==================================
Генная
инженерия (генетическая инженерия) – совокупность методов и
технологий, в том числе технологий получения рекомбинантных
рибонуклеиновых и дезоксирибонуклеиновых кислот, по выделению генов из
организма, осуществлению манипуляций с генами и введению их в другие
организмы.
Генная инженерия – составная часть современной биотехнологии,
теоретической основой ее является молекулярная биология, генетика. Суть
новой технологии заключается в направленном, по заранее заданной
программе конструировании молекулярных генетических систем вне
организма (in vitro) с последующим внедрением созданных конструкций в
живой организм. В результате достигается их включение и активность в
данном организме и у его потомства. Возможности генной инженерии
– генетическая трансформация, перенос чужеродных генов и других
материальных носителей наследственности в клетки растений, животных и
микроорганизмов, получение генно-инженерно-модифицированных
(генетически модифицированных, трансгенных) организмов с новыми
уникальными генетическими, биохимическими и физиологическими свойствами
и признаками, делают это направление стратегическим.
Задачи и методы генной инженерии
Хорошо известно, что традиционная селекция имеет целый ряд ограничений,
которые препятствуют получению новых пород животных, сортов растений
или рас практически ценных микроорганизмов:
1. отсутствие рекомбинации у неродственных видов. Между видами
существуют жесткие барьеры, затрудняющие естественную рекомбинацию.
2. невозможность управлять процессом рекомбинации в организме извне.
Отсутствие гомологии между хромосомами приводит к неспособности
сближаться и обмениваться отдельными участками (и генами) в процессе
образования половых клеток. В результате становится невозможным перенос
нужных генов и обеспечение оптимального сочетания в новом организме
генов, полученных от разных родительских форм;
3. невозможность точно задать признаки и свойства потомства, т.к. процесс рекомбинации – статистический.
Технология получения генетически модифицированных организмов (ГМО)
принципиально решает вопросы преодоления всех естественных и межвидовых
рекомбинационных и репродуктивных барьеров. 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. Генная инженерия
позволяет оперировать любыми генами, даже синтезированными искусственно
или принадлежащими не родственным организмам, переносить их от одного
вида к другому, комбинировать в произвольном порядке.
Основные направления
Постгеномная эра в первой декаде XXI-ого века подняла на новый уровень
развитие генной инженерии. Так называемый Кельнский Протокол «На
пути к биоэкономике, основанной на знаниях» [2], определил
биоэкономику как «преобразование знаний наук о жизни в новую,
устойчивую, экологически эффективную и конкурентоспособную
продукцию». Дорожная карта генной инженерии содержит целый ряд
направлений: генотерапия, биоиндустрия, технологии, основанные на
стволовых клетках животных, ГМ растения, ГМ животные и т.д.
Генетически модифицированные растения
Первые трансгенные растения (растения табака со встроенными генами из
микроорганизмов) были получены в 1983 г. Первые успешные полевые
испытания трансгенных растений (устойчивые к вирусной инфекции растения
табака) были проведены в США уже в 1986 г.
После прохождения всех необходимых тестов на токсичность,
аллергенность, мутагенность и т.д. первые трансгенные продукты
появились в продаже в США в 1994 г. Это были томаты Flavr Savr с
замедленным созреванием, созданные фирмой «Calgen», а также
гербицид-устойчивая соя компании «Monsanto». Уже через 1-2
года биотехнологические фирмы поставили на рынок целый ряд генетически
измененных растений: томатов, кукурузы, картофеля, табака, сои, рапса,
кабачков, редиса, хлопчатника.
В РФ возможность получения трансгенного картофеля методом бактериальной
трансформации с использованием Agrobacterium tumefaciens была показана
в 1990 г.
Генетически модифицированные животные
Клетки животных существенно отличаются от бактериальных по своей
способности поглощать чужеродную ДНК, поэтому методы и способы способы
введения генов в эмбриональные клетки млекопитающих, мух и рыб остаются
в центре внимания генных инженеров.
Применение в научных исследованиях
Нокаут гена (gene knockout) – техника удаления одного или
большего количества генов, что позволяет исследовать функции гена. Для
получения нокаутных мышей полученную генно-инженерную конструкцию
вводят в эмбриональные стволовые клетки, где конструкция подвергается
соматической рекомбинации и замещает нормальный ген, а измененные
клетки имплантируют в бластоцист суррогатной матери. Сходным способом
получают нокаут у растений и микроорганизмов.
Биобезопасность генно-инженерной деятельности
Еще в 1975 г. ученые всего мира на Асиломарской конференции подняли
важнейший вопрос: не окажет ли появление ГМО потенциально негативного
воздействия на биологическое разнообразие? С этого момента одновременно
с бурным развитием генной инженерии стало развиваться новое направление
— биобезопасность. Главная ее задача — оценить не несет ли
использование ГМО нежелательное воздействие на окружающую среду,
здоровье человека и животных, а главная цель — открыть путь к
использованию достижений современной биотехнологии, гарантируя при этом
безопасность.
Достижения и перспективы развития
Генная инженерия для сельского хозяйства
Генетическое
улучшение сельскохозяйственных культур и декоративных растений
представляет собой длительный и непрерывный процесс с использованием
все более точных и предсказуемых технологий. В научном отчете ООН (за
1989 год) сказано следующее: «Поскольку молекулярные методы наиболее
точны, те, кто их применяет, в большей степени уверены в том, какими
признаками они наделяют растения, и, следовательно, реже получают
незапланированные эффекты, чем при использовании обычных методов
селекции.»
Самыми распространенными ГМ растениями являются
культуры, устойчивые к недорогим, наименее токсичным и наиболее широко
используемым гербицидам. Возделывание таких культур позволяет получать
более высокий урожай с гектара, избавиться от изнурительной ручной
прополки, тратить меньше средств за счет минимальной или беспахотной
обработки земли, что, в свою очередь, приводит к снижению эрозии почвы.
Генная инженерия в медицине
Потребности здравоохранения, необходимость решения проблем старения
населения формируют устойчивый спрос на генно-инженерные фармпрепараты
и лечебно-косметические средства из растительного и животного сырья.
Среди многих достижений генной инженерии, получивших применение в
медицине, наиболее значительное – получение человеческого
инсулина в промышленных масштабах.
Развитие генной инженерии в 80-х годах прошлого столетия обеспечило
хороший задел России в создании генно-инженерных штаммов
микроорганизмов с заданными свойствами – продуцентов биологически
активных веществ, в разработке генно-инженерных методов
реконструирования генетического материала вирусов, в получении
лекарственных субстанций, в том числе и с использованием компьютерного
моделирования. До стадии производства доведены рекомбинантный
интерферон и лекарственные формы на его основе медицинского и
ветеринарного назначения, интерлейкин (b-лейкин), эритропоэтин.
Несмотря на растущий спрос на высокоочищенные препараты, отечественное
производство иммуноглобулинов, альбумина, плазмола обеспечивает 20%
потребностей внутреннего рынка.
Активно ведутся исследования по разработке вакцин для профилактики и
лечения гепатитов, СПИДа и ряда других заболеваний, а также
конъюгированных вакцин нового поколения против наиболее социально
значимых инфекций. Полимер-субъединичные вакцины нового поколения
состоят из высокоочищенных протективных антигенов различной природы и
носителя – иммуностимулятора полиоксидония, обеспечивающего
повышенный уровень специфического иммунного ответа. Прививки против
подавляющего большинства известных инфекций Россия могла бы обеспечить
на базе собственного иммунологического производства. Полностью
отсутствует только производство вакцины против краснухи.
Методы генной инженерии:
- специфическое расщепление ДНК рестрицирующими нуклеазами, ускоряющее выделение и манипуляции с отдельными генами;
- быстрое секвенирование всех нуклеотидов очищенном фрагменте ДНК, что
позволяет определить границы гена и аминокислотную последовательность,
кодируемую им;
- конструирование рекомбинантной ДНК;
- гибридизация нуклеиновых кислот, позволяющая выявлять специфические
последовательности РНК или ДНК с большей точностью и чувствительностью,
основанную на их способности связывать комплементарные
последовательности нуклеиновых кислот;
- клонирование ДНК: амплификация in vitro с помощью цепной полимеразной
реакции или введение фрагмента ДНК в бактериальную клетку, которая
после такой трансформации воспроизводит этот фрагмент в миллионах копий;
- введение рекомбинантной ДНК в клетки или организмы.