогнозировать. Всё это обуславливает необходимость повторных обработок.

Новое направление в борьбе с насекомыми-вредителями – создание на основе генно-инженерной технологии устойчивых к ним трансгенных растений. Успешными оказались исследования Марка ван Монтегю и его коллег из Гентского университета, результаты которых они опубликовали в работе «Трансгенные растения, защищённые от нападения насекомых» (1987).

Они выделили ген, кодирующий синтез белка эндотоксина, из ДНК тюрингской бациллы и вставили его в векторную Ti-плазмиду бактерии A. tumefaciens. Этой агробактерией заражали диски, вырезанные из кусочков листьев табака. Трансформированную растительную ткань выращивали на питательной среде определённого химического состава, которая обеспечивала рост и развитие трасгенных растений с листьями, содержащими белок эндотоксин. При попадании в кишечник некоторых видов насекомых эндотоксин связывается с их внутренней поверхностью и повреждает эпителий, в результате переваренная пища не всасывается и насекомое погибает от голода.

В последние годы ген бактериального токсина удалось ввести в клетки многих растений. В частности, специалисты компании «Monsanto» создали картофель «New Leaf» («Новый лист»), устойчивый к колорадскому жуку, Bt-кукурузу и Bt-хлопок, сою «Roundup Ready» и др. Однако использование Bt-культур вызывает сомнения из-за здоровья человека и безопасность окружающей среды. Так, многие задаются вопросом: если колорадский жук не ест ботву, полезен ли такой картофель? Нет уверенности в том, что растительная продукция с «генными добавками» не повлияет отрицательно на будущее поколение.

При этом перенос пыльцы генетически модифицированных культур на растения соседних полей приведёт к их генетическому загрязнению, последствия которого трудно предсказуемы. На биологическое разнообразие может повлиять гибель полезных насекомых, для которых Bt-культуры оказались опасными. Кроме того, возможно, появятся супервредители, так как исходные виды насекомых достаточно быстро могут приобрести устойчивость к бактериальному эндотоксину.

Растения, устойчивые к вирусам

Создание вирусоустойчивых сортов – ещё одно направление генной инженерии растений.

Для создания таких сельскохозяйственных растений используется так называемая перекрёстная защита. Сущность этого является в том, что растения, инфицированные одним видом вируса, становятся устойчивыми к другому, родственному вирусу, так как происходит своего вида вакцинация. В растения вводят ген ослабленного штамма вируса, что предотвращает его поражение более вирулентным (вызывающим заболевание) штаммом того же или близкородственного вируса.

Таким геном-защитником может служить ген, кодирующий у вируса синтез белка оболочки, окружающий нуклеиновую кислоту. Этот ген используется для создания in vitro с помощью обратной транскриптазы к ДНК - ДНК-копии. К ней присоединяют необходимые регуляторные элементы и с помощью специальным образом подготовленной Ti-плазмидой агробактерии переносят в растения. Трансформированные растительные клетки синтезируют белок оболочки вируса, а выращенные из них трансгенные растения либо совсем не заражаются его более вирулентными штаммами, либо дают слабую и запоздалую реакцию на вирусную инфекцию.

Это один из механизмов защитного действия вирусного гена, который до сих пор не вполне ясен и может сопровождаться нежелательными последствиями.

Генетическое модифицирование – новая версия сельского хозяйства

Генетическое модифицирование сельского хозяйства основано на использовании высокопродуктивных сортов растений или пород животных, полученных на основе генной селекции. Именно этим благородным делом занимаются десятилетиями генетики-селекционеры. Но их возможности ограничены рамками скрещиваний – скрещиваться и давать плодовитое потомство могут только особи, принадлежащие как правило, к одному и тому же виду. Картофель и кукуруза не обладают способностью поражать колорадского жука и кукурузного стеблевого мотылька, а безвредная для человека и животных бактерия Bacillus thuringinesis может их убивать. Генетики скрестить бациллу с картофелем не могут, а генные инженеры - могут. Генетическая селекция улучшает количественные характеристики сорта или породы (урожайность, устойчивость к заболеваниям, надои и др.); генная инженерия способна создать новое качество – перенести ген, его кодирующий, из одного биологического вида в другой, в частности, ген инсулина от человека в дрожжи. И генетически модифицированные дрожжи станут фабрикой инсулина.

Считается, что единственное принципиальное препятствие, стоящее перед генными инженерами,- это или их ограниченная фантазия, или ограниченное финансирование. Непреодолимых природных ограничений в генной инженерии, похоже, нет.

Генная инженерия: от анализа к синтезу

Как мы уже знаем именно в 1972г. Пол Берг впервые объединил в пробирке в единое целое два гена, выделенных из разных организмов. И получил «молекулярный» гибрид, или рекомбинантную ДНК, которая в природных условиях никак образоваться не могла. Затем такую рекомбинантную ДНК внесли в бактериальные клетки, создав, таким образом, первые трансгенные организмы, несущие гены бактерии и обезьяны, точнее онкогенного вируса обезьяны.

Затем были сконструированы микробы, несущие гены мушки дрозофилы, кролика, человека. Это вызвало тревогу.

Несколько ведущих американских учённых, в том числе сам Пол Берг, опубликовали в журнале «Сайенс» письмо, в котором призывали приостановить работы по генной инженерии до тех пор, пока не будут выработаны правила техники безопасности по обращению с трансгенными организмами. Предполагалось, что организмы, которые несут чужеродные гены, могут иметь свойства, опасные для человека и среды его обитания. Чисто умозрительно высказывалось мнение, что трансгенные организмы, созданные без учёта их вероятных экологических характеристик и не прошедшие совместной эволюции с природными организмами, «вырвавшись из пробирки на свободу», смогут бесконтрольно и неограниченно размножиться. Это приведёт к вытеснению природных организмов из мест их естественного обитания; последующей цепной реакции нарушений экологического равновесия; сокращению биоразнообразия; активации дремлющих, ранее не известных патогенных микроорганизмов; возникновению эпидемий ранее не известных болезней человека, животных и растений; «побегу» чужеродных генов из трансгенных организмов; хаотическому переносу генов в биосфере; появлению монстров, всё уничтожающих.

Две версии будущего: трансгенный рай или трансгенный апокалипсис

Кроме опасений биологического и экологического характера стали высказываться опасения нравственные, этические, философские, религиозные.

В 1973-1974гг. в дискуссию включились американские политики. В итоге на генно-инженерные работы был наложен временный мораторий – «запрет до выяснения обстоятельств». В течение запрета на основании всех имеющихся знаний следовало оценить все потенциальные опасности генной инженерии и сформулировать правила техники безопасности. В 1976г. Правила были созданы, запрет снят. По мере всё ускоряющегося развития строгость правил безопасности всё время снижалась. Первоначальные страхи оказались сильно преувеличенными.

В итоге 30-летнего мирового опыта генной инженерии стало ясно, что в процессе «мирной» генной инженерии что-либо мирного возникнуть не может. Первоначальная техника безопасности работ с трансгенными организмами исходила из того, что созданные химеры могут быть опасны, как чума, чёрная оспа, холера или сибирская язва. Поэтому с трансгенными микробами работали, словно они патогенны, в специальных инженерных сооружениях. Но постепенно становилось всё более очевидным: риск сильно преувеличен.

В общем, за все 30 лет интенсивного и всё расширяющегося применения генной инженерии ни одного случая возникновения опасности, связанной с трансгенными организмами, зарегистрировано не было.

Возникла новая отрасль промышленности – трансгенная биотехнология, основанная на конструировании и применении трансгенных организмов. Сейчас в США около 2500 генно-инженерных фирм. В каждой из них работают высококвалифицированные специалисты, которые конструируют организмы на основе вирусов, бактерий, грибов, животных, в том числе насекомых.

Когда речь идёт об опасности или безопасности трансгенных организмов и продуктов из них полученных, то самые распространённые точки зрения основываются преимущественно на «общих соображениях и здравом смысле». Вот, что обычно говорят те, кто против:

природа устроена разумно, любое вмешательство в неё всё только ухудшит;
поскольку сами учёные не могут со 100%-ной гарантией предсказать всё, особенно
отдалённые последствия применения трансгенных организмов, не надо этого делать вообще.

А вот аргументы тех, кто выступает за:

в течение миллиардов лет эволюции природа успешно «перепробовала» все
возможные варианты создания живых организмов, почему же деятельность человека по
конструированию изменённых организмов должна вызывать опасения?
в природе постоянно происходит перенос генов между разными организмами (в
особенности между микробами и вирусами), так что ничего принципиально нового
трансгенные организмы в природу не добавят.

Дискуссия о выгодах и опасностях применения трансгенных организмов обычно концентрируется вокруг главных вопросов о том, опасны ли продукты, полученные из трансгенных организмов и опасны ли сами трансгенные организмы для окружающей среды?

Защита здоровья и окружающей среды, или бесчестная борьба за экономические интересы?

Нужна ли международная организация, которая на основе предварительной экспертизы регулировала бы применение трансгенных организмов? Чтобы она разрешала или запрещала выпуск на рынок продуктов, полученных из таких организмов? Ведь семена, тем более пыльца границ не признают.

А если международное регулирование биотехнологии не нужно, не приведёт ли чересполосица национальных правил, регулирующих обращение с трансгенными организмами, к тому, что из стран, где такие правила «либеральны», трансгенные растения «убегут» в страны, где правила «консервативны»?

Даже если большинство стран и договорятся о согласовании правил оценки риска трансгенных организмов, как быть относительно профессиональных и моральных качеств чиновников и экспертов? Будут ли они одинаковыми, например, в США, Германии, Китае, России и в Папуа Новой Гвинее?

Если развивающиеся страны и подпишут, например Всемирную конвенцию о правилах интродукции трансгенных организмов, кто им заплатит за создание и поддержание соответствующих национальных ведомств, за консультации, экспертизу, мониторинг?

Примерно половина всех программ, разработанных ООН, UNIDO, UNEP, направлены на решение проблем, связанных с трансгенными организмами. Есть два главных документа: «Кодекс добровольно принимаемых правил, которые надлежит придерживаться при интродукции (выпуске) организмов в окружающую среду», подготовленный Секретариатом UNIDO и «Протокол по биобезопасности в рамках Конвенции по биологическому разнообразию» (UNEP).

Европейская точка зрения: отсутствие международно-согласованных правил применения трансгенных организмов приведёт к широкомасштабным экспериментам в открытой среде, вредные последствия которых могут быть необратимыми.

Итак, где же истина? Можно ли сделать рациональный выбор между определённой пользой и неопределённым риском? Правильный ответ таков: опасны или безопасны трансгенные растения и продукты на их основе, опасность или безопасность которых пока убедительно не показаны исходя из современного уровня знаний, разумнее избегать их употребления.

Продукты питания, модифицированные методами генной инженерии

Первое опытное растение было получено в 1983 году в институте растениеводства в Кёльне. Через 9 лет в Китае начали выращивать трансгенный табак, который не портили насекомые-вредители. Первыми коммерческими трансгенами были помидоры сорта «Flavr Savr», созданные компанией «Calgene» и появившиеся в супермаркетах США в 1994г. Однако некоторые проблемы, связанные с их производством и транспортировкой, привели к тому, что компания была вынуждена уже через три года снять сорт с производства. В дальнейшем были получены многие сорта различных сельскохозяйственных культур с искусственно изменённым генетическим кодом. Среди них наиболее распространена соя (коммерческое выращивание начато с 1995г.), она составляет свыше половины от общего урожая; на втором месте – кукуруза, а за ними – хлопок, масленичный рапс, табак и картофель.

Мировые лидеры в выращивании трансгенных растений – США, Аргентина, Канада и Китай. В России уже существует несколько экспериментальных «закрытых» полей с генетически модифированными (ГМ) культурами. По сообщению директора Центра «Биоинженерии» РАН академика К.Скрябина, некоторые из них заняты картофелем, устойчивым к колорадскому жуку и полученным на основе трёх наиболее распространенных российских сортов – «Луговского», «Невского» и «Елизаветы».

Генетически модифицированные растения используются для производства, как продуктов питания, так и пищевых добавок. Например, из сои получается соевое молоко, которое заменяет натуральное для многих грудных детей. ГМ сырьё обеспечивает большую часть потребности в растительном масле и пищевом белке. Соевый лецитин (Е322) используется как эмульгатор и стабилизатор в кондитерской промышленности, а шкурки соевых бобов – при производстве отрубей, хлопьев и закусок. Помимо этого, ГМ-соя широко применяется в пищевой промышленности и в качестве дешёвого наполнителя. Она в значительном количестве входит в состав таких продуктов, как хлеб, колбаса, шоколад и др.

Модифицированные картофель и кукурузу используют для приготовления чипсов, а также перерабатывают на крахмал, который применяют в качестве загустителей, студнеобразователей и желирующих веществ в кондитерской и хлебопекарной промышленности, а также при производстве многих соусов, кетчупов, майонезов. Кукурузное и рапсовое масло используют в виде добавок в маргарин, выпечку, бисквиты и т.д.

Несмотря на то, что на мировом рынке всё больше появляется продуктов, полученных с использованием генетически модифицированных источников, потребители всё-таки настороженно относятся к ним, и не торопятся переходить на «пищу Франкенштейна».

Проблема продуктов питания, модифицированных на основе генной инженерии, вызвала бурную полемику в обществе. Главный аргумент сторонников генетической пищи – характеристики самих сельскохозяйственных культур, которым биоинженеры прибавили немало полезных для потребителя свойств. Они менее прихотливы и более устойчивы к болезням, насекомым-вредителям, а главное – к пестицидам, которыми обрабатываются поля и чей вред на человеческий организм давно доказан. Продукты из них лучшего качества и товарного вида, обладают повышенной пищевой ценностью и дольше хранятся.

Так, из «улучшенных» генными инженерами кукурузы, соевых бобов и рапса получается растительное масло, в котором снижено количество насыщенных жиров. В «новых» картофеле и кукурузе больше крахмала и меньше воды. Такой картофель при жарке требует немного масла, из него получаются воздушные чипсы и картофель фри, который сравнительно с немодифицированными продуктами легче усваивается. «Золотой» рис, полученный в 1999г., обогащён каротином для профилактики слепоты у детей развивающихся стран, Гед рис – основной продукт питания.

Ещё недавно прогнозы генных инженеров о «съедобных вакцинах» выглядели как полная фантастика. Однако уже выращен табак, в генетический код, которого «вмонтирован» человеческий ген, отвечающий за выработку антител к вирусу кори. В ближайшем будущем, по утверждению учёных, будут созданы другие подобные растения с противовирусной начинкой. В перспективе это может стать одним из главных путей будущей иммунопрофилактики.

Основной вопрос: безопасны ли для человека продукты питания, полученные на основе генетически модифицированных источников, пока остается без однозначного ответа, хотя в последние годы стали известны результаты некоторых исследований, которые свидетельствуют о том, что генетически модифицированные продукты отрицательно влияют на живые организмы.

Так, британский профессор Арпад Пуштай (Arpad Pusztai), работавший в Государственном Институте Роветт (Rowett) города Абердин, в апреле 1998г. заявил в телевизионном интервью, что проведённые им эксперименты выявили необратимые изменения в организме крыс, питавшихся генетически модифицированным картофелем. Они страдали угнетением иммунной системы и различными нарушениями деятельности внутренних органов. Заявление учёного стало поводом для его увольнения с работы за «распространение заведомо ложной псевдонаучной информации».

Однако в феврале 1999г. независимая группа из 20 известных учёных после тщательного изучения опубликовала заключение о работе Арпада Пуштая, в котором полностью подтверждалась достоверность полученных им результатов. В связи с этим министр сельского хозяйства Великобритании был вынужден признать эксперименты заслуживающими внимания и рассмотреть вопрос о запрещении продаж генетически модифицированных продуктов без всестороннего исследования и предварительного лицензирования.

Помимо этого, выявлено, что один из сортов генетически модифицированной сои опасен для людей, он давал аллергию на орехи. Этот генно-модифицированный продукт получен одной из крупнейших компаний по производству семян «Pioneer Hybrid International» после введения в соевую ДНК гена бразильского ореха, запасной белок, которого богат такими аминокислотами, как цистеин и метионин. Компания была вынуждена выплатить компенсацию пострадавшим, а проект свернуть.

Компоненты, содержащиеся в генетически модифицированных продуктах, могут быть не только аллергенами, но и высокотоксичными, то есть наносящими вред живому организму химическими веществами. Так, через несколько лет применения появились сообщения о серьёзных побочных эффектах от использования пищевой добавки, известной как аспартам (Е 951).

По химическому строению аспартам – метилированный дипептид, состоящий из остатков двух аминокислот – аспарагиновой кислоты и фенилаланина. Добавленный в пищу в ничтожных количествах, он полностью заменяет сахар (слаще сахара почти в 200 раз). В связи с этим аспартам относят к классу подсластителей, то есть низкокалорийных веществ несахарной природы, придающих пищевым продуктам и готовой пищи сладкий вкус. Часто подсластители путают с сахарозаменителями, которые по химической природе представляют собой углеводы и обладают повышенной калорийностью.

Аспартам выпускается под различными торговыми марками: «NutraSweet», «Sucrelle», «Equal», «Spoonful», «Canderel», «Holy Line» и др. На российском рынке его можно встретить также в составе многокомпонентных смесей подсластителей, таких, как «аспасвит», «аспартин», «сламикс», «евросвит», «сладекс» и др.

Долгие годы, считаясь совершенно безвредным веществом, аспартам был допущен к применению в пищевом и фармацевтическом производстве более чем в 100 странах мира. Его рекомендовали больным сахарным диабетом, а также тем, кто страдал ожирением или опасался кариеса. Он применяется при производстве более 5 тыс. наименований продуктов: безалкогольных напитков, йогуртов, молочных десертов, мороженого, кремов, жевательной резинки и других.

Особенно удобен аспартам для подслащивания пищевых продуктов, которые не требуют тепловой обработки. Кроме того, его можно использовать при моментальной пастеризации и быстром охлаждении. Однако в продуктах, которые подвергаются нагреванию, его применение нецелесообразно. Это связано с тем, что при всех замечательных свойствах у данного подсластителя есть два недостатка: он плохо растворяется в воде и не выдерживает высокой температуры. Сказанное усложняет процесс приготовления пищевых продуктов и ограничивает использование аспартама в таких областях, как хлебопекарная и другие виды пищевой промышленности, где технологически требуется повышение температуры.

При продолжительном воздействии температуры выше 30 С компоненты аспартама разделяются, причём сладость теряется, кроме того, метанол превращается в формальдегид. Последнее вещество с резким запахом вызывает свёртываемость белковых веществ и относится к категории ядовитых. В дальнейшем из формальдегида образуется муравьиная кислота, вызывающая нарушение кислотно-щелочного равновесия. Метаноловая токсичность по симптомам похожа на рассеянный склероз, поэтому больным нередко ошибочно ставили этот диагноз. Однако если рассеянный склероз не является смертельным диагнозом, то метаноловая токсичность смертельна.

Образовавшийся фенилаланин способен оказать чрезвычайно токсичное действие, особенно на нервную систему. Существует наследственное заболевание, обусловленное его избыточностью и известно как фенилкетонурия. Дети, родившиеся с названным наследственным недугом, подвержены судорогам и страдают умственной отсталостью. Причина этой болезни во врождённом дефекте фермента фенилаланингидроксилазы.

Последние достижения медицинской генетики установили, что эффективно усваивать фенилаланин могут даже не все здоровые люди. Поэтому дополнительное введение в организм данной аминокислоты не просто значительно повышает её уровень в крови, а представляет серьёзную опасность для работы мозга.

В связи со сказанным, аспартам противопоказан больным гомозиготной фенилкетонурией, и о его присутствии должно быть указано на этикетке пищевого продукта. Однако обычно запись «содержит фенилаланин, противопоказан для больных фенилкетонурией» делается таким мелким шрифтом, что её редко кто читает. Но, тем не менее, аспартам – пока единственный генетически созданный химический препарат на американском рынке, имеющий чёткую маркировку. Это оказалось возможным только после того, как стало известно относительно большое число явных подтверждений опасной токсичности аспартама, а наиболее популярные газеты и журналы США не назвали его «сладкой отравой».

Устойчивость к антибиотикам – ещё одна широко обсуждаемая проблема, связанная с генетически модифицированной пищей. В биоинженерной технологии гены устойчивости к этим лекарственным препаратам много лет используются в качестве маркеров при подготовке векторных систем, трансформирующих растительную клетку. Так, при выведении томатов сорта «Flavr Savr» использовался ген устойчивости к каналицину, а генетически модифицированной кукурузы – к ампициллину.

К сожалению, до сих пор не найден способ удаления этих маркерных генов после трансформации. Их наличие в генетически модифицированных продуктах и вызывает беспокойство медиков. Причина в том, что маркерные гены устойчивости к антибиотикам по каким-либо причинам могут быть не переварены со всей оставшейся ДНК и попадут в геном бактерий, обитающих в кишечнике человека. После выведения бактерий из организма с фекалиями, такие гены распространятся в окружающей среде и передадутся другим болезнетворным бактериям, которые станут невосприимчивыми к действию антибиотиков этой группы. Появление подобных супермикробов может привести к возникновению болезней, которые невозможно будет вылечить имеющимися лекарственными средствами.