Біотехнології та генетична інженерія

Відео: Біотехнології. Урок 10. Генна інженерія. Чи можна отримати рослини, які синтезують павутину?

Генетична (генна) інженерія - це розділ експериментальної молекулярної біології. Головним об`єктом генно-інженерного впливу є дезоксирибонуклеїнова кислота. Сутність генетичної інженерії полягає в цілеспрямованій розбудові генетичного апарату (геному) клітин для зміни їх генетичних характеристик. Найважливішими передумовами генетичної інженерії можна віднести такі відкриття. Були встановлені молекулярні механізми матричного синтезу: ДНК -gt; ДНК (реплікація), ДНК - »РНК (транскрипція), мРНК -gt; білок (трансляція), а також обміну генами у гомологічниххромосом при статевому процесі (рекомбінація).

Крім того, було показано, що а) віруси, що паразитують в бактеріях (фаги), вбудовують свою ДНК в геном бактерії, б) в бактеріях, несприйнятливих до зараження фагами, містяться спеціальні ферменти, які розрізають подвійніспіралі фагових ДНК в суворо визначених місцях. Ці ферменти були названі рестріктазамі. В даний час отримані сотні рестриктаз. В основу їх класифікації покладено потребу ферменту в кофакторами і характер розщеплення ДНК.

Наступне важливе відкриття, яка визначила виникнення генетичної інженерії, - виявлення в бактеріальних клітинах позахромосомних маленьких кільцевих молекул ДНК, які, так само як і хромосомні ДНК, несуть в собі генетичну інформацію. Ці мініхромосоми були названі плазмидами. Дуже важливо, що плазміди через своїх маленьких розмірів можуть бути виділені із клітки в непошкодженому стані.

Процес рекомбінації в організмі (in vivo) можливий в більшості випадків між гомологічними молекулами ДНК. Однак поза організмом (in vitro) притягання і взаємодія (гібридизація) молекул ДНК можливі, якщо вони будуть мати невеликі комплементарні односпіральной ділянки з чотирьох і більше нуклеотидів на кінцях молекули.

Такі ділянки отримали назву липких кінців, так як дві молекули ДНК можуть з`єднатися цими кінцями. Отже, рекомбінація можлива, навіть якщо структура молекул ДНК буде дуже сильно відрізнятися. Для отримання гетерогенних молекул ДНК з однаковими липкими кінцями використовуються ферментирестріктази. Вони розрізають молекули ДНК в ділянках, які несуть повторювані послідовності нуклеотидів.

Оскільки рестріктази розрізають ДНК в точках повтору, кінець однієї молекули виявляється комплементарних (липким) кінцем іншої молекули. У подальших операціях використовують плазміди. Для отримання односпіральной решт, комплементарних кінців генів, їх теж ріжуть рестріктазамі і проводять гібридизацію гена і плазміди в пробірці. Потім рекомбинантную або химерну плазмиду вводять в клітину (рис.11). Використовуються в генній інженерії плазміди мають маркерний ген, який робить клітину стійкою до певного антибіотику, що сприяє відділенню клітин з рекомбінантної плазміди від інших клітин.


Для цього бактерії висівають на середовище з антибіотиком, на якій ростуть тільки клітини з плазмидой (рекомбінантні клітини). Процедура їх відбору називається молекулярним клонуванням, так як рекомбінантні клітини є потомство однієї молекули. Таким чином, в бактеріальну клітину можна ввести ген, отриманий з будь-якого організму, і змусити чужорідний ген там функціонувати.

Отже, основними операціями генної інженерії є наступні:
1) рекомбінація in vitro ДНК-вектора і ДНК-гена;
2) введення рекомбінантної плазміди в клітку;
3) молекулярне клонування.

Видатні досягнення генної інженерії знайшли численні практичні застосування, особливо в медицині і рослинництві. Серед найбільш значних досягнень - отримання людського інсуліну в промислових масштабах. Цей білок відноситься до гормонів, тобто до речовин, що грають роль сигналів, що посилаються в певних фізіологічних станах організму до відповідних органів - мішеней. Інсулін виробляється підшлунковою залозою і сприяє засвоєнню вуглеводів, в першу чергу глюкози.

Порушення в синтезі інсуліну викликають важке і дуже поширене захворювання - цукровий діабет, при розвинених формах якого необхідно щодня вводити в організм цей гормон. Інсулін давно отримують з органів тварин і використовують в медицині. Однак тривале застосування тваринного інсуліну призводить до необоротного ураження багатьох органів пацієнта через імунологічних реакцій, що викликаються ін`єкцією чужорідного людському організму білка.

Необхідно замінити тваринний інсулін людським. У якості першої практичної задачі було вирішено клонувати ген інсуліну. Клоновані гени людського інсуліну були введені з плазмидой в бактеріальну клітину, де синтезировался гормон, який природні мікроорганізми ніколи не синтезували. Таким чином була вирішена проблема отримання людського інсуліну. Паралельно була вирішена проблема імунологічного ураження організму тваринним інсуліном.

Виробництво і продаж інсуліну вперше почала американська фірма Eh Lilly. Щорічне споживання його становить близько 2500 кг Генно-інженерними методами отримують також інші важливі медичні препарати - інтерферон, що використовується при лікуванні різних вірусних захворюванні і злоякісних новоутворень, і протираковий препарат інтерлеікін. В даний час близько 200 нових діагностичних препаратів уже введені в медичну практику, і більше 100 генно-інженерних лікарських речовин знаходяться на стадії клінічного вивчення.

Особливою проблемою, що викликає численні суперечки і часто полярні судження, є клонування людини. Слід розрізняти клонування людини в репродуктивних цілях і терапевтичне клонування. Репродуктивне клонування фактично скрізь заборонено, так як, на думку більшості людей, суперечить моральним нормам.

На відміну від цього, роботи по терапевтичному клонуванню проводяться в ряді країн. Так, в травні 2005 р британські вчені оголосили про успішне клонування людського ембріона. Вчені університету Ньюкасла взяли яйцеклітини від 11 жінок, видалили з них генетичний матеріал і ввели ДНК, отримані з ембріональних стовбурових клітин (стовбуровими називаються незрілі клітини, здатні до самооновлення і розвитку в спеціалізовані клітини організму). Метою цієї роботи було отримання ембріонів, які можуть стати джерелом стовбурових клітин для лікувальних цілей. У цьому ж місяці про успішне завершення схожого експерименту оголосили також південно-корейські вчені. Слід зазначити, однак, що лікування стовбуровими клітинами знаходиться лише на початковій стадії і дуже багато ще належить зробити.

Однією з головних проблем людства є забезпечення нормального збалансованого харчування. Вирішення цієї проблеми неможливе без істотного збільшення врожайності основних сільськогосподарських культур, підвищення їх стійкості до хвороб і різних екстремальних впливів. Великі надії тут покладаються на генну інженерію. В даний час розроблена система перенесення в рослини різних чужих генів, які можуть надати рослинам корисні властивості.

Рослини, в хромосому яких вбудовується чужий ген, називаються трансгенними або генетично модифікованими (ГМ). Вперше трансгенні рослини були отримані в 1982 р вченими з Інституту рослинництва в Кельні і компанії Monsanto. Список рослин, до яких з успіхом застосовані методи генної інженерії, становить близько 50 видів, включаючи яблуню, сливу, виноград капусту баклажани, огірок, пшеницю, сою, рис, жито і багато інших сільськогосподарські рослини.

Необхідно підкреслити, однак, що поки не повністю вирішені проблеми, пов`язані з безпекою вживання в їжу продуктів отриманих з трансгенних рослин. У зв`язку з цим в нашій країні вирощування трансгенних рослин досі не дозволено. У той же час дозволяється ввозити, переробляти, використовувати в продуктах харчування або кормах кілька видів генетично модифікованих рослин і продуктів їх переробки, які пройшли відповідну процедуру реєстрації та контролю на території РФ.

На момент написання даного посібника в Федеральному Реєстрі РФ зареєстровано 12 генетично модифікованих джерел їжі, що випускаються в світі в промислових масштабах: соя (3 види) рис (1 вид), кукурудза (6 видів), картопля (2 види). З них найбільше поширення отримав один з видів сої. Всі види генетично модифікованих рослині, зареєстрованих в нашій країні, мають тільки додатковими ознаками резистентності до певних видів хімікатів і шкідників, тому продукти переробки цих рослин за своїм хімічним складом і функціонально-технологічними властивостями нічим не відрізняються від своїх традиційних аналогів.

Для ГМ рослин, зареєстрованих в нашій країні для харчового використання, і для продуктів їх переробки, не існує ніяких обмежень і норм введення в продукти харчування. Технологія переробки таких рослин, а також використання продуктів їх переробки нічим не відрізняється від традиційних. Окреме питання - маркування продуктів харчування, отриманих з генетично модифікованих джерел (ГМД). З 1 червня 2004 року в відповідно до Постанови № 8 від 05.03.2004 р

Головного санітарного лікаря Російської Федерації в санітарно-епідеміологічні правила і норми внесені зміни, які встановлюють 0,9% пороговий рівень для маркування харчових продуктів, отриманих з ГМІ. Ця постанова підготовлено з метою реалізації прав споживачів на отримання повної і достовірної інформації про технології виробництва, якість та безпеку харчових продуктів, отриманих з генетично модифікованих джерел, гармонізації вимог щодо маркування харчових продуктів, отриманих з ГМІ, з вимогами Європейського Союзу.

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