Биотехнологии и генетическая инженерия

Видео: Биотехнологии. Урок 10. Генная инженерия. Можно ли получить растения, синтезирующие паутину?

Генетическая (генная) инженерия - это раздел экспериментальной молекулярной биологии. Главным объектом генно-инженерного воздействия является дезоксирибонуклеиновая кислота. Сущность генетической инженерии состоит в целенаправленной перестройке генетического аппарата (генома) клеток для изменения их генетических характеристик. Важнейшими предпосылками генетической инженерии явились следующие открытия. Были установлены молекулярные механизмы матричного синтеза: ДНК -> ДНК (репликация), ДНК -» РНК (транскрипция), мРНК -> белок (трансляция), а также обмена генами у гомологичных хромосом при половом процессе (рекомбинация).

Кроме того, было показано, что а) вирусы, паразитирующие в бактериях (фаги), встраивают свою ДНК в геном бактерии, б) в бактериях, невосприимчивых к заражению фагами, содержатся специальные ферменты, которые разрезают двойные спирали фаговых ДНК в строго определенных местах. Эти ферменты были названы рестриктазами. В настоящее время получены сотни рестриктаз. В основу их классификации положена потребность фермента в кофакторах и характер расщепления ДНК.

Следующее важное открытие, предопределившее возникновение генетической инженерии, - обнаружение в бактериальных клетках внехромосомных маленьких кольцевых молекул ДНК, которые, так же как и хромосомные ДНК, несут в себе генетическую информацию. Эти минихромосомы были названы плазмидами. Очень важно, что плазмиды из-за своих маленьких размеров могут быть выделены из клетки в неповрежденном состоянии.

Процесс рекомбинации в организме (in vivo) возможен в большинстве случаев между гомологичными молекулами ДНК. Однако вне организма (in vitro) притягивание и взаимодействие (гибридизация) молекул ДНК возможны, если они будут иметь небольшие комплементарные односпиральные участки из четырех и более нуклеотидов на концах молекулы.

Такие участки получили название липких концов, так как две молекулы ДНК могут соединиться этими концами. Следовательно, рекомбинация возможна, даже если структура молекул ДНК будет очень сильно различаться. Для получения гетерогенных молекул ДНК с одинаковыми липкими концами используются ферментырестриктазы. Они разрезают молекулы ДНК в участках, несущих повторяющиеся последовательности нуклеотидов.

Поскольку рестриктазы разрезают ДНК в точках повтора, конец одной молекулы оказывается комплементарным (липким) концом другой молекулы. В дальнейших операциях используют плазмиды. Для получения односпиральных концов, комплементарных концам генов, их тоже режут рестриктазами и проводят гибридизацию гена и плазмиды в пробирке. Затем рекомбинантную или химерную плазмиду вводят в клетку (рис.11). Использующиеся в генной инженерии плазмиды имеют маркерный ген, делающий клетку устойчивой к определенному антибиотику, что способствует отделению клеток с рекомбинантной плазмидой от других клеток.


Для этого бактерии высевают на среду с антибиотиком, на которой растут только клетки с плазмидой (рекомбинантные клетки). Процедура их отбора называется молекулярным клонированием, так как рекомбинантные клетки представляют собой потомство одной молекулы. Таким образом, в бактериальную клетку можно ввести ген, полученный из любого организма, и заставить чужеродный ген там функционировать.

Итак, основными операциями генной инженерии являются следующие:


1) рекомбинация in vitro ДНК-вектора и ДНК-гена;
2) введение рекомбинантной плазмиды в клетку;
3) молекулярное клонирование.

Выдающиеся достижения генной инженерии нашли многочисленные практические применения, особенно в медицине и растениеводстве. Среди наиболее значительных достижений - получение человеческого инсулина в промышленных масштабах. Этот белок относится к гормонам, т.е. к веществам, играющим роль сигналов, посылаемых в определенных физиологических состояниях организма к соответствующим органам - мишеням. Инсулин вырабатывается поджелудочной железой и способствует усвоению углеводов, в первую очередь глюкозы.

Нарушения в синтезе инсулина вызывают тяжелое и весьма распространенное заболевание - сахарный диабет, при развитых формах которого необходимо ежедневно вводить в организм этот гормон. Инсулин давно получают из органов животных и используют в медицине. Однако длительное применение животного инсулина приводит к необратимому поражению многих органов пациента из-за иммунологических реакций, вызываемых инъекцией чужеродного человеческому организму белка.



Необходимо заменить животный инсулин человеческим. В качестве первой практической задачи было решено клонировать ген инсулина. Клонированные гены человеческого инсулина были введены с плазмидой в бактериальную клетку, где синтезировался гормон, который природные микроорганизмы никогда не синтезировали. Таким образом была решена проблема получения человеческого инсулина. Параллельно была решена проблема иммунологического поражения организма животным инсулином.

Производство и продажу инсулина впервые начала американская фирма Eh Lilly. Ежегодное потребление его составляет около 2500 кг Генно-инженерными методами получают также другие важные медицинские препараты - интерферон, использующийся при лечении различных вирусных заболевании и злокачественных новообразований, и противораковый препарат интерлеикин. В настоящее время около 200 новых диагностических препаратов уже введены в медицинскую практику, и более 100 генно-инженерных лекарственных веществ находятся на стадии клинического изучения.

Особой проблемой, вызывающей многочисленные споры и часто полярные суждения, является клонирование человека. Следует различать клонирование человека в репродуктивных целях и терапевтическое клонирование. Репродуктивное клонирование практически повсеместно запрещено, так как, по мнению большинства людей, противоречит моральным нормам.

В отличие от этого, работы по терапевтическому клонированию проводятся в ряде стран. Так, в мае 2005 г. британские ученые объявили об успешном клонировании человеческого эмбриона. Ученые университета Ньюкасла взяли яйцеклетки от 11 женщин, удалили из них генетический материал и ввели ДНК, полученные из эмбриональных стволовых клеток (стволовыми называются незрелые клетки, способные к самообновлению и развитию в специализированные клетки организма). Целью этой работы было получение эмбрионов, которые могут стать источником стволовых клеток для лечебных целей. В этом же месяце об успешном завершении похожего эксперимента объявили также южно-корейские ученые. Следует отметить, однако, что лечение стволовыми клетками находится лишь на самой начальной стадии и очень многое предстоит еще сделать.

Одной из главных проблем человечества является обеспечение нормального сбалансированного питания. Решение этой проблемы невозможно без существенного увеличения урожайности основных сельскохозяйственных культур, повышения их устойчивости к болезням и различным экстремальным воздействиям. Большие надежды здесь возлагаются на генную инженерию. В настоящее время разработана система переноса в растения различных чужих генов, которые могут придать растениям полезные свойства.

Растения, в хромосому которых встраивается чужой ген, называются трансгенными или генетически модифицированными (ГМ). Впервые трансгенные растения были получены в 1982 г. учеными из Института растениеводства в Кельне и компании Monsanto. Список растений, к которым с успехом применены методы генной инженерии, составляет около 50 видов, включая яблоню, сливу, виноград капусту баклажаны, огурец, пшеницу, сою, рис, рожь и многие другие сельскохозяйственные растения.

Необходимо подчеркнуть, однако, что пока не полностью решены проблемы, связанные с безопасностью употребления в пищу продуктов полученных из трансгенных растений. В связи с этим в нашей стране выращивание трансгенных растений до сих пор не разрешено. В то же время разрешается ввозить, перерабатывать, использовать в продуктах питания или кормах несколько видов генетически модифицированных растений и продуктов их переработки, которые прошли соответствующую процедуру регистрации и контроля на территории РФ.

На момент написания данного пособия в Федеральном Реестре РФ зарегистрировано 12 генетически модифицированных источников пищи, выпускаемых в мире в промышленных масштабах: соя (3 вида) рис (1 вид), кукуруза (6 видов), картофель (2 вида). Из них наибольшее распространение получил один из видов сои. Все виды генетически модифицированных растении, зарегистрированных в нашей стране, обладают только дополнительными признаками резистентности к определенным видам химикатов и вредителей, поэтому продукты переработки этих растений по своему химическому составу и функционально-технологическим свойствам ничем не отличаются от своих традиционных аналогов.

Для ГМ растений, зарегистрированных в нашей стране для пищевого использования, и для продуктов их переработки, не существует никаких ограничений и норм ввода в продукты питания. Технология переработки таких растений, а также использование продуктов их переработки ничем не отличается от традиционных. Отдельный вопрос - маркировка продуктов питания, полученных из генетически модифицированных источников (ГМИ). С 1 июня 2004 г. в соответствии с Постановлением № 8 от 05.03.2004 г.

Главного санитарного врача Российской Федерации в санитарно-эпидемиологические правила и нормы внесены изменения, устанавливающие 0,9% пороговый уровень для маркировки пищевых продуктов, полученных из ГМИ. Это постановление подготовлено в целях реализации прав потребителей на получение полной и достоверной информации о технологии производства, качестве и безопасности пищевых продуктов, полученных из генетически модифицированных источников, гармонизации требований по маркировке пищевых продуктов, полученных из ГМИ, с требованиями Европейского Союза.

С.В. Макаров, Т.Е. Никифорова, Н.А. Козлов