Генная инженерия
Генная, или
генетическая инженерия (genetic engineering, genetic modification technology) –
это
совокупность биотехнологических методов, позволяющих
создавать синтетические системы на молекулярно-биологическом уровне
Генная
инженерия дает возможность конструировать функционально активные структуры в
форме рекомбинантных нуклеиновых кислот: рекДНК (recDNA) или рекРНК (recRNA) – вне биологических систем (in vitro), а затем вводить их в клетки.
Возможность
прямой (горизонтальной) передачи генетической информации от одного
биологического вида другому была доказана в опытах Ф. Гриффита
с пневмококками (1928).
Однако
генная инженерия как технология рекДНК возникла в
1972 г., когда в лаборатории П. Берга (Станфордский
ун-т, США) была получена первая рекомбинантная
(гибридная) ДНК (рекДНК), в которой были соединены
фрагменты ДНК фага лямбда и кишечной палочки с кольцевой ДНК обезьяньего вируса
SV40.
С
начала 1980-х гг. достижения генной инженерии начинают использоваться на
практике.
С
1996 г. генетически модифицированные растения (genetic modified plants) начинают
использоваться в сельском хозяйстве.
Задачи генной инженерии
Основные направления генетической модификации
организмов:
– придание устойчивости к ядохимикатам (например, к
определенным гербицидам);
– придание устойчивости к вредителям и болезням
(например, Bt-модификация);
– повышение продуктивности (например, быстрый рост
трансгенного лосося);
– придание особых качеств (например, изменение
химического состава).
Методы генной инженерии
Методы генной инженерии основаны на получении
фрагментов исходной ДНК и их модификации.
Для получения исходных фрагментов ДНК разных
организмов используется несколько способов:
– Получение фрагментов ДНК из природного материала путем
разрезания исходной ДНК с помощью специфических нуклеаз (рестриктаз).
– Прямой химический синтез ДНК, например, для создания
зондов.
– Синтез комплементарной ДНК
(кДНК) на матрице мРНК с использованием фермента обратной транскриптазы (ревертазы).
Выделенные участки ДНК встраивают в векторы
переноса ДНК. Векторы ДНК – это небольшие молекулы ДНК, способные проникать
в другие клетки и реплицироваться в них.
В состав вектора ДНК входит не менее трех групп генов:
1. Целевые гены, которые интересуют экспериментатора.
2. Гены, отвечающие за репликацию вектора, его
интеграцию в ДНК клетки-хозяина и экспрессию требуемых генов.
3. Гены-маркеры (селективные, репортерные
гены), по деятельности которых можно судить об успешности трансформации (например,
гены устойчивости к антибиотикам или гены, отвечающие за синтез белков,
светящихся в ультрафиолетовом свете).
Для внедрения векторов в прокариотические или
эукариотические клетки используют различные способы, например:
1. Биотрансформация. Используются векторы, способные сами
проникать в клетки. Частным случаем биотрансформации
является агробактериальная трансформация.
2. Микроинъекции. Используются, если клетки,
подлежащие трансформации, достаточно крупные (например, икринки, пыльцевые
трубки).
3. Биобаллистика (биолистика). Векторы «вбивают» в клетки с помощью
специальных «пушек».
4. Комбинированные методы, например, сочетание агробактериальной трансформации и биолистики.
В качестве векторов часто используют плазмиды
(кольцевые молекулы ДНК прокариотических клеток), а также ДНК вирусов. У эукариот в качестве векторов
используют мобильные генетические элементы – участки хромосом, способные
образовывать множество копий и встраиваться в другие хромосомы. В составе
одного вектора можно комбинировать различные фрагменты ДНК (различные гены).
Вновь образованные фрагменты ДНК называют рекомбинантными.
Векторы переноса ДНК вместе с внедренными фрагментами
ДНК различными способами вводят в прокариотические или эукариотические клетки и
получают трансгенные клетки. В ходе размножения трансгенных клеток
происходит клонирование требуемых фрагментов ДНК, в частности, отдельных
генов. Клонированные гены эукариот подвергают различным модификациям (например,
добавляют перед ними определенные промоторы) и внедряют в клетки-продуценты.
Основная проблема состоит в том, чтобы чужеродные гены экспрессировались
постоянно, то есть должен происходить синтез необходимых веществ без ущерба для
клетки–хозяина.
Практические достижения современной генной инженерии
заключаются в следующем:
– Созданы банки генов, или клонотеки,
представляющие собой коллекции клонов бактерий. Каждый из этих клонов содержит
фрагменты ДНК определенного организма (дрозофилы, человека и других).
– На основе трансформированных штаммов вирусов,
бактерий и дрожжей осуществляется промышленное производство инсулина,
интерферона, гормональных препаратов. На стадии испытаний находится
производство белков, позволяющих сохранить свертываемость крови при гемофилии,
и других лекарственных препаратов.
– Созданы трансгенные высшие организмы (многие
растения, некоторые рыбы и млекопитающие) в клетках которых успешно
функционируют гены совершенно других организмов. Широко
известны генетически защищенные генно-модифицированные
растения (ГМР), устойчивые к высоких дозам определенных гербицидов, а также Bt-модифицированные растения, устойчивые
к вредителям. Среди трансгенных растений лидирующие позиции занимают: соя, кукуруза, хлопок, рапс.
Эколого-генетические
риски ГМ-технологий
Генная инженерия относится к технологиям высокого
уровня (high technology).
В противоположность технологиям низкого уровня, высокие биотехнологии
характеризуются высокой наукоемкостью, т.е. использованием рабочих систем,
полученных с использованием самых современных методов экологии, генетики,
микробиологии, цитологии, молекулярной биологии. Материалы, применяемые в
высоких биотехнологиях, часто нуждаются в специальной подготовке. Для
реализации таких технологий требуется специальное технологическое оборудование,
обслуживаемое квалифицированными специалистами. Из-за нехватки таких
специалистов расширение высокотехнологичного производства сопровождается его
автоматизацией и компьютеризацией.
ГМ-технологии (GM-technology)
используются как в рамках обычного сельскохозяйственного производства, так и в
других областях человеческой деятельности: в здравоохранении, в промышленности,
в различных областях науки, при планировании и проведении природоохранных
мероприятий.
Любые технологии высокого уровня могут быть опасными
для человека и окружающей его среды, поскольку последствия их применения
непредсказуемы. Поэтому технологии генной инженерии (GM-technology)
вызывают у населения вполне понятное недоверие.
Для снижения вероятности неблагоприятных
эколого-генетических последствий применения генно-инженерных технологий
постоянно разрабатываются новые подходы. Например, трансгенез
(внедрение в геном генетически
модифицируемого организма чужеродных генов) в ближайшем будущем может
быть вытеснен цисгенезом (внедрение в геном генетически модифицируемого
организма генов этого же или близкородственного вида).
© Афонин Алексей Алексеевич
Доктор с.-х. наук, профессор Брянского государственного университета
Зав. лабораторией популяционной цитогенетики НИИ ФиПИ БГУ
главная страница сайта ОБЩАЯ И ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯ http://afonin-59-bio.narod.ru
e-mail: afonin.salix@gmail.com
дополнительные web-ресурсы
http://afonin-59-salix.narod.ru
последнее обновление страницы 13.09.2012
