Генная инженерия как наука. Что такое генная инженерия и что она изучает? История развития и методы

Что такое генная инженерия?

Генная инженерия это новая, революционная технология, при помощи которой ученые могут извлекать гены из одного организма и внедрять их в любой другой. Гены это программа жизни - это биологические конструкции, из которых состоит ДНK и которые обуславливают специфические характеристики, присущие тому или другому живому организму. Пересадка генов изменяет программу организма - получателя и его клетки начинают производить различные вещества, которые, в свою очередь, создают новые характеристики внутри этого организма.
При помощи этого метода исследователи могут менять особые свойства и характеристики в нужном им направлении, например: они могут вывести сорт томатов с более длительным сроком хранения или сорт соевых бобов, устойчивых к воздействию гербицидов. Генная инженерия - это метод биотехнологии, который занимается исследованиями по перестройке генотипов. Генотип является не просто механическая сумма генов, а сложная, сложившаяся в процессе эволюции организмов система. Генная инженерия позволяет путем операций в пробирке переносить генетическую информацию из одного организма в другой. Перенос генов дает возможность преодолевать межвидовые барьеры и передавать отдельные наследственные признаки одних организмов другим. Носителями материальных основ генов служат хромосомы, в состав которых входят ДНК и белки. Но гены образования не химические, а функциональные.
С функциональной точки зрения ДНК состоит из множества блоков, хранящих определенный объем информации - генов. В основе действия гена лежат его способность через посредство РНК определять синтез белков. В молекуле ДНК как бы записана информация, определяющая химическую структуру белковых молекул. Ген - участок молекулы ДНК, в котором находится информация о первичной структуре какого-либо одного белка (один ген - один белок). Поскольку в организмах присутствуют десятки тысяч белков, существуют и десятки тысяч генов.

Совокупность всех генов клетки составляет ее геном. Все клетки организма содержат одинаковый набор генов, но в каждой из них реализуется различная часть хранимой информации. Поэтому, например, нервные клетки и по структурно-функциональным, и по биологическим особенностям отличаются от клеток печени. Перестройка генотипов, при выполнении задач генной инженерии, представляет собой качественные изменения генов не связанные с видимыми в микроскопе изменениями строения хромосом. Изменения генов, прежде всего, связано с преобразованием химической структуры ДНК.
Информация о структуре белка, записанная в виде последовательности нуклеотидов, реализуется в виде последовательности аминокислот в синтезируемой молекуле белка. Изменение последовательности нуклеотидов в хромосомной ДНК, выпадение одних и включение других нуклеотидов меняют состав образующихся на ДНК молекулы РНК, а это, в свою очередь, обуславливает новую последовательность аминокислот при синтезе. В результате в клетке начинает синтезироваться новый белок, что приводит к появлению у организма новых свойств. Сущность методов генной инженерии заключается в том, что в генотип организма встраиваются или исключаются из него отдельные гены или группы генов. В результате встраивания в генотип ранее отсутствующего гена можно заставить клетку синтезировать белки, которые ранее она не синтезировала.

Проблемы генной инженерии

Возможности одного из самых важных порождений науки ХХ века - генной инженерии - давно будоражат воображение человечества, поскольку она подобралась к самому важному в телесной оболочке человека, к законам жизнедеятельности его организма. Но если еще лет пятнадцать назад результаты работы биотехнологов связывались в первую очередь с выведением новых сортов моркови или новой породы молочных коров, то уже пару лет назад оказалось возможным пообщаться с маленькой овечкой Долли, клонированной шотландскими биологами, а в прошлом году было оглашено о создании первой более-менее общей карты генома человека. На фоне достижений в сфере биологии уходят на второй план хиты предыдущих сезонов - новые информационные технологии. Мало кого сейчас интересует вопрос, когда человек сможет свободно ходить по Марсу, намного актуальней споры о том, когда можно будет клонировать человека и, соответственно, как этого не допустить - этакий реверанс в сторону морали и этики.

Генная инженерия - враг или друг? Историческая перспектива...

Историческая перспектива

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

Генная инженерия - враг или друг? Возможности генной инженерии...

Возможности генной инженерии, проект "Геном человека"

Естественно успешные манипуляции с генами растений и животных не могли не привести к достаточно скользкому вопросу: а что же человек? Если возможно улучшать животных, то почему бы не заняться человеком. Однако для начала необходимо все-таки разобраться с генным набором человека. Так, в 1990 году появилась инициатива по картированию человеческих хромосом, состоящих из 26-30 тысяч генов. Проект получил простое название "Геном человека" и ориентировочно должен был представить полную карту генома где-то к 2005 году. В проект входят исследовательские группы из разных стран, а с конца 90-х гг. создаются специальные компании, основной задачей которых является облегчение и ускорение коммуникации между такими группами. К началу 2001 года уже полностью картированы 2 хромосомы: 21 и 22.

Однако основной сенсацией прошлого года все таки стало открытие группой Крега Вентера общей карты генома человека. Ученые говорят, что если сравнивать эту карту с обычными, то вряд ли бы по ней можно было бы попасть в магазин на соседней улице, однако в любом случае сам факт ее существования говорит о начале эпохи патентирования генов, а это, в свою очередь, поднимает множество вопросов уже не биологического толка, а этического и правового. Хотя ученые и заявляют, что основная цель картирования генома - это необходимость разобраться в том, как работает человеческое тело, чтобы эффективнее противостоять разнообразным заболеваниям, а еще такие знания могут значительно облегчить создание новых медицинский препаратов, все же становится очевидным необходимость как правового регулирования вопроса: как и что можно делать с человеческим телом, так и ответа на вопрос: где надо остановиться? Может ли человек уподобиться Творцу и сам заняться созданием новых существ? Формирование карты генома человека часто сравнивают с такими революционными событиями, как высадка человека на Луну, например. Однако сейчас наблюдается одно существенное различие: если космические программы - это одна из задач государства, то группы - участники проекта, как правило, имеют частное финансирование, следовательно, авторские права на их разработки будут иметь негосударственные компании. А что они будут с ними делать?

Представим себе, что в недалеком будущем, карта будет составлена достаточно точно, и каждый человек может быть, таким образом, описан. Возникает вопрос - кто будет владеть доступом к этой информации? В какой мере человек сможет сохранять в неприкосновенности самую "интимную" информацию о себе? Не будут ли работодатели отказывать в приеме на работу человеку, у которого в генах заложена предрасположенность к какому-либо виду рака? Возможно ли будет медицинское страхование в ситуации, когда геном каждого отдельного человека будет представлять информацию о всех потенциальных болезнях? Тони Блэр заявил о необходимости составления генетических портретов преступников. И вроде бы ученые готовы работать над тем, чтобы открыть специальные гены, отвечающие за девиантное поведение людей. Однако многих специалистов уже сейчас пугает перспектива того, что в недалеком будущем общество переложит решение разнообразных проблем - преступности, бедности, расизма и т.д. - на генетиков и генную инженерию: "мол, все дело в генах, если что-то не в порядке, то это не забота общества, а генетическая предрасположенность отдельных людей". Ведь, в общем-то многие забывают, что только совсем некоторые редкие болезни обусловлены исключительно набором генов, а те заболевания, которые мы обычно называем генетическими - рак, сердечно-сосудистые нарушения - только отчасти имеют генетическую природу, во многом вероятность их появления в первую очередь зависит от тех шагов, которые предпринимает сам человек и общество, а поэтому не может быть ничего страшнее социума, умывающего руки в такой ситуации. Наиболее распространенным методом генной инженерии является метод получения рекомбинантных, т.е. содержащих чужеродный ген, плазмид. Плазмиды представляют собой кольцевые двухцепочные молекулы ДНК, состоящие из нескольких тысяч пар нуклеотидов.

Этот процесс состоит из нескольких этапов:
1. Рестрикция - разрезание ДНК, например, человека на фрагменты.
2. Лигирование - фрагмент с нужным геном включают в плазмиды и сшивают их.
3. Трансформация - введение рекомбинантных плазмид в бактериальные клетки. Трансформированные бактерии при этом приобретают определенные свойства. Каждая из трансформированных бактерий размножается и образует колонию из многих тысяч потомков - клон.
4. Скрининг - отбор среди клонов трансформированных бактерий тех, которые плазмиды, несущие нужный ген человека.

Весь этот процесс называется клонированием. С помощью клонирования можно получить более миллиона копий любого фрагмента ДНК человека или другого организма. Если клонированный фрагмент кодирует белок, то экспериментально можно изучить механизм, регулирующий транскрипцию этого гена, а также наработать этот белок в нужном количестве. Кроме того, клонированный фрагмент ДНК одного организма можно ввести в клетки другого организма. Этим можно добиться, например, высокие и устойчивые урожаи благодаря введенному гену, обеспечивающему устойчивость к ряду болезней. Если ввести в генотип почвенных бактерий гены других бактерий, обладающих способностью связывать атмосферный азот, то почвенные бактерии смогут переводить этот азот в связанный азот почвы. Введя в генотип бактерии кишечной палочки ген из генотипа человека, контролирующий синтез инсулина, ученые добились получения инсулина при посредстве такой кишечной палочки. При дальнейшем развитии науки станет возможным введение в зародыш человека недостающих генов, и тем самым позволит избежать генетических болезней.

Эксперименты по клонированию животных ведутся давно. Достаточно убрать из яйцеклетки ядро, имплантировать в нее ядро другой клетки, взятой из эмбриональной ткани, и вырастить ее - либо в пробирке, либо в чреве приемной матери. Клонированная овечка Доли была создана нетрадиционным путем. Ядро из клетки вымени 6-летней взрослой овцы одной породы пересадили в безъядерное яйцо овцы другой породы. Развивающийся зародыш поместили в овцу третей породы. Так как родившаяся овечка получила все гены от первой овцы - донора, то является ее точной генетической копией. Этот эксперимент открывает массу новых возможностей для клонирования элитных пород, взамен многолетней селекции. Ученые Техасского университета смогли продлить жизнь нескольких типов человеческих клеток. Обычно клетка умирает, пережив около 7-10 процессов деления, а они добились сто делений клетки. Старение, по мнению ученых, происходит из-за того, что клетки при каждом делении теряют теломеры, молекулярные структуры, которые располагаются на концах всех хромосом.

Ученые имплантировали в клетки открытый ими ген, отвечающий за выработку теломеразы и тем самым сделали их бессмертными. Возможно это будущий путь к бессмертию. Еще с 80-х годов появились программы по изучению генома человека. В процессе выполнения этих программ уже прочитано около 5 тысяч генов (полный геном человека содержит 50-100 тысяч). Обнаружен ряд новых генов человека. Генная инженерия приобретает все большее значение в генотерапии. Потому, что многие болезни заложены на генетическом уровне. Именно в геноме заложена предрасположенность ко многим болезням или стойкость к ним. Многие ученые считают, что в XXI веке будет функционировать геномная медицина и генная инженерия. Ни один ученый, действительно твердо стоящий на платформе научной объективности, никогда не скажет, что при помощи чего-то можно излечить абсолютно все или что что-то "абсолютно безопасно", особенно, если это касается генной инженерии, которая манипулирует отдельно взятыми уровнями Природного Закона, игнорируя при этом его целостность. Как мы уже видели на примере ядерных исследований, энергия, высвобождающаяся в результате таких манипуляций, может быть огромной, но и возможная опасность, также огромна. Когда ядерная технология находилась на стадии разработки, никто не мог предположить, что всего через несколько лет человечество окажется под угрозой многократного уничтожения, которое в состоянии обеспечить обе противоборствующие силы в равной степени. И когда ядерная энергия начала использоваться для производства электричества, также никто не знал, что в результате мы получим миллионы тонн радиоактивных отходов, которые будут сохранять свою токсичность еще десятки тысяч лет. Никто не знал ничего об этом, но мы все же сделали прыжок вслепую, создав тем самым серьезные проблемы для самих себя и для будущих поколений. Поэтому мы должны быть очень осторожны с использованием генной инженерии, которая работает на том уровне, где содержится полная информация о самой глубинной структуре жизни.

Понадобились миллионы лет для того, чтобы жизнь на Земле развилась до теперешнего состояния высоко сбалансированной, динамичной экосистемы со всем тем неисчислимым многообразием форм жизни, известным нам сегодня. Сейчас мы живем в такое время, когда через поколение, а может и раньше, наиболее важные зерновые культуры претерпят радикальные изменения в результате вмешательства генной инженерии и эти изменения серьезно повредят экосистеме в целом, а также подвергнут опасности все человечество. До тех пор пока не доказана безопасность продукции, полученной в результате генной инженерии, этот вопрос всегда будет оставаться под сомнением - и это та точка зрения, которую отстаивает Партия Природного Закона. Необходимо, чтобы применение генной инженерии сопровождалось строгим научным контролем безопасности. Почти с полной определенностью можно сказать, что генная инженерия приведет к химическому загрязнению окружающей среды. Выведение сортов зерновых с повышенной устойчивостью к гербицидов, приведет к тому, что фермеры будут вынуждены применять для борьбы с сорняками в трое больше химических средств защиты, чем ранее, а это в свою очередь увеличит загрязнение почвы и грунтовых вод Америки. Например, химическая компания "Монсанто" уже вывела сорта кукурузы, сои и сахарной свеклы, устойчивые к гербициду "Раундап", выпускаемому этой же компанией. Промышленные чиновники неоднократно заявляли, что "Раундап" безопасен для живых организмов и быстро нейтрализуется окружающей средой. Однако, предварительные исследования, проведенные в Дании, показали, что "Раундап" остается в почве в течение трех лет (и следовательно, может впитываться последующими сельскохозяйственными культурами, посаженными на этом месте) были проведены и другие научные работы, которые выявили, что применение данного гербицида вызывает токсические реакции у фермеров, нарушают функцию воспроизведения потомства у млекопитающих, наносит вред рыбам, дождивым червям и полезным насекомым.

Сторонники генной инженерии часто заявляют, что эта технология является просто более усовершенствованным видом скрещивания, которое применялось тысячелетиями для улучшения породы культурных растений и домашних животных. Но на самом деле, вмешательство генной инженерии проникает сквозь природные репродуктивные барьеры между видами, благодаря которым поддерживается равновесие и целостность жизни на Земле. Традиционная система выведения новых пород и сортов может скрещивать одну породу свиньи с другой или лошадь с ослом, или два сорта томатов, но она не может скрестить томаты с рыбой - природа не допускает такого смешения генов. А при помощи генной инженерии ученые уже соединили гены рыб и томатов - и эти томаты, никак не помеченные, спокойно лежат себе сейчас на наших прилавках. Более того, фактически все зерновые и бобовые культуры, овощи и фрукты уже претерпели вмешательство генной инженерии, а пищевая промышленность намерена ввести все эти продукты в продажу в течение 5-8 предстоящих лет. Pioneer Hybrid International - крупнейшая в мире компания по выпуску семян, используя генную инженерию, вывела новый сорт сои, внедряя в нее ген бразильского ореха, с целью повышения содержания протеина в сое. Но вживленный компонент бразильского ореха в сое вызвал аллергическую реакцию у большинства потребителей, и тогда Pioneer свернул проект. А когда японская компания "Шова Денко" путем генной инженерии изменила структуру естественной бактерии для более эффективного производства пищевой добавки под названием "Триптофан", эти генетические манипуляции привели к тому, что эта бактерия, находясь в составе триптофана, стала производить высоко токсичное вещество, которое было обнаружено только после того, как продукт был выпущен на рынок в 1989 году. В результате: 5000 человек заболело, 1500 стало пожизненными инвалидами, и 37 скончалось. Исследователи с очень большим воодушевлением взялись использовать генную инженерию для выведения более урожайных сортов пшеницы, создания более питательных продуктов питания, ликвидации определенных болезней, надеясь таким образом улучшить жизнь человека на Земле. Но, в действительности, несмотря на то, что гены могут быть извлечены и правильно скрещены в экспериментальной колбе, в жизни очень трудно прогнозировать последствия вживления генов в чужой организм.

Такие операции могут стать причиной мутаций, в результате которых подавляется деятельность естественных генов организма. Внедренные гены могут также вызвать неожиданные побочные эффекты: генетически сфабрикованная пища может, к примеру, содержать токсины и аллергены или иметь пониженную питательность, и в результате потребители заболевают или даже, как уже случалось, умирают. Кроме того, организмы, выведенные при помощи генной инженерии, способны самостоятельно размножаться и скрещиваться с природными, не претерпевшими генное вмешательство популяциями, вызывая при этом необратимые биологические изменения во всей экосистеме Земли. Можно с полной уверенностью сказать, что генная инженерия - это безусловно перспективная область, которая в нашей стране, к сожалению не финансируется и не имеет своего производителя. Россия, безусловно занимаемся разработками в этой области, но вынуждена продавать свои изобретения за рубеж. Нашими учеными был изобретен интерферон человека, аспартам, паутина. Важно то, что создавая препарат, он не выходит в применение до тех пор, пока его строение не будет приближено к геному человека. В этом случае препарат абсолютно безвреден. При выработке аспартама, смешиваются две аминокислоты, но катализатором процесса являются микроорганизмы. Задача генетика провести разработку так, чтобы очистка препарата от микроорганизмов прошла 100% проверку. В этом заключается качество работы. Мы отвечаем за качество и профессиональная точка зрения такова, что генная инженерия в разумных пределах полезна для человечества.

Генная инженерия - враг или друг? Опасность генной инженерии...

Научные факты опасности генной инженерии

1. Генная инженерия в корне отличается от выведения новых сортов и пород. Исскуственное добавление чужеродных генов сильно нарушает точно отрегулированный генетический контроль нормальной клетки. Манипулирование генами коренным образом отличается от комбинирования материнских и отцовских хромосом, которое происходит при естественном скрещивании.

2. В настоящее время генная инженерия технически несовершенна, так как она не в состоянии управлять процессом встраивания нового гена. Поэтому невозможно предвидеть место встраивания и эффекты добавленного гена. Даже в том случае, если местоположение гена окажется возможным установить после его встраивания в геном, имеющиеся сведения о ДНК очень неполны для того, чтобы предсказать результаты.

3. В результате искуственного добавления чужеродного гена непредвиденно могут образоваться опасные вещества. В худщем случае это могут быть токсические вещества, аллергены или другие вредные для здоровья вещества. Сведения о подобного рода возможностях ещё очень неполны.

4. Не существует совершенно надёжных методов проверки на безвредность. Более 10% серьёзных побочных эффектов новых лекарств не возможно выявить несмотря на тщательно проводимые исследования на безвредность. Степень риска того, что опасные свойства новых, модифицированных с помощью генной инженерии продуктов питания, останутся незамеченными, вероятно, значительно больше, чем в случае лекарств.

5. Существующие в настоящее время требования по проверке на безвредность крайне недостаточны. Они совершенно явно составлены таким образом, чтобы упростить процедуру утверждения. Они позволяют использовать крайне нечувствительные методы проверки на безвредность. Поэтому существует значительный риск того, что опасные для здоровья продукты питания смогут пройти проверку незамеченными.

6. Созданные до настоящего времени с помощью генной инженерии продукты питания не имеют сколько-нибудь значительной ценности для человечества. Эти продукты удовлетворяют, главным образом, лишь коммерческие интересы.

7. Знания о действии на окружающую среду модифицированных с помощью генной инженерии организмов, привнесённых туда, совершенно недостаточны. Не доказано ещё, что модифицированные с помощью генной инженерии организмы не окажут вредного воздействия на окружающую среду. Экологами высказаны предположения о различных потенциальных экологических осложнениях. Например, имеется много возможностей для неконтролируемого распространения потенциально опасных генов, используемых генной инженерией, в том числе передача генов бактериями и вирусами. Осложнения, вызванные в окружающей среде, вероятно, невозможно будет исправить, так как выпущенные гены невозможно взять обратно.

8. Могут возникнуть новые и опасные вирусы. Экспериментально показано, что встроенные в геном гены вирусов могут соединяться с генами инфекционных вирусов (так называемая рекомбинация). Такие новые вирусы могут быть более агрессивными, чем исходные. Вирусы могут стать также менее видоспецифичными. Например, вирусы растений могут стать вредными для полезных насекомых, животных, а также людей.

9. Знания о наследственном веществе, ДНК, очень неполны. Известно о функции лишь трёх процентов ДНК. рискованно манипулировать сложными системами, знания о которых неполны. Обширный опыт в области биологии, экологии и медицины показывает, что это может вызвать серьёзные непредсказуемые проблемы и расстройства.

10. Генная инженерия не поможет решить проблему голода в мире. Утверждение, что генная инженерия может внести существенный вклад в разрешение проблемы голода в мире, является научно необоснованным мифом.

- это производство необходимых человеку продуктов и материалов с помощью живых организмов, культивируемых клеток и биологических процессов.

Возможности биотехнологии необычайно велики благодаря тому, что ее методы выгоднее обычных: они используются при оптимальных условиях (температуре и давлении), более производительны, экологически чисты и не требуют химических реактивов, отравляющих среду и др.

Объекты биотехнологии: многочисленные представители групп живых организмов - микроорганизмы (вирусы, бактерии, протисты, дрожжи и др.}, растения, животные, а также изолированные из них клетки и субклеточные структуры (органеллы). Биотехнология базируется на протекающих в живых системах физиолого-биохимических процессах, в результате которых осуществляются выделение энергии, синтез и расщепление продуктов метаболизма, формирование химических и структурных компонентов клетки.

Главные направления биотехнологии :

1) производство с помощью микроорганизмов и культивируемых эукариотических клеток биологически активных соединений (ферментов, витаминов, гормональных препаратов), лекарственных препаратов (антибиотиков, вакцин, сывороток, высокоспецифичных антител и др.), а также белков, аминокислот, используемых в качестве кормовых добавок;

2) применение биологических методов борьбы с загрязнением окружающей среды (биологическая очистка сточных вод, загрязнений почвы и т. и.) и для защиты растений от вредителей и болезней;

3) создание новых полезных штаммов микроорганизмов, сортов растений, пород животных и т. п.

Задачи, методы и достижения биотехнологии.

Человечеству необходимо научиться эффективно изменять наследственную природу живых организмов, чтобы обеспечить себя доброкачественной пищей и сырьем и при этом не привести планету к экологической катастрофе. Поэтому не случайно главной задачей селекционеров в наше время стало решение проблемы создания новых форм растений, животных и микроорганизмов, хорошо приспособленных к индустриальным способам производства, устойчиво переносящих неблагоприятные условия, эффективно использующих солнечную энергию и, что особенно важно, позволяющих получать биологически чистую продукцию без чрезмерного загрязнения окружающей среды. Принципиально новыми подходами к решению этой фундаментальной проблемы является использование в селекции генной и клеточной инженерии.

Генная (генетическая) инженерия -

раздел молекулярной генетики, связанный с целенаправленным созданием новых молекул ДНК, способных размножаться в клетке-хозяине и осуществлять контроль за синтезом необходимых метаболитов клетки.

Возникнув на стыке химии нуклеиновых кислот и генетики микроорганизмов, генная инженерия занимается расшифровкой структуры генов, их синтезом и клонированием, вставкой выделенных из клеток живых организмов или вновь синтезированных генов в клетки растений и животных с целью направленного изменения их наследственных свойств.

Для осуществления переноса генов (или трансгенеза) от одного вида организмов в другой, часто очень далекий по своему происхождению, необходимо выполнить несколько сложных операций :

выделение генов (отдельных фрагментов ДНК) из клеток бактерий, растений или животных. В отдельных случаях эту операцию заменяют искусственным синтезом нужных генов;

соединение (сшивание) отдельных фрагментов ДНК любого происхождения в единую молекулу в составе плазмиды;

введение гибридной плазмидной ДНК , содержащей нужный ген, в клетки хозяина;

копирование (клонирование) этого гена в новом хозяине с обеспечением его работы.

Клонированные гены путем микроинъекции вводят в яйцеклетку млекопитающих или протопласты растений (изолированные клетки, лишенные клеточной стенки) и из них выращивают целых животных или растения, в геном которых встроены (интегрированы) клонированные гены. Растения и животные, геном которых изменен путем генноинженерных операций, получили название трансгенных растений или трансгенных животных.

Уже получены трансгенные мыши, кролики, свиньи, овцы, в геноме которых работают чужеродные гены различного происхождения, в том числе гены бактерий, дрожжей, млекопитающих, человека, а также трансгенные растения с генами других, неродственных видов. Трансгенные организмы свидетельствуют о больших возможностях генной инженерии как прикладной ветви молекулярной генетики (например, получено новое поколение трансгенных растений, для которых характерны такие ценные признаки, как устойчивость к гербицидам, к насекомым и др.).

На сегодняшний день методы генной инженерии позволили осуществить синтез в промышленных количествах таких гормонов, как инсулин, интерферон и соматотропин (гормон роста), которые необходимы для лечения ряда генетических болезней человека - сахарного диабета, некоторых видов злокачественных образований, карликовости,

С помощью генетических методов были получены также штаммы микроогранизмов (Ashbya gossypii, Pseudomonas denitrificans и др.), которые производят в десятки тысяч раз больше витаминов (С, В 3 , В 13 , и др.), чем исходные формы.

Клеточная инженерия -

совокупность методов, используемых для конструирования новых клеток. Включает культивирование и клонирование клеток на специально подобранных средах, гибридизацию клеток, пересадку клеточных ядер и другие микрохирургические операции по «разборке» и «сборке» (реконструкции) жизнеспособных клеток из отдельных фрагментов.

В основе клеточной инженерии лежит использование методов культивирования изолированных клеток и тканей на искусственной питательной среде в регулируемых условиях. Это стало возможным благодаря способности растительных клеток в результате регенерации формировать целое растение из единичной клетки. Условия регенерации разработаны для многих культурных растений - картофеля, пшеницы, ячменя, кукурузы, томатов и др. Работа с этими объектами делает возможным использование в селекции нетрадиционных методов клеточной инженерии - соматической гибридизации, гаплоидии, клеточной селекции, преодоления нескрещиваемости в культуре и др.

Клонирование -

метод получения нескольких идентичных организмов путем бесполого (в том числе вегетативного) размножения. Таким способом на протяжении миллионов лет размножаются в природе многие виды растений и животных. Однако сейчас термин "клонирование" обычно используется в более узком смысле и означает копирование клеток, генов, антител и даже многоклеточных организмов в лабораторных условиях. Появившиеся в результате бесполого размножения экземпляры по определению генетически одинаковы, однако и у них можно наблюдать наследственную изменчивость, обусловленную случайными мутациями или создаваемую искусственно лабораторными методами.

Тематические задания

А1. Производством лекарств, гормонов и других биологических веществ занимается такое направление, как

1) генная инженерия

2) биотехнологическое производство

3) сельскохозяйственная промышленность

4) агрономия

А2. В каком случае метод культуры тканей окажется наиболее полезным?

1) при получении гибрида яблони и груши

2) при выведении чистых линий гладкосемянного гороха

3) при необходимости пересадить кожу человеку при ожоге

4) при получении полиплоидных форм капусты и редьки

А3. Для того чтобы искусственно получать человеческий инсулин методами генной инженерии в промышленных масштабах, необходимо

1) ввести ген, отвечающий за синтез инсулина в бактерии, которые начнут синтезировать человеческий инсулин

2) ввести бактериальный инсулин в организм человека

3) искусственно синтезировать инсулин в биохимической лаборатории

4) выращивать культуру клеток поджелудочной железы человека, отвечающей за синтез инсулина.

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.

1. Возможности генной инженерии. 4

2. История генной инженерии. 6

3. Генная инженерия как наука. Методы генной инженерии. 10

4. Области применения генной инженерии. 12

5. Научные факты опасности генной инженерии. 18

Заключение. 22

Список литературы.. 23

Введение

Тема генной инженерии в последнее время пользуется все большей популярностью. Больше всего внимания уделяется негативным последствиям, к которым может привести развитие этой отрасли науки, и в совсем малой степени освещается польза, которую может принести генная инженерия.

Наиболее многообещающая область применения - это производство лекарственных препаратов с использованием генно-инженерных технологий. Недавно появилась возможность получать полезные вакцины на основе трансгенных растений. Не меньший интерес представляет производство пищевых продуктов с использованием все тех же технологий.

Генная инженерия - наука будущего. На данный момент во всем мире миллионы гектаров земли засеваются трансгенными растениями, создаются уникальные медицинские препараты, новые продуценты полезных веществ. Со временем генная инженерия позволит добиться новых достижений в медицине, сельском хозяйстве, пищевой промышленности и в животноводстве.

Цель данной работы - изучить особенности возможности, историю развития и области применения генной инженерии.

1. Возможности генной инженерии

Важной составной частью биотехнологии является генетическая инженерия. Родившись в начале 70-х годов, она добилась сегодня больших успехов. Методы генной инженерии преобразуют клетки бактерий, дрожжей и млекопитающих в «фабрики» для масштабного производства любого белка. Это дает возможность детально анализировать структуру и функции белков и использовать их в качестве лекарственных средств. В настоящее время кишечная палочка (E. coli) стала поставщиком таких важных гормонов как инсулин и соматотропин. Ранее инсулин получали из клеток поджелудочной железы животных, поэтому стоимость его была очень высока. Для получения 100 г кристаллического инсулина требуется 800-1000 кг поджелудочной железы, а одна железа коровы весит 200 - 250 грамм. Это делало инсулин дорогим и труднодоступным для широкого круга диабетиков. В 1978 году исследователи из компании «Генентек» впервые получили инсулин в специально сконструированном штамме кишечной палочки. Инсулин состоит из двух полипептидных цепей А и В длиной 20 и 30 аминокислот. При соединении их дисульфидными связями образуется нативный двухцепочечный инсулин. Было показано, что он не содержит белков E. coli, эндотоксинов и других примесей, не дает побочных эффектов, как инсулин животных, а по биологической активности от него не

отличается. Впоследствии в клетках E. coli был осуществлен синтез проинсулина, для чего на матрице РНК с помощью обратной транскриптазы синтезировали ее ДНК-копию. После очистки полученного проинсулина его расщепили и получили нативный инсулин, при этом этапы экстракции и выделения гормона были сведены к минимуму. Из 1000 литров культуральной жидкости можно получать до 200 граммов гормона, что эквивалентно количеству инсулина, выделяемого из 1600 кг поджелудочной железы свиньи или коровы.

Соматотропин - гормон роста человека, секретируемый гипофизом. Недостаток этого гормона приводит к гипофизарной карликовости. Если вводить соматотропин в дозах 10 мг на кг веса три раза в неделю, то за год ребенок, страдающий от его недостатка, может подрасти на 6 см. Ранее его получали из трупного материала, из одного трупа: 4 - 6 мг соматотропина в пересчете на конечный фармацевтический препарат. Таким образом, доступные количества гормона были ограничены, кроме того, гормон, получаемый этим способом, был неоднороден и мог содержать медленно развивающиеся вирусы. Компания «Genentec» в 1980 году разработала технологию производства соматотропина с помощью бактерий, который был лишен перечисленных недостатков. В 1982 году гормон роста человека был получен в культуре E. coli и животных клеток в институте Пастера во Франции, а с 1984 года начато промышленное производство инсулина и в СССР. При производстве интерферона используют как E. coli, S. cerevisae (дрожжи), так и культуру фибробластов или трансформированных лейкоцитов. Аналогичными методами получают также безопасные и дешевые вакцины.

На технологии рекомбинантных ДНК основано получение высокоспецифичных ДНК-зондов, с помощью которых изучают экспрессию генов в тканях, локализацию генов в хромосомах, выявляют гены, обладающие родственными функциями (например, у человека и курицы). ДНК-зонды также используются в диагностике различных заболеваний.

Технология рекомбинантных ДНК сделала возможным нетрадиционный подход «белок-ген», получивший название «обратная генетика». При таком подходе из клетки выделяют белок, клонируют ген этого белка, модифицируют его, создавая мутантный ген, кодирующий измененную форму белка. Полученный ген вводят в клетку. Если он экспрессируется, несущая его клетка и ее потомки будут синтезировать измененный белок. Таким образом, можно исправлять дефектные гены и лечить наследственные заболевания.

Если гибридную ДНК ввести в оплодотворенное яйцеклетку, могут быть получены трансгенные организмы, экспрессирующие мутантный ген и передающие его потомками. Генетическая трансформация животных позволяет установить роль отдельных генов и их белковых продуктов как в регуляции активности других генов, так и при различных патологических процессах. С помощью генетической инженерии созданы линии животных, устойчивых к вирусным заболеваниям, а также породы животных с полезными для человека признаками. Например, микроинъекция рекомбинантной ДНК, содержавшей ген соматотропина быка в зиготу кролика позволила получить трансгенное животное с гиперпродукцией этого гормона. Полученные животные обладали ярко выраженной акромегалией.

Носителями материальных основ генов служат хромосомы, в состав которых входят ДНК и белки. Но гены образования не химические, а функциональные. С функциональной точки зрения ДНК состоит из множества блоков, хранящих определенный объем информации - генов. В основе действия гена лежат его способность через посредство РНК определять синтез белков. В молекуле ДНК как бы записана информация, определяющая химическую структуру белковых молекул. Ген - участок молекулы ДНК,в котором находится информация о первичной структуре какого-либо одного белка (один ген - один белок). Поскольку в организмах присутствуют десятки тысяч белков, существуют и десятки тысяч генов. Совокупность всех генов клетки составляет ее геном. Все клетки организма содержат одинаковый набор генов, но в каждой из них реализуется различная часть хранимой информации. Поэтому, например, нервные клетки и по структурно-функциональным, и по биологическим особенностям отличаются от клеток печени.

Сейчас, даже трудно предсказать все возможности, которые будут реализованы в ближайшие несколько десятков лет.

2. История генной инженерии

История высоких медико-биологических технологий, генетических методов исследования, как, впрочем, и самой генной инженерии, непосредственно связана с извечным стремлением человека к улучшению пород домашних животных и возделываемых людьми культурных растений. Отбирая, определенные особи из групп животных и растений и скрещивая их между собой, человек, не имея правильного представления о внутренней сути процессов, протекавших внутри живых существ, тем не менее, многие сотни и тысячи лет создавал улучшенные породы животных и сорта растений, которые обладали определенными полезными и нужными для людей свойствами.

В XVIII и XIX веках предпринималось немало попыток выяснить, как передаются признаки из поколения в поколение. Одно важное открытие сделал в 1760 году ботаник Кельрейтер, который скрещивал два вида табака, перенося с тычинок пыльцу одного вида на пестики другого вида. Растения, полученные из гибридных семян, имели признаки, промежуточные между признаками обоих родителей. Кельрейтер сделал из этого логический вывод, что родительские признаки передаются как через пыльцу (семенные клетки), так и через семяпочки (яйцеклетки). Однако ни ему, ни его современникам, занимавшимся гибридизацией растений и животных, не удалось раскрыть природу механизма передачи наследственности. Отчасти это объясняется тем, что в те времена еще не были известны цитологические основы этого механизма, но главным образом тем, что ученые пытались изучать наследование всех признаков растений одновременно.

Научный же подход при изучении наследования определенных признаков и свойств был разработан австрийским католическим монахом Грегором Менделем, который летом 1865 года приступил к своим опытам по гибридизации растений (к скрещиванию различных сортов гороха) на территории своего монастыря. Он и открыл впервые основные законы генетики. Грегор Мендель достиг успеха, потому что изучал наследование отдельных, четко отличающихся один от другого (контрастирующих) признаков, подсчитывал число потомков каждого типа и тщательно вел подробные записи всех своих опытов по скрещиванию. Знакомство с основами математики позволило ему правильно истолковать полученные данные и выдвинуть предположение о том, что каждый признак определяется двумя наследственными факторами. Талантливому монаху-исследователю удалось позднее ясно показать, что наследственные свойства не смешиваются, а передаются потомству в виде определенных единиц. Это блестящее умозаключение было впоследствии полностью подтверждено, когда удалось увидеть хромосомы и выяснить особенности разных видов клеточного деления: митоза (соматических клеток - клеток тела), мейоза (половых, воспроизводящих, герминативных) и оплодотворения.

Мендель сообщил об итогах своих работ на собрании Брюннского общества естествоиспытателей и опубликовал их в трудах этого общества. Значение полученных им результатов не было понято его современниками, и эти исследования не привлекали внимания со стороны ученых-селекционеров и естествоиспытателей в течение почти 35 лет.

В 1900 году, после того как стали известны подробности деления клеток по типу митоза, мейоза и самого оплодотворения, три исследователя - де Фриз в Голландии, Корренс в Германии и Чермак в Австрии - провели ряд опытов и независимо друг от друга вторично открыли законы наследственности, описанные ранее Менделем. Позднее, обнаружив статью Менделя, в которой эти законы были ясно сформулированы за 35 лет до них, эти ученые единодушно воздали должное ученому-иноку, назвав два основных закона наследственности его именем.

В первом десятилетии XX века были проведены опыты с самыми разнообразными растениями и животными, а также сделаны многочисленные наблюдения, касающиеся наследования признаков у человека, которые ясно показали, что у всех этих организмов наследственность подчиняется тем же основным законам. Было установлено, что описанные Менделем факторы, определяющие отдельный признак, находятся в хромосомах клеточного ядра. Впоследствии, в 1909 году, эти единицы были названы датским ботаником Иогансеном генами (от греческого слова «ге-нос» - род, происхождение), а американский ученый Уильям Сэттон заметил удивительное сходство между поведением хромосом во время образования гамет (половых клеток), их оплодотворением и передачей менделевских наследственных факторов - генов. На основании этих гениальных открытий и была создана так называемая хромосомная теория наследственности.

Собственно говоря, сама генетика как наука о наследственности и изменчивости живых организмов и о методах управления ими, возникла в начале XX века. Американский ученый-генетик Т. Морган вместе со своими сотрудниками провел многочисленные опыты, позволившие раскрыть генетическую основу определения пола и объяснить ряд необычных форм наследования, при которых передача признака зависит от пола особи (так называемые признаки, сцепленные с полом). Следующий крупный шаг вперед был сделан в 1927 году, когда Г. Меллер установил, что, облучая плодовую муху-дрозофилу и другие организмы рентгеновскими лучами, можно искусственно вызывать у них изменения генов, то есть мутации. Это позволило получить множество новых мутантных генов - дополнительный материал для изучения наследственности. Данные о природе мутаций послужили одним из ключей к пониманию и строению самих генов.

В 20-е годы нашего века советскими учеными школы А.С. Серебровского были проведены первые опыты, показавшие насколько сложно устроен ген. Эти представления и были использованы Дж. Уотсоном и Ф. Криком, которым удалось в 1953 году в Англии создать модель ДНК и расшифровать генетический код. Развернутая затем научно-исследовательская работа, связанная с целенаправленным созданием новых комбинаций генетического материала, и привела к появлению самой генной инженерии.

Одновременно, в 40-х годах, началось опытное изучение отношений между генами и ферментами. С этой целью был широко использован другой объект - плесневый гриб Neurospora, у которого можно было искусственно получать и исследовать ряд биохимических мутаций, связанных с выпадением того или иного особого фермента (белка). В течение двух последних десятилетий самыми распространенными объектами генетических исследований были кишечная палочка (Escherichia coli) и некоторые бактериофаги, поражающие эту бактерию.

С самого начала XX века наблюдался неослабевающий интерес к изучению наследования определенных (специфических) признаков у человека и к наследственной передаче желательных и нежелательных признаков у домашних животных и культурных растений. Опираясь на все более глубокое знание генетических закономерностей, ученые-генетики и селекционеры научились почти по заказу выводить породы скота, способные выживать в условиях жаркого климата, коров, дающих много молока с высоким содержанием жира, кур, несущих крупные яйца с тонкой скорлупой, сорта кукурузы и пшеницы, обладающие высокой устойчивостью к определенным болезням.

В 1972 году в США в лаборатории П. Берга была получена первая гибридная (рекомбинантная) ДНК. Захватывающие идеи в области генетики человека и генетические методы исследования стали широко разрабатываться и применяться и в самой медицине. В 70-е годы началась расшифровка генома человека. Вот уже более десятков лет существует проект под названием «Геном человека». Из 3 миллиардов пар нуклеотидов, расположенных в виде сплошных непрерывных пассажей, прочтено пока всего около 10 миллионов знаков. Вместе с тем создаются и новые генетические методики, которые увеличивают скорость прочтения ДНК. Директор медико-генетического Центра Российской Академии медицинских наук В.И. Иванов определенно полагает, что «весь геном будет прочитан примерно к 2020 году».

3. Генная инженерия как наука. Методы генной инженерии

Генетическая инженерия - конструирование in vitro функционально активных генетических структур (рекомбинантных ДНК), или иначе - создание искусственных генетических программ (Баев А.А.). По Э.С. Пирузян генетическая инженерия - система экспериментальных приемов, позволяющих конструировать лабораторным путем (в пробирке) искусственные генетические структуры в виде так называемых рекомбинантных или гибридных молекул ДНК.

Речь идет о направленном, по заранее заданной программе конструировании молекулярных генетических систем вне организма с последующим введением их в живой организм. При этом рекомбинантные ДНК становятся составной частью генетического аппарата рецепиентного организма и сообщают ему новые уникальные генетические, биохимические, а затем и физиологические свойства.

Цель прикладной генетической инженерии заключается в конструировании таких рекомбинантных молекул ДНК, которые при внедрении в генетический аппарат придавали бы организму свойства, полезные для человека.

Технология рекомбинантных ДНК использует следующие методы:

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.

4. Области применения генной инженерии

Совершаемые в настоящее время научные открытия в области генетики человека имеют на самом деле революционное значение, поскольку речь идет о возможности создания «карты генома человека», или «патологической анатомии генома человека». Эта генетическая карта позволит установить на длинной спирали ДНК местонахождение генов, несущих ответственность за определенные наследственные заболевания. Как полагают ученые-генетики, эти неограниченные возможности легли в основу идеи применения в клинической практике, так называемой генной терапии, представляющей собой такое направление лечения больных, которое связано с заменой пораженных генов при помощи высоких медико-биологических технологий и генной инженерии. Вторжение в состав генных систем человека и обеспечение их жизнедеятельности возможно как на уровне соматических (всяких телесных, обладающих определенными структурными и функциональными различиями) клеток тела, так и на уровне половых, воспроизводящих (герминативных) и зародышевых (эмбриональных) клеток.

Генная инженерия как разновидность терапии - лечения определенного генетически обусловленного заболевания - связана с поставкой соответствующей недефектной молекулы ДНК с целью замены при помощи ее того гена - участка хромосомы, который содержит в себе дефект, либо для встраивания в генетический материал человека путем слияния с так называемыми соматическими клетками тела человека, имеющими генетический дефект. Задачей генной инженерии в отношении человека является оказание соответствующего целенаправленного воздействия на определенный ген для его исправления в сторону правильного функционирования и обеспечение человека, страдающего от наследственного заболевания, нормальным, неизмененным вариантом гена. В отличие от медикаментозной, лекарственной терапии такая терапия, называемая генной инженерией, сможет, по всей видимости, предоставить больному длительное, пролонгированное, высокоэффективное, приносящее большое облегчение и пользу лечение.

Однако все современные методы введения ДНК в живые организмы не способны направить и доставить ее к определенной популяции клеток, содержащих измененный и потому превратно функционирующий ген. Другими словами, так называемый направленный перенос, транспорт генов в условиях организма (в модели «in vivo») в настоящее время невозможен.

Иной методологический подход, основанный на извлечении из организма больного определенной популяции клеток, содержащих пораженный ген, и манипуляции с генетическим материалом путем замены дефектных генов в клетках при помощи генной инженерии (в модели «in vitro») и возвращении их в то место в организме, откуда они были взяты у больного, в настоящее время в условиях медико-генетических центров возможен. Этот метод генной терапии посредством генной инженерии уже был использован при опытной попытке излечить двух больных, страдавших редким генетически обусловленным заболеванием, так называемой бета-талассемией, которое, подобно серповидно-клеточной анемии, также вызывается наличием в эритроцитах неправильно устроенного и потому неверно функционирующего белка. Суть манипуляции заключалась в том, что из костного мозга этих больных были выделены так называемые стволовые клетки, в хромосомы которых был введен ответственный за выработку нормального белка гемоглобулина участок ДНК - ген. После того как оставшиеся в костном мозге больных неправильно функционировавшие стволовые клетки были почти полностью разрушены, пациентам были введены улучшенные при помощи генной инженерии стволовые клетки. К сожалению, эти две попытки оказались клинически неудачными, так как больные скончались. Этот первый случай применения генной инженерии в условиях больничного стационара не был разрешен и не был одобрен соответствующими контрольными комитетами, и его участники были решительно осуждены за грубое нарушение правил проведения научно-исследовательских работ в области генетики человека.

Совсем к иным последствиям может привести генная инженерия воспроизводящих (половых) клеток, поскольку введение ДНК в эти клетки отличается от исправления генетического дефекта в соматических (телесных, неполовых) клетках. Известно, что внедрение других генов в хромосомы половых клеток приводит к их передаче последующим поколениям. В принципе можно представить прибавление определенных участков ДНК взамен дефектных участков к генетическому материалу каждой воспроизводящей клетки определенного человека, который поражен той или иной генетически предопределенной болезнью.

Действительно, этого удалось достичь у мышей. Так, из яичника самки была получена яйцеклетка, которая впоследствии и была оплодотворена в пробирке (in vitro), а затем в хромосому оплодотворенной яйцеклетки был введен инородный участок ДНК. Сама же оплодотворенная яйцеклетка с измененным геномом была имплантирована (внедрена) в материнскую матку мыши-самки. Источником инородной ДНК в одном опыте был генетический материал кролика, а в другом - человека.

Для того чтобы обнаружить в период внутриутробного развития плода вероятность рождения ребенка с определенными генетическими отклонениями, такими, например, как синдром Дауна или болезнь Тай-Сакса, применяют научно-исследовательскую методику так называемого амниоцентеза - предродового анализа, во время которого проба биологической жидкости, содержащей зародышевые клетки, берется из амниотического мешка на ранней стадии второго триместра беременности. Помимо этого, свое дальнейшее развитие получила методика извлечения различных клеток зародыша из пробы плацентарной крови матери. Полученные таким образом утробные клетки могут быть в настоящее время использованы только для выявления ограниченного числа генетически обусловленных заболеваний, при которых имеются выраженные, грубые нарушения в структуре ДНК и определяемые при помощи биохимических анализов изменения. Генная инженерия с использованием рекомбинантных ДНК при внутриутробном исследовании открывает возможность правильно поставить диагноз различных и многочисленных наследственных заболеваний.

В этом случае разрабатываются методики по созданию так называемых генных «зондов», используя которые можно установить, имеется ли в хромосоме нормальный, неизмененный ген либо присутствует аномальный, дефектный ген. Помимо того, связанная с использованием рекомбинантных ДНК генная инженерия, находящаяся на одном из этапов своего становления, в будущем позволит проводить так называемое «планирование» генов человека, с тем расчетом, чтобы определенный ген, несущий в себе искаженную, патологическую информацию и потому представляющий интерес для врачей-генетиков, мог бы быть выявлен вовремя и достаточно быстро по аналогии с методикой использования другого «меченого» гена. Эта сложная медико-биологическая методика должна помочь при определении местонахождения любого гена в утробных клетках, а не только в тех, вероятность обнаружения в которых различных нарушений осуществима при помощи методики амниоцентезиса.

В связи с этим в последние годы возникли новые разделы медико-биологических наук, такие, как, например, высокие ДНК-технологии, эмбриональная терапия и клеточная терапия (цито-терапия), то есть внутриутробное диагностирование и лечение генетически обусловленного заболевания как на этапе образования и развития зародыша (эмбриона), так и на стадии созревания плода. Вторжения в эмбриональный материал и манипуляции с ним оказывают непосредственное воздействие на наследование генетических изменений, поскольку обладают способностью передаваться из поколения в поколение. Мало того, само генетическое диагностирование начинает перерастать в генетическое прогнозирование, то есть в определение, будущей участи человека, закрепляя главные революционные перемены в самой медицине, которая в итоге проведения сложных медико-генетических опытов и методик получила возможность задолго до появления «клинической картины болезни», подчас даже до самого рождения человека, определить, какие наследственные недуги ему грозят. Таким образом, благодаря усилиям врачей-генетиков и специалистов в области генной инженерии зародилась в недрах медико-биологических наук так называемая «прогностическая медицина», то есть медицина, «делающая прогнозы на будущее».

Вместе с тем, различные технологии и методики генной инженерии позволяют предсказать еще во внутриутробном периоде развития ребенка, до его рождения, не только наличие у него определенного наследственного заболевания, но и подробно описать медико-генетические свойства растущего эмбриона и плода.

По мере накопления новых данных по генетическому картированию генома человека и описанию (секвенированию) его ДНК, а также потому, что разрабатываемые современные методы исследования ДНК-полиморфизмов позволяют сделать доступной генетическую информацию о тех или иных структурно-функциональных (включая патологические) особенностях организма человека, которые, по всей видимости, проявятся в будущем, но еще не заметны теперь, становится возможным получение при помощи медико-генетической диагностики всех генетических сведений о ребенке не только преклинически, то есть до проявления определенного наследственного заболевания, и пренатально, то есть до его рождения, но и прецептивно, то есть даже до его зачатия.

Во вполне обозримом будущем, благодаря успеху и прогрессу в области медико-генетической диагностики, можно будет по данным ДНК-диагностики достаточно уверенно судить о том, например, каким будут рост человека, его умственные способности, предрасположенность к определенным заболеваниям (в частности, к онкологическим или психическим), обреченность на проявление и развитие каких-либо наследственных болезней.

Современные медико-биологические технологии позволяют обнаруживать различные нарушения в генах, способные проявить себя и вызвать определенные недуги, не только на стадии выраженного клинически заболевания, но и тогда, когда никаких признаков патологии еще нет и сама болезнь заявит о себе не так скоро. Примерами тому могут быть поражающие человека в возрасте старше 40 лет, а то и в 70 лет, болезнь Альцгеймера и хорея Гентингтона. Однако и в этих случаях возможно обнаружение генов, способных вызвать подобные болезни у человека, даже до зачатия самого больного. Известно также, что и сахарный диабет может быть отнесен к числу таких заболеваний. Предрасположенность к этому заболеванию и сама генетически обусловленная патология передаются по наследству и могут проявить себя в случае несоблюдения определенного образа жизни в зрелом или пожилом возрасте. Можно с достаточной уверенностью заявить о том, что если оба родителя или один из них страдают от диабета, то вероятность наследования гена «диабета» либо совокупности таких генов передается детям.

При этом оказывается возможным провести соответствующие медико-биологические исследования и поставить верный диагноз при наличии микроскопически малых количеств биологического материала. Иногда для этого бывает достаточно нескольких отдельных клеток, которые будут размножены в культуре in vitro, и по ним будет получен «генетический портрет» испытуемого лица, конечно, не по всем генам его генома (их ведь десятки тысяч!), а по тем из них, в отношении которых существуют веские основания подозревать наличие определенных дефектов. Одновременное развитие методов клеточной и генной инженерии позволит на последующих этапах познания генома открыть практическую возможность произвольно, и, прежде всего в терапевтических целях, изменять последовательность и порядок генов, их состав и строение.

Медицина не единственная область применения генной инженерии. Различают генную инженерию растений, генную инженерию бактериологических клеток.

В последнее время появились новые возможности в получении «съедобных» вакцин на основе трансгенных растений.

По трансгенным растениям в мире достигнуты большие успехи. Они во многом связаны с тем, что проблема получения организма из клетки, группы клеток или незрелого зародыша у растений сейчас не представляет большого труда. Клеточные технологии, культура тканей и создание регенерантов широко применяются в современной науке.

Рассмотрим достижения в области растениеводства, которые были получены в Сибирском институте физиологии и биохимии растений СО РАН.

Так, в последние годы получен целый ряд трансгенных растений путем переноса в их геном генов ugt, acp, acb, accc и других, выделенных из различных растительных объектов.

В результате введения этих генов появились трансгенные растения пшеницы, картофеля, томата, огурца, сои, гороха, рапса, клубники, осины и некоторых других.

Введение генов производилось либо «обстрелом» тканей из «генной пушки» (конструкция которой разработана в нашем институте), или генетическим вектором на основе агробактериальной плазмиды, имеющей встроенные целевые гены и соответствующие промоторы.

В итоге образован ряд новых трансгенных форм. Вот некоторые из них.

Трансгенная пшеница (2 сорта), обладающая значительно более интенсивным ростом и кущением, предположительно более устойчива к засухе и другим неблагоприятным факторам среды. Продуктивность ее и наследование приобретенных свойств изучаются.

Трансгенный картофель, наблюдения за которым ведутся уже три года. Он стабильно дает урожай на 50--90 процентов выше контроля, приобрел практически полную устойчивость к гербицидам ауксинового ряда и, кроме того, его клубни значительно меньше «чернеют» на срезах за счет снижения активности полифенолоксидазы.

Трансгенный томат (несколько сортов), отличающийся большей кустистостью и урожайностью. В условиях теплицы его урожай — до 46 кг с квадратного метра (в два с лишним раза выше контроля).

Трансгенный огурец (несколько сортов) дает большее количество фертильных цветков и, следовательно, плодов с урожайностью до 21 кг с квадратного метра против 13,7 в контроле.

Имеются трансгенные формы и других растений, многие из которых также обладают рядом полезных хозяйственных признаков.

Генная инженерия - это наука сегодняшнего и завтрашнего дня. Уже сейчас в мире трансгенными растениями засеваются десятки миллионов гектаров, создаются новые лекарственные препараты, новые продуценты полезных веществ. Со временем генная инженерия станет все более мощным инструментом для новых достижений в области медицины, ветеринарии, фармакологии, пищевой промышленности и сельском хозяйстве.

5. Научные факты опасности генной инженерии

Следует отметить, что наряду с прогрессом, который несет в себе развитие генной инженерии, выделяют и некоторые факты опасности генной инженерии, основные из которых представлены ниже.

1. Генная инженерия в корне отличается от выведения новых сортов и пород. Искусственное добавление чужеродных генов сильно нарушает точно отрегулированный генетический контроль нормальной клетки. Манипулирование генами коренным образом отличается от комбинирования материнских и отцовских хромосом, которое происходит при естественном скрещивании.

2. В настоящее время генная инженерия технически несовершенна, так как она не в состоянии управлять процессом встраивания нового гена. Поэтому невозможно предвидеть место встраивания и эффекты добавленного гена. Даже в том случае, если местоположение гена окажется возможным установить после его встраивания в геном, имеющиеся сведения о ДНК очень неполны для того, чтобы предсказать результаты.

3. В результате искусственного добавления чужеродного гена непредвиденно могут образоваться опасные вещества. В худшем случае это могут быть токсические вещества, аллергены или другие вредные для здоровья вещества. Сведения о подобного рода возможностях еще очень неполны.

4. Не существует совершенно надежных методов проверки на безвредность. Более 10% серьезных побочных эффектов новых лекарств не возможно выявить, несмотря на тщательно проводимые исследования на безвредность. Степень риска того, что опасные свойства новых, модифицированных с помощью генной инженерии продуктов питания, останутся незамеченными, вероятно, значительно больше, чем в случае лекарств.

5. Существующие в настоящее время требования по проверке на безвредность крайне недостаточны. Они совершенно явно составлены таким образом, чтобы упростить процедуру утверждения. Они позволяют использовать крайне нечувствительные методы проверки на безвредность. Поэтому существует значительный риск того, что опасные для здоровья продукты питания смогут пройти проверку незамеченными.

6. Созданные до настоящего времени с помощью генной инженерии продукты питания не имеют сколько-нибудь значительной ценности для человечества. Эти продукты удовлетворяют, главным образом, лишь коммерческие интересы.

7. Знания о действии на окружающую среду модифицированных с помощью генной инженерии организмов, привнесенных туда, совершенно недостаточны. Не доказано еще, что модифицированные с помощью генной инженерии организмы не окажут вредного воздействия на окружающую среду. Экологами высказаны предположения о различных потенциальных экологических осложнениях. Например, имеется много возможностей для неконтролируемого распространения потенциально опасных генов, используемых генной инженерией, в том числе передача генов бактериями и вирусами. Осложнения, вызванные в окружающей среде, вероятно, невозможно будет исправить, так как выпущенные гены невозможно взять обратно.

8. Могут возникнуть новые и опасные вирусы. Экспериментально показано, что встроенные в геном гены вирусов могут соединяться с генами инфекционных вирусов (так называемая рекомбинация). Такие новые вирусы могут быть более агрессивными, чем исходные. Вирусы могут стать также менее видоспецифичными. Например, вирусы растений могут стать вредными для полезных насекомых, животных, а также людей.

9. Знания о наследственном веществе, ДНК, очень неполны. Известно о функции лишь трех процентов ДНК. Рискованно манипулировать сложными системами, знания о которых неполны. Обширный опыт в области биологии, экологии и медицины показывает, что это может вызвать серьезные непредсказуемые проблемы и расстройства.

10. Генная инженерия не поможет решить проблему голода в мире. Утверждение, что генная инженерия может внести существенный вклад в разрешение проблемы голода в мире, является научно необоснованным мифом.

Заключение

Генная инженерия - это метод биотехнологии, который занимается исследованиями по перестройке генотипов. Генотип является не просто механическая сумма генов, а сложная, сложившаяся в процессе эволюции организмов система. Генная инженерия позволяет путем операций в пробирке переносить генетическую информацию из одного организма в другой. Перенос генов дает возможность преодолевать межвидовые барьеры и передавать отдельные наследственные признаки одних организмов другим.

Перестройка генотипов, при выполнении задач генной инженерии, представляет собой качественные изменения генов не связанные с видимыми в микроскопе изменениями строения хромосом. Изменения генов, прежде всего, связано с преобразованием химической структуры ДНК. Информация о структуре белка, записанная в виде последовательности нуклеотидов, реализуется в виде последовательности аминокислот в синтезируемой молекуле белка. Изменение последовательности нуклеотидов в хромосомной ДНК, выпадение одних и включение других нуклеотидов меняют состав образующихся на ДНК молекулы РНК, а это, в свою очередь, обуславливает новую последовательность аминокислот при синтезе. В результате в клетке начинает синтезироваться новый белок, что приводит к появлению у организма новых свойств. Сущность методов генной инженерии заключается в том, что в генотип организма встраиваются или исключаются из него отдельные гены или группы генов. В результате встраивания в генотип ранее отсутствующего гена можно заставить клетку синтезировать белки, которые ранее она не синтезировала.

Список литературы

2. Ли А., Тинланд Б. Интеграция т-ДНК в геном растений: прототип и реальность // Физиология растений. 2000. - Том 47. - № 3.

3. Лутова Л. А., Проворов Н. А., Тиходеев О. Н. и др. Генетика развития растений. - СПб.: Наука, 2000. - 539с.

4. Лядская М. Генная инженерия может все - даже вырастить вакцину в огороде // Фармацевтический вестник. - 2000. - №7.

5. Романов Г. А. Генетическая инженерия растений и пути решения проблемы биобезопасности // Физиология растений, 2000. - Том 47. - № 3.

6. Саляев Р. Мифы и реальности генной инженерии // Наука в Сибири. - 2002. - №7.

7. Фаворова О. О. Лечение генами - фантастика или реальность? // Фармацевтический вестник. - 2002. - №5.

Кузьмина Н.А. Основы биотехнологии: учебное пособие. - Омск: ОГПУ, 2001. - 256с.

Лутова Л. А., Проворов Н. А., Тиходеев О. Н. и др. Генетика развития растений. - СПб.: Наука, 2000. - 539с.

Лядская М. Генная инженерия может все - даже вырастить вакцину в огороде // Фармацевтический вестник. - 2000. - №7.

Кузьмина Н.А. Основы биотехнологии: учебное пособие. - Омск: ОГПУ, 2001. - 256с.

Фаворова О. О. Лечение генами - фантастика или реальность? // Фармацевтический вестник. - 2002. - №5.

Саляев Р. Мифы и реальности генной инженерии // Наука в Сибири. - 2002. - №7.

Кузьмина Н.А. Основы биотехнологии: учебное пособие. - Омск: ОГПУ, 2001. - 256с.

Введение

В своей работе я раскрываю тему генной инженерии. Возможности, открываемые генетической инженерией перед человечеством, как в области фундаментальной науки, так и во многих других областях, весьма велики и нередко даже революционны.

Так, она позволяет осуществлять индустриальное массовое производство нужных белков, значительно облегчает технологические процессы для получения продуктов ферментации - энзимов и аминокислот, в будущем может применяться для улучшения растений и животных, а также для лечения наследственных болезней человека.

Таким образом, генная инженерия, будучи одними из магистральных направлений научно-технического прогресса, активно способствует ускорению решения многих задач, таких, как продовольственная, сельскохозяйственная, энергетическая, экологическая.

Но особенно большие возможности генная инженерия открывает перед медициной и фармацевтикой, поскольку применение генной инженерии может привести к коренным преобразованиям медицины.

1. Сущность генетической инженерии.

1.1. История генной инженерии.

Генная инженерия появилась благодаря работам многих исследователей в разных отраслях биохимии и молекулярной генетики.

На протяжении многих лет главным классом макромолекул считали белки. Существовало даже предположение, что гены имеют белковую природу.

Лишь в 1944 году Эйвери, Мак Леод и Мак Карти показали, что носителем наследственной информации является ДНК.

С этого времени начинается интенсивное изучение нуклеиновых кислот. Спустя десятилетие, в 1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик создали двуспиральную модель ДНК. Именно этот год принято считать годом рождения молекулярной биологии.

На рубеже 50-60-х годов были выяснены свойства генетического кода, а к концу 60-х годов его универсальность была подтверждена экспериментально.

Шло интенсивное развитие молекулярной генетики, объектами которой стали кишечная палочка (E. Coli), ее вирусы и плазмиды.

Были разработаны методы выделения высокоочищенных препаратов неповрежденных молекул ДНК, плазмид и вирусов.

ДНК вирусов и плазмид вводили в клетки в биологически активной форме, обеспечивая ее репликацию и экспрессию соответствующих генов.

В 70-х годах был открыт ряд ферментов, катализирующих реакции превращения ДНК. Особая роль в развитии методов генной инженерии принадлежит рестриктазам и ДНК-лигазам.

Историю развития генетической инженерии можно условно разделить на три этапа:

Первый этап связан с доказательством принципиальной возможности получения рекомбинантных молекул ДНК in vitro. Эти работы касаются получения гибридов между различными плазмидами. Была доказана возможность создания рекомбинантных молекул с использованием исходных молекул ДНК из различных видов и штаммов бактерий, их жизнеспособность, стабильность и функционирование.

Второй этап связан с началом работ по получению рекомбинантных молекул ДНК между хромосомными генами прокариот и различными плазмидами, доказательством их стабильности и жизнеспособности.

Третий этап - начало работ по включению в векторные молекулы ДНК (ДНК, используемые для переноса генов и способные встраиваться в генетический аппарат клетки-реципиента) генов эукариот, главным образом, животных.

Формально датой рождения генетической инженерии следует считать 1972 год, когда в Стенфордском университете П. Берг и С. Коэн с сотрудниками создали первую рекомбинантную ДНК, содержавшую фрагменты ДНК вируса SV40, бактериофага и E. coli.

1.2. Понятие о генной инженерии

Одним из разделов молекулярной генетики и молекулярной биологии, который нашел наибольшее практическое приложение, является генная инженерия.

Генная инженерия – это сумма методов, позволяющих переносить гены из одного организма в другой, или – это технология направленного конструирования новых биологических объектов.

Родившись в начале 70-х годов, она добилась сегодня больших успехов. Методы генной инженерии преобразуют клетки бактерий, дрожжей и млекопитающих в «фабрики» для масштабного производства любого белка.

Это дает возможность детально анализировать структуру и функции белков и использовать их в качестве лекарственных средств.

В настоящее время кишечная палочка (E. coli) стала поставщиком таких важных гормонов как инсулин и соматотропин.

Ранее инсулин получали из клеток поджелудочной железы животных, поэтому стоимость его была очень высока. Для получения 100г кристаллического инсулина требуется 800-1000кг поджелудочной железы, а одна железа коровы весит 200-250грамм. Это делало инсулин дорогим и труднодоступным для широкого круга диабетиков.

Инсулин состоит из двух полипептидных цепей А и В длиной 20 и 30 аминокислот. При соединении их дисульфидными связями образуется нативный двухцепочечный инсулин.

Было показано, что он не содержит белков E. coli, эндотоксинов и других примесей, не дает побочных эффектов, как инсулин животных, а по биологической активности от него не отличается.

Соматотропин - гормон роста человека, секретируемый гипофизом. Недостаток этого гормона приводит к гипофизарной карликовости. Если вводить соматотропин в дозах 10 мг на 1 кг веса три раза в неделю, то за год ребенок, страдающий от его недостатка, может подрасти на 6 см.

Ранее его получали из трупного материала, из одного трупа: 4 - 6 мг соматотропина в пересчете на конечный фармацевтический препарат. Таким образом, доступные количества гормона были ограничены, кроме того, гормон, получаемый этим способом, был неоднороден и мог содержать медленно развивающиеся вирусы.

Компания «Genentec» в 1980 году разработала технологию производства соматотропина с помощью бактерий, который был лишен перечисленных недостатков. В 1982 году гормон роста человека был получен в культуре E. coli и животных клеток в институте Пастера во Франции, а с 1984 года начато промышленное производство инсулина и в СССР.

1.3. Цели и задачи генной инженерии

Цель прикладной генетической инженерии заключается в конструировании таких рекомбинантных молекул ДНК, которые при внедрении в генетический аппарат придавали бы организму свойства, полезные для человека.

На технологии рекомбинантных ДНК основано получение высокоспецифичных ДНК-зондов, с помощью которых изучают экспрессию генов в тканях, локализацию генов в хромосомах, выявляют гены, обладающие родственными функциями (например, у человека и курицы). ДНК-зонды также используются в диагностике различных заболеваний.

Технология рекомбинантных ДНК сделала возможным нетрадиционный подход «белок-ген», получивший название «обратная генетика». При таком подходе из клетки выделяют белок, клонируют ген этого белка, модифицируют его, создавая мутантный ген, кодирующий измененную форму белка. Полученный ген вводят в клетку. Таким способом можно исправлять дефектные гены и лечить наследственные заболевания.

Если гибридную ДНК ввести в оплодотворенное яйцеклетку, могут быть получены трансгенные организмы, передающие мутантный ген потомками.

Генетическая трансформация животных позволяет установить роль отдельных генов и их белковых продуктов как в регуляции активности других генов, так и при различных патологических процессах.

Технология рекомбинантных ДНК использует следующие методы:

·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;

·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.

2.

2.1. Выделение генов, содержащих необходимую информацию.

Получение генов возможно несколькими путями: выделением из ДНК, химико-ферментным синтезом и ферментным синтезом.

Выделение генов из ДНК проводят с помощью рестриктаз, катализирующих расщепление ДНК на участках, имеющих определенные нуклеотидные последовательности (4–7 нуклеотидных пар). Расщепление можно проводить по середине узнаваемого участка нуклеотидных пар; при этом обе нити ДНК «разрезаются» на одном уровне. Образующиеся фрагменты ДНК имеют так называемые «тупые» концы. Возможно расщепление ДНК со сдвигом, при этом одна из нитей выступает на несколько нуклеотидов. Образуемые при этом «липкие» концы в силу своей комплементарности вступают во взаимодействие. Нуклеотидную последовательность с липкими концами можно присоединить к вектору (предварительно обработанному той же рестриктазой), Превратить в кольцевую в результате сшивания лигазами взаимно комплиментарных концов. Метод имеет существенные недостатки, так как достаточно трудно подобрать действие ферментов для строгого вычленения нужного гена. Вместе с геном захватываются «лишние» нуклеотиды или, наоборот, ферменты отрезают часть гена, превращая его в функционально неполноценный.

Химико-ферментный синтез применяют в том случае, если известна первичная структура белка или пептида, синтез которого кодирует ген. Необходимо полное знание нуклеотидной последовательности гена. Этот метод позволяет точно воссоздать нужную последовательность нуклеотидов, а также вводить в гены участки узнавания рестриктаз, регуляторных последовательностей и пр. Метод состоит из химического синтеза одно цепочечных фрагментов ДНК (олигонуклеотидов) за счет поэтапного образования эфирных связей между нуклеотидами, обычно 8–16-звенных. В настоящее время существуют «генные машины», которые под контролем микропроцессора очень быстро синтезируют специфические короткие последовательности одноцепочечной ДНК

Нужная последовательность оснований вводится на клавишный пульт управления. Микропроцессор открывает клапаны, через которые с помощью насоса в синтезирующую колонку последовательно поступают нукеотиды, а также необходимые реагенты и растворители. Колонка наполена бусинками кремния, на которых собираются молекулы ДНК. В данном устройстве возможен синтез цепей длиной до 40 нуклеотидов со скростью 1 нуклеотид за 30 минут. Полученные олигонуклеотиды с помощью ДНК-лигазы сшиваются между собой с образованием двуцепочечного нуклеотида. С помощью данного метода были получены гены А- и В-цепей инсулина, проинсулина, соматостатина и др.

Ферментный синтез гена на основе выделенной матричной РНК(мРНК) является в настоящее время наиболее распространенным методом. Сначала из клеток выделяют матричные РНК, среди которых присуттвует мРНК, кодируемая геном, который требуется выделить. Затем в одобранных условиях на выделенной из клетки мРНК, как на матрице, с помощью обратной транскриптазы (ревертазы) синтезируется нить ДНК, комплиментарная мРНК (кДНК). Полученная комплиментарная ДНК (кДНК) служит матрицей для синтеза второй нити ДНК с использованием ДНК-полимеразы или ревертазы. Затравкой при этом служит олигонуклеотид, комплиментарный 3’-концу мРНК; новая цепь ДНК образуется из дезоксинуклеозидтрифосфатов в присутствии ионов магния.

Метод с большим успехом применен для получения в 1979 г. гена гормона роста человека (соматотропина). Полученный тем или иным способом ген содержит информацию о структуре белка, но сам не может ее реализовать. Поэтому нужны дополнительные механизмы для управления действием гена. Перенос генетической информации в клетку реципиента осуществляется в составе вектора. Вектор – это, как правило, кольцевая молекула ДНК, способная к самостоятельной репликации. Ген вместе с вектором образует рекомбинантную ДНК.

2.2. Подбор векторов (вирусы, плазмиды), способных к самостоятельной репликации в клетке реципиента.

Под понятием «вектор» понимается молекула нуклеиновой кислоты, способная после введения в клетку к автономному существованию за счет наличия в ней сигналов репликации и транскрипции.

Векторные молекулы должны обладать следующими свой­ствами:

1) способностью автономно реплицироваться в клстке-реципиенте, то есть быть самостоятельным репликоном;

В зависимости от целей эксперимента векторы можно условно разделить на две группы: 1) используемые для клонирования и амплификации нужного гена; 2) специализированные, применяемые для экспрессии встроенных чужеродных генов. Вторая группа векторов объединяет векторы, призванные обеспечить синтез белковых продуктов клонированных генов. Векторы для экспрессии содержат последовательности ДНК, которые необходимы для транскрипции клонированных копий генов и трансляции их мРНК в штаммах клеток.

В качестве прокариотических векторов используются плазмиды, бактериофаги; в качестве эукариотических векторов применяют вирусы животных и растений, векторы на основе 2 мкм дрожжей и митохондрий и ряд искусственно сконструированных векторов, способных реплицироваться как в бактериальных, так и в эукариотических клетках (челночные векторы).

Плазмиды - это внехромосомные генетические элементы про- и эукариот, которые автономно реплицируются в клетках. Большинство плазмидных векторов получено на основе природных плазмид ColE1, pMB1 и p15A.

Бактериальные плазмиды делят на два класса. Одни плазмиды (например, хорошо изученный фактор F, определяющий пол у E.coli) сами способны переходить из клетки в клетку, другие такой способно­стью не обладают. По ряду причин, и прежде всего для предотвращения неконтролируемого распространения потенциально опасного генети­ческого материала, подавляющее большинство бактериальных плазмидных векторов создано на базе плазмид второго класса. Многие при­родные плазмиды уже содержат гены, определяющие устойчивость клеток к антибиотикам (продукты этих генов - ферменты, модифици­рующие или расщепляющие антибиотические вещества). Кроме того, в эти плазмиды при конструировании векторов вводятся дополнитель­ные гены, определяющие устойчивость к другим антибиотикам.

На рис. 1 показан один из самых распространенных плазмидных векторов E.coli - pBR322. Он сконструирован на базе детально изученной плазмиды E.coli - колициногенного фактора ColE1 - и содер­жит ориджин репликации этой плазмиды. Особенность плазмиды ColE1 (и pBR322 соответственно) состоит в том, что в присутствии ингибитора синтеза белка антибиотика хлорамфеникола (опосредо­ванно ингибирующего репликацию хозяйской хромосомы) ее число в E.coli возрастает от 20-50 до 1000 молекул на клетку, что позволяет получать большие количества клонируемого гена. При конструирова­нии вектора pBR322 из исходных плазмид был делегирован целый ряд «лишних» сайтов для рестриктаз.

В настоящее время наряду с множеством удобных векторных систем для E.coli сконструированы плазмидные векторы для ряда дру­гих грамотрицательных бактерий (в том числе таких промышленно важных, как Pseudomonas, Rhizobium и Azotobacter), грамположительных бактерий (Bacillus), низших грибов (дрожжи) и растений.

Плазмидные векторы удобны для клонирования относительно небольших фрагментов (до 10 тыс. пар оснований) геномов небольших размеров. Если же требуется получить клонотеку (или библиотеку) генов высших растений и животных, общая длина генома которых достигает огромных размеров, то обычные плазмидные векторы для этих целей непригодны. Проблему создания библиотек генов для высших эукариот удалось решить с использованием в качестве клонирующих векторов производных бактериофага l.

Среди фаговых векторов наиболее удобные системы были созда­ны на базе геномов бактериофагов l и М13 E.coli. ДНК этих фагов содержит протяженные области, которые можно делегировать или за­менить на чужеродную ДНК, не затрагивая их способности реплицироваться в клетках E.coli. При конструировании семейства векторов на базе ДНК l фага из нее сначала (путем делений коротких участков ДНК) были удалены многие сайты рестрикции из области, не сущест­венной для репликации ДНК, и оставлены такие сайты в области, предназначенной для встраивания чужеродной ДНК. В эту же область часто встраивают маркерные гены, позволяющие отличить рекомбинантную ДНК от исходного вектора. Такие векторы широко использу­ются для получения «библиотек генов». Раз­меры замещаемого фрагмента фаговой ДНК и соответственно встраи­ваемого участка чужеродной ДНК ограничены 15-17 тыс. нуклеотидных остатков, так как рекомбинантный фаго - вый геном, который на 10% больше или на 75% меньше генома дикого l фага, уже не может быть упакован в фаговые частицы.

Рисунок 1. Детальная рестрикционная карта плазмиды pBR322.

Таких ограничений теоретически не существует для векторов, сконструированных на базе нитчатого бактериофага М13. Описаны случаи, когда в геном этого фага была встроена чужеродная ДНК длиной около 40 тыс. нуклеотидных остатков. Известно, однако, что фаг М13 становится нестабильным, когда длина чужеродной ДНК пре­вышает 5 тыс. нуклеотидных остатков. Фактически же векторы, полу­ченные из ДНК фага М13, используются главным образом для секвенирования и мутагенеза генов, и размеры встраиваемых в них фрагментов намного меньше.

Эти векторы конструируются из реплекативной (двутяжевой) формы ДНК фага М13, в которую встроены «полилинкерные» участки (пример такой конструкции показан на рис. 5). В фаговую частицу ДНК включается в виде однотяжевой молекулы. Таким образом, этот вектор позволяет получать клонированный ген или его фрагмент как в двутяжевой, так и в однотяжевой форме. Однотяжевые формы рекомбинантных ДНК широко используются в настоящее время при опреде­лении нуклеотидной последовательности ДНК методом Сэнгера и для олигодезоксинуклеотид-направленного мутагенеза генов.

Перенос чужеродных генов в клетки животных осуществляется с помощью векторов, полученных из ДНК ряда хорошо изученных вирусов животных - SV40, некоторых аденовирусов, вируса папиломы быка, вируса оспы и так далее. Конструирование этих векторов проводится по стандартной схеме: удаление «лишних» сайтов для рестриктаз, введе­ние маркерных генов в области ДНК, не существенные для ее репликации (например, гена тимидин-киназы (tk) из HSV (вируса герпеса)), введение регуляторных районов, повышающих уровень экспрессии ге­нов.

Удобными оказались так называемые «челночные векторы», спо­собные реплицироваться как в клетках животных, так и в клетках бактерий. Их получают, сшивая друг с другом большие сегменты век­торов животных и бактерий (например, SV40 и pBR322) так, чтобы районы, ответственные за репликацию ДНК, остались незатронутыми. Это позволяет проводить основные операции по конструированию век­тора в бактериальной клетке (что технически намного проще), а затем полученную рекомбинантную ДНК использовать для клонирования генов в животной клетке.

Рисунок 2. Рестрикционная карта вектора М13 mp8.

2.3. Получение рекомбинантной ДНК.

Суть конструирования рекомбинантных ДНК заключается во встраивании фрагментов ДНК, среди которых находится интересую­щий нас участок ДНК, в так называемые векторные молекулы ДНК (или просто векторы) - плазмидные или вирусные ДНК, которые могут быть перенесены в клетки про- или эукариот и там автономно репли-цироваться. На следующем этапе проводится отбор тех клеток, кото­рые несут в себе рекомбинантные ДНК (с помощью маркерных призна­ков, которыми обладает сам вектор), и затем индивидуальных клонов с интересующим нас сегментом ДНК (используя признаки или пробы, специфичные для данного гена или участка ДНК).

При решении ряда научных и биотехнологических задач конст­руирование рекомбинантных ДНК требует также создания систем, в которых обеспечивается максимальная экспрессия клонируемого гена.

Существует три основных способа встраивания чужеродной ДНК в векторные молекулы. В первом случае 3"-концы фрагментов ДНК, среди которых находится интересующий нас участок ДНК (ген или его сегмент, регуляторный район), с помощью фермента терминальной нуклеотидилтрансферазы наращиваются гомополинуклеотидной последовательностью (например, поли (Т)). 3"-концы ли­нейной формы векторной ДНК тем же способом наращиваются комп­лементарной ей гомополинуклеотидной последовательностью (то есть по­ли (А)). Это позволяет соединить две молекулы ДНК путем комплемен­тарного спаривания искусственно полученных «липких» концов.

Во втором случае «липкие» концы создаются с помощью расщеп­ления молекул ДНК (как векторной, так и содержащей интересующий нас фрагмент) одной из эндонуклеаз рестрикции (рестриктаз). Рестриктазы характеризуются исключительно высокой специ­фичностью. Они «узнают» в ДНК последовательность из нескольких нуклеотидных остатков и расщепляют в них строго определенные межнуклеотидные связи. Поэтому даже в ДНК больших размеров рестриктазы вносят ограниченное число разрывов.

Третий способ представляет собой комбинацию двух первых, когда липкие концы ДНК, образованные рестриктазой, удлиняются синтетическими последовательностями (рис. 3).

Концы фрагментов ДНК можно превратить в «липкие», наращи­вая их двутяжевыми олигонуклеотидами («линкерами»), в состав кото­рых входит участок узнавания рестрикта-

Рисунок 3. Схема конструирования рекомбинантной ДНК с помощью рестриктаз PstI и поли(G)- поли(С)-линкера.

зой. Обработка такого фраг­мента данной рестриктазой делает его пригодным для встраивания в векторную молекулу ДНК, расщепленную той же рестриктаэой. Часто в качестве «линкера» применяются полинуклеотидные фрагменты, ко­торые содержат специфические участки сразу для нескольких рестриктаз (их называют «полилинкерами»).

После встраивания чужеродной ДНК в вектор их ковалентное сшивание осуществляется ДНК-лигазой. Если же размер бреши в рекомбинированной молекуле превышает одну фосфодиэфирную связь, она застраивается in vitro с помощью ДНК-полимеразы или in vivo с помощью репарирующих систем клетки.

2.4. Введение рекомбинантной ДНК в клетку – реципиент

Перенос рекомбинантных ДНК осуществляется путем трансформации или конъюгации. Трансформация – это процесс изменения генетических свойств клетки в результате проникновения в нее чужеродной ДНК. Впервые она была обнаружена у пневмококков Ф. Гиффитом, который показал, что некоторые клетки невирулентных штаммов бактерий при заражении ими мышей совместно с вирулентными штаммами приобретают патогенные свойства. В дальнейшем трансформация была продемонстрирована и изучена у различных видов бактерий. Установлено, что к трансформации способны лишь некоторые, так называемые «компетентные», клетки (способные включать чужеродную ДНК и синтезирующие особый трансформирующий белок). Компетентность клетки определяется также факторами внешней среды. Этому может способствовать обработка клеток полиэтиленгликолем или хлоридом кальция. После проникновения в клетку одна из нитей рекомбиантной ДНК деградирует, а другая за счет рекомбинации с гомологичным участком реципиентной ДНК может включиться в хромосому или внехромосомную единицу. Трансформация является наиболее универсальным способом передачи генетической информации и имеет наибольшее значение для генетических технологий.

Конъюгация – один из способов обмена генетического материала, при котором происходит однонаправленный перенос генетической информации от донора к реципиенту. Этот перенос находится под контролем особых конъюгативных плазмид (фактор фертильности). Перенос информации от донорской клетки в реципиентную осуществляется через специальные половые ворсинки (пили). Возможна передача информации и с помощью неконъюгативных плазмид при участии плазмид-помощниц.Передача всего набора генов вируса или фага, приводящая к развитию в клетке фаговых частиц, называется трансфекцией. Методика применительно к бактериальным клеткам включает получение сферопластов, очистку инкубационной среды от нуклеаз и добавление очищенной фаговой ДНК (присутствие протаминсульфата повышает эффективность трансфекции). Методика применима к животным и растительным клеткам с участием специальных челночных вирусных векторов.

3.

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

Задача изменения генома взрослого человека несколько сложнее, чем выведение новых генно-инженерных пород животных, поскольку в данном случае требуется изменить геном многочисленных клеток уже сформировавшегося организма, а не одной лишь яйцеклетки-зародыша. Для этого предлагается использовать вирусные частицы в качестве вектора. Вирусные частицы способны проникать в значительный процент клеток взрослого человека, встраивая в них свою наследственную информацию; возможно контролируемое размножение вирусных частиц в организме. При этом для уменьшения побочных эффектов учёные стараются избегать внедрения генно-инженерных ДНК в клетки половых органов, тем самым избегая воздействия на будущих потомков пациента. Также стоит отметить значительную критику этой технологии в СМИ: разработка генно-инженерных вирусов воспринимается многими как угроза для всего человечества.

С помощью генотерапии в будущем возможно изменение генома человека. В настоящее время эффективные методы изменения генома человека находятся на стадии разработки и испытаний на приматах. Долгое время генетическая инженерия обезьян сталкивалась с серьёзными трудностями, однако в 2009 году эксперименты увенчались успехом: в журнале Nature появилась публикация об успешном применении генно-инженерных вирусных векторов для исцеления взрослого самца обезьяны от дальтонизма. В этом же году дал потомство первый генетически модифицированный примат (выращенный из модифицированной яйцеклетки) - игрунка обыкновенная.

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. Ребёнок в результате наследует генотип от одного отца и двух матерей.

Однако возможность внесения более значительных изменений в геном человека сталкивается с рядом серьёзных этических проблем.

Заключение

В результате интенсивного развития методов генетической инженерии получены клоны множества генов рибосомальной, транспортной и 5S РНК, гистонов, глобина мыши, кролика, человека, коллагена, овальбумина, инсулина человека и др. пептидных гормонов, интерферона человека и прочее.

Это позволило создавать штаммы бактерий, производящих многие биологически активные вещества, используемые в медицине, сельском хозяйстве и микробиологической промышленности.

На основе генетической инженерии возникла отрасль фармацевтической промышленности, названная «индустрией ДНК». Это одна из современных ветвей биотехнологии.

Для лечебного применения допущен инсулин человека (хумулин), полученный посредством рекДНК. Кроме того, на основе многочисленных мутантов по отдельным генам, получаемых при их изучении, созданы высокоэффективные тест-системы для выявления генетической активности факторов среды, в том числе для выявления канцерогенных соединений.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА:

1) Бекиш О.-Я.Л. Медицинская биология. – Мн.: Ураджай, 2000. – с.114-119.

2) Мутовин Г.Р. Основы клинической генетики. – М.: Высшая школа, 1997. – с. 83-84.

3) Заяц Р.С. Основы медицинской генетики. – Мн.: Высшая школа, 1998. – с. 60-65.

4) biotechnolog.ru

План:

Введение.

1.Сущность генетической инженерии.

1.1. История генной инженерии

1.2. Понятие о генной инженерии

1.3. Цели и задачи генной инженерии

2. Этапы создания организмов с генетически измененной программой.

2.1. Выделение генов (естественных или синтезированных), содержащих необходимую информацию.

2.2. Подбор векторов (вирусы, плазмиды), способных к самостоятельной репликации в клетке реципиента.

2.3. Получение рекомбинантной ДНК.

2.4. Введение рекомбинантной ДНК в клетку - реципиент.

3.Применение генно-инженерных технологий в медицине.