Генная инженерия

Генная инженерия

Под генной (генетической) инженерией подразумевают целый комплекс технологий, методов, процессов, посредством которых получают рекомбинантные (созданные благодаря биотехнологии на основе ДНК) РНК и ДНК, а также гены из клеток организмов, осуществляют различные манипуляции с генами и вводят их в другие организмы. Генная инженерия не является наукой – это только набор инструментов, использующий современные достижения клеточной и молекулярной биологии, генетики, микробиологии и вирусологии.

Работы по изменению существующих органических форм стали возможны только после того, как в 1953 году была расшифрована молекула ДНК. Человек наконец понял сущность гена, его значение для белков, прочитал код геномов живых организмов и естественно не стал останавливаться на достигнутом. В душах людей возникло сильное желание «творить» животный и растительный мир планеты по своему усмотрению.

С поразительной настойчивостью и упорством человек стал добиваться поставленной цели и к концу первого десятилетия XXI века достиг очень многого. Он научился выделять ген из организма и синтезировать его в лабораторных условиях; освоил технологии видоизменения гена для придания ему нужной структуры; нашёл способы введения в ядро клетки преобразованного гена и присоединения его к существующим генетическим образованиям.

Это сложнейшие технологии: они не имеют аналогов в окружающем мире. Ведь ген, молекула ДНК, ядро клетки представляют из себя микроскопические объекты, к которым невозможно подступиться со скальпелем, пинцетом или каким-либо другим инструментом. Даже подковать блоху в тысячу раз легче, чем произвести определённые манипуляции, скажем, с тем же самым геномом.

Всё это стало возможно благодаря ферментам – образованиям на основе белка, отвечающим за организацию работы клетки. В частности, можно назвать такие ферменты, как рестриктазы. Одна из их функций – защита клетки от инородных генов. Чужая ДНК разрезается этим надёжным стражем на отдельные части, причём существует множество различных рестриктаз, каждая из которых наносит удар в строго определённом месте.

Подобрав набор таких ферментов, можно без труда расчленять молекулу на требуемые участки. Затем необходимо их соединить, но уже по-новому. Тут помогает природное свойство генетического материала воссоединяться друг с другом. Помощь в этом оказывают также ферменты лигазы, задача которых заключается именно в соединении двух молекул с образованием новой химической связи.

Непохожий ни на что гибрид создан. Представляет он собой молекулу ДНК, несущую новую генетическую информации. Такое образование в генной инженерии называют вектором. Его главная задача – передача новой программы воспроизводства намеченному для этой цели живому организму. Но ведь последний может её проигнорировать, отторгнуть и руководствоваться только родными генетическими программами.

Такое невозможно, благодаря явлению, которое носит название трансформация у бактерий и трансфекция у человека и животных. Суть его заключается в том, что если клетка организма поглотила свободную молекулу ДНК из окружающей среды, то она всегда встраивает её в геном. Это влечёт за собой появление у такой клетки новых наследственных признаков, запрограммированных в поглощённую ДНК.

Поэтому, чтобы новая генетическая программа начала работать, необходимо только одно, – чтобы она оказалась в нужной клетке. Это сделать не просто, так как такое сложное образование, как клетка, имеет множество защитных механизмов, препятствующих проникновению в неё чужеродных объектов.

Любые преграды можно обойти. Для начала маленькие – к примеру, введение чужеродных генов в бактерии. Здесь, в качестве вектора, вполне можно использовать плазмиду – кольцевую молекулу ДНК малых размеров, располагающуюся в клетках вне хромосом и несущую дополнительные половые признаки. Бактерии постоянно обмениваются плазмидами, поэтому не составляет никакого труда перепрограммировать указанную молекулу и направить ее в клетку.

Значительно более трудно ввести готовый ген в наследственный аппарат клеток растений и животных. Здесь на помощь приходят вирусы – генетические элементы, одетые в белковую оболочку и способные переходить из одной клетки в другую. Для такой работы прекрасно подходят молекулы ДНК вирусов – фаги. Их «переделывают» под нужные параметры и включают в генетический аппарат животного или растительного организма.

Всё, дело сделано. Внедрённый генетический код начинает работать. Иногда бывают сбои, если часть генов новой ДНК окажутся «молчащими», то есть не вносят ни каких характерных изменений в функцию клетки. Таких много в каждом организме. У одних живых существ они прекрасно функционируют, у других же не проявляют себя никак. Видимо прекращают свою деятельность при утере той или иной особью каких-то качеств в процессе эволюции.

Накладки и недоработки учитываются и тщательно анализируются. Непрерывно идут работы, изучающие различные комбинации генов: удаление части их из молекулы или наоборот – добавление составляющих, совсем не свойственных данному живому организму.

Рассматриваются вопросы корректировки механизмов, отвечающих за процесс преобразования наследственной информации ДНК в такой функциональный продукт, как РНК или белок. Всё это обеспечивает высокую эффективность и качество конечных результатов по генетической модернизации окружающего мира.

Достижения и перспективы Генной инженерии

В наши дни успехи и достижения видны невооружённым глазом. Если рассмотреть такую сферу человеческой деятельности, как сельское хозяйство, то здесь генная инженерия добилась самых впечатляющих результатов.

Большое значение имело получение интерферона для человека, белка с универсальным антивирусным действием.

            Одним из важнейших достижений генной инженерии в практике животноводства является открытие соматотропного гормона (соматотропина или гормона роста). Но еще задолго до этого было известно, что экстракт гипофиза крупного рогатого скота стимулирует молочную продуктивность коров. Рассчитывали с помощью этого препарата быстро повысить надои животных. Но трудно было получать его в больших количествах и попробовали применить для этого метод генной инженерии. С помощью микробного синтеза на основе технологии рекомбинантных ДНК решили эту проблему.

Гормон роста берет участие в процессах стимуляции роста, деятельности молочной железы, влияет на обмен углеводов и липидов. Его инъецируют в составе генноинженерных гормонов, которые созданы для крупного рогатого скота, овец, свиней. Их клонирование осуществляют в клетках кишечной палочки и других микроорганизмов.

Использование этого гормона в скотоводстве при ежедневном введении (или через 2-3 дня) способствует повышению скорости роста молодняка на 10-15 %, удоя молока на 20-40 %. Состав молока при этом не меняется.

Положительные результаты получены в исследованиях по стимуляции с помощью соматотропина интенсивности роста свиней, овец, бычков, репродуктивных способностей свиней.

Вместе с этим не менее сложным заданием является перенос генов непосредственно высшим организмам, в том числе и животным. Необходимо природным путем, а не введением искусственных препаратов, внедрять новые гены в организмы. Используют несколько подходов — интродукцию гена в изолированные клетки реципиента с последующей ретрансплантацией этих клеток, инъекцию гена непосредственно в организм реципиента, интродукцию клонированных генов в геном эмбрионов на ранних стадиях развития.

Широко проводятся исследования по созданию трансгенных кролей, овец, свиней, птицы. Быстрыми темпами осуществляется создание трансгенных животных, которые могут синтезировать некоторые лекарственные препараты: инсулин, интерферон, факторы оседания клеток крови, гормоны, незаменимые аминокислоты. Планируется получение трансгенных овец, которые бы продуцировали в молоке фактор оседания крови, необходимый для лечения гемофилии, причем для этого достаточно стада в 15-20 овец.

Большой интерес представляют работы по созданию трансгенных животных, которые синтезируют незаменимые аминокислоты. Например, в овцеводстве имеет актуальность способность овец синтезировать метионин, который необходим для роста шерсти. В Австралии удалось получить трансгенное животное с интегрированным гормоном роста овцы. Для этого был выделен ген гормона роста, который потом был введен в геном зиготы. Полученная трансгенная овца в трехлетнем возрасте была в полтора раза больше по живой массе, чем сверстницы.

Получение трансгенных особей проводится в трех направлениях: картирование геномов сельскохозяйственных животных, производство дополнительных продуктов эндогенного происхождения, использование их для селекционно-генетического улучшения, акклиматизации и одомашнивания.

Наиболее применимым может быть создание линий трансгенных животных, имеющих ген соматотропина или устойчивых к целому ряду заболеваний (генетически иммунных форм).

В перспективе есть возможность получать политрансгенных животных, в зиготу которых будет вноситься несколько генов. Но при этом возникает опасность разрушения эволюционно сбалансированного генома особей. Поэтому в данном случае одним из основных этапов будет тщательный отбор и селекция на гомеостаз генома политрансгенных животных. Можно наметить несколько направлений применения генной инженерии для создания трансгенных животных по видам.

Крупный рогатый скот —трансгеноз гормона роста, гена тимидинкиназы вируса герпеса, получение инсулина человека, интерферона, факторов оседания крови, введение гена азотфиксации, ресинтез дикого тура.

Свиньи — ген гормона роста человека, бычий ген соматотропина, ген антигена гепатита В, гены релизинггормона, гибридизация с овцой, получение каракульских поросят, гены долголетия.

Овцы — ген гормона роста овцы, гены синтеза серосодержащих аминокислот, ген синтеза протромбина, ген зимней спячки, ген разноцветной шерсти за счет перенесения генов попугая.

Птица — ген инсулин-подобного ростового фактора, ген иммуноглобулина, гены устойчивости против лейкоза, болезни Марека, саркомы Рауса, гормон роста птицы, ген антисмысловой ДНК аденовируса, мини-гуси, гены устойчивости от болезней от диких родственников, гены яйцеживорождения.

Кроли — ген антигена вируса гепатита А, гормоны роста человека, крупного рогатого скота, интерферона человека, ген антисмысловой РНК аденовируса человека.

Если подытожить направления для отрасли животноводства в целом, можно выделить гены гормонов роста для всех видов, ген антисмысловой ДНК аденовируса, интродукция генов от одного вида к другому с целью получения новых признаков, введение гена азотфиксации, гена Бурулласа целью повышения плодовитости.

             Учитывая современные тенденции развития биологической и сельскохозяйственной наук, решать проблемы эффективного управления популяционными ресурсами можно, создавая популяции и родительские стада многофункционального назначения, т.е. одну и туже популяцию в зависимости от направления производства, рыночной конъюнктуры можно соответственно переориентировать путем перекомбинации ее генотипического состава на максимальное производство определенного вида продукции или преимущественную реализацию некоторых физиологических функций.

Пока же изучены такие подходы по генетическому манипулированию на бактериях путем выведения целых колоний штаммов.

Но даже на этом уровне исследования надо осуществлять с великой осторожностью. Гены, перенесенные из одной бактерии в другую, способны дать патогенные штаммы, которые не сдержать, и это может иметь печальные последствия для популяций не только животных, но и человека.

С начала 80-х годов получено множество геномодифицированных сортов зерновых культур. На конец первого десятилетия XXI века ими засеяно 120 млн. га. земельных угодий по всему миру. Отмечен высочайший уровень урожайности, его потрясающая устойчивость к неблагоприятным климатическим условиям и полное отсутствие паразитов, пожирающих необходимые для людей злаки.

Выведены невиданные раньше сорта картофеля, кукурузы, сои, риса, рапса, огурцов. Такие паразиты растительных культур как: инсектициды, акарициды, пестициды будут надёжно забыты, так как внедрённые в растительную клетку овоща, фрукта или зерновой культуры молекулы ДНК, определённых видов бактерий, уничтожат и колорадского жука, и хлопковую совку, и листовёртку, и многих-многих других вредителей сельскохозяйственных угодий.

                Но самое, наверное, перспективное в генной инженерии – это клонирование животных. Под этим термином понимается (в узком смысле этого слова) копирование клеток, генов, антител и многоклеточных организмов в лабораторных условиях. Такие экземпляры генетически одинаковы. Наследственная изменчивость возможна только в случае случайных мутаций или, если она создана искусственно.

Примером такого процесса может служить овечка Долли, успешно клонированная из клетки другого взрослого существа. Она появилась на свет в Великобритании 5 июля 1996 года, прожила шесть с половиной лет и умерла 14 февраля 2003 года.

В целом можно считать опыт с овцой успешным. А раз так, то можно уже задумываться и о клонировании человека. Тут пока нет позитивных сдвигов, так как технология до конца не отработана. За основу пока берётся метод «переноса ядра». Именно он и был проверен экспериментально при воспроизводстве клона овцы. Ученые надеются, что уже в недалёком будущем процесс клонирования станет обычным, рядовым явлением, каковым сейчас является операция аппендицита.

Минусы и проблемы генной инженерии

У этой медали есть и оборотная сторона. Эта сторона разительно отличается от блестящего фасада, созданного поклонниками генетической революции. Здесь нет победных реляций и аплодисментов, а лица людей отнюдь не светятся счастьем. Суровая проза жизни уже сейчас показывает во всей красе неприглядные последствия воздействия трансгенных организмов на сбалансированный природой органический мир голубой планеты.