Человек результат генной инженерии. Доклад: Генная инженерия - настоящее и будущее

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.

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.

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.

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.

БИОЛОГИЯ, ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

И БИОТЕХНОЛОГИЯ

«Познание определяется тем,

что утверждается нами

как Истина»

П. А. ФЛОРЕНСКИЙ.

Современная биология коренным образом отличается от традиционной биологии не только большей глубиной разработки познавательных идей, но и более тесной связью с жизнью общества, с практикой. Можно сказать, что в наше время биология стала средством преобразования живого мира с целью удовлетворения материальных потребностей общества. Это заключение иллюстрируется прежде всего тесной связью биологии с биотехнологией, которая стала важнейшей областью материального производства, равноправным партнером механической и химической технологий, созданных человеком ранее. Чем же объясняется взлет биотехнологии?

С момента своего возникновения биология и биотехнология всегда развивались совместно, причем с самого начала биология была научной основой биотехнологии. Однако длительное время недостаток собственных данных не позволял биологии оказывать очень большое влияние на биотехнологию. Положение резко изменилось с созданием во второй половине XX в. методологии генетической инженерии, под которой понимают генетическое манипулирование с целью "конструкции новых и реконструкции существующих генотипов. Являясь по своей природе методическим достижением, генетическая инженерия не привела к ломке сложившихся представлений о биологических явлениях, не затронула основных положений биологии подобно тому, как радиоастрономия не поколебала основных положений астрофизики, установление «механического эквивалента тепла» не привело к изменению законов теплопроводности, а доказательство атомистической теории вещества не изменило соотношений термодинамики, гидродинамики и теории упругости.

Генетическая инженерия открыла новую эру в биологии по той причине, что появились новые возможности для проникновения в глубь биологических явлений с целью дальнейшей характеристики форм существования живой материи, с целью более эффективного изучения структуры и функции генов на молекулярном уровне, понимания тонких механизмов работы генетического аппарата. Успехи генетической инженерии означают переворот в современном естествознании. Они определяют критерии ценности современных представлений о структурно-функциональных особенностях молекулярного и клеточного уровней живой материи. Современные данные о живом имеют гигантское познавательное значение, ибо обеспечивают понимание одной из важнейших сторон органического мира и тем самым вносят неоценимый вклад в создание научной картины мира. Таким образом, резко расширив свою познавательную базу, биология через генетическую инженерию оказала также ведущее влияние на подъем биотехнологии.

Генетическая инженерия создает заделы на пути познания способов и путей «конструирования» новых организмов или улучшения существующих организмов, придавая им большую хозяйственную ценность, большую способность резкого увеличения продуктивности биотехнологических процессов.

В рамках генетической инженерии различают генную инженерию и клеточную инженерию. Под генной инженерией понимают манипуляции с целью создания рекомбинантных молекул ДНК. Часто эту методологию называют молекулярным клонированием, клонированием генов, технологией рекомбинантных ДНК или просто генетическими манипуляциями. Важно подчеркнуть, что объектом генной инженерии являются молекулы ДНК, отдельные гены. Напротив, под клеточной инженерией понимают генетические манипуляции с изолированными отдельными клетками или группами клеток растений и животных.

Глава XIX

ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

Генную инженерию составляет совокупность различных экспериментальных приемов (методик), обеспечивающих конструкцию (реконструкцию) и клонирование молекул ДНК (генов) с заданными целями.

Методы генной инженерии используют в определенной последовательности (рис. 221), причем различают несколько стадий в выполнении типичного генно-инженерного эксперимента, направленного на клонирование какого-либо гена, а именно:

1. Выделение ДНК из клеток интересующего организма (исходного) и выделение ДНК-вектора.

2. Разрезание (рестрикция) ДНК исходного организма на фрагменты, содержащие интересующие гены, с помощью одного из ферментов-рестриктаз и выделение этих генов из образованной рестрикционной смеси. Одновременно разрезают (рестрикциируют) векторную ДНК, превращая ее из кольцевой структуры в линейную.

3. Смыкание интересующего сегмента ДНК (гена) с ДНК вектора с целью получения гибридных молекул ДНК.

4. Введение гибридных молекул ДНК путем трансформации в какой-либо другой организм, например, в Е. coli или в соматические клетки.

5. Высев бактерий, в которые вводили гибридные молекулы ДНК, на питательные среды, позволяющие рост только клеток, содержащих гибридные молекулы ДНК.

6. Идентификация колоний, состоящих из бактерий, содержащих гибридные молекулы ДНК.

7. Выделение клонированной ДНК (клонированных генов) и ее характеристика, включая секвенирование азотистых оснований в клонированном фрагменте ДНК.

ДНК (исходная и векторная), ферменты, клетки, в которых клонируют ДНК - все это называют «инструментами» генной инженерии.

Выделение ДНК

Рассмотрим методику выделения ДНК на примере ДНК плаз-мид. ДНК из плазмидосодержащих бактериальных клеток выделяют с помощью традиционной техники, заключающейся в получении клеточных экстрактов в присутствии детергентов и последующем удалении из экстрактов белков фенольной экстракцией (рис. 222). Полная очистка плазмидной ДНК от белков, РНК и других соединений проводится в несколько стадий. После того как клетки разрушены, например, с помощью лизоцима (растворены их стенки), к экстракту добавляют детергент, чтобы растворить мембраны и инактивировать некоторые белки. Большинство хромосомной ДНК удаляют из получаемых препаратов обычным центрифугированием.

Часто для полной очистки используют хроматографию. Если требуется очень тщательная очистка, используют высокоскоростное центрифугирование в градиенте плотности CsCI с использованием этидия бромида. Оставшаяся хромосомная ДНК будет фрагментирована в линейную, тогда как плазмидная ДНК останется ковалентно закрытой. Поскольку этидий бромид менее плотен, чем ДНК, то при ультрацентрифугировании в центрифужной пробирке будет «выкручиваться» два кольца - плазмидная ДНК и хромосомная ДНК (рис. 223). Плазмидную ДНК отбирают для дальнейшей работы, хромосомную ДНК выбрасывают.

Генетическая инженерия и современная биотехнология возникли в результате развития микробиологии, генетики и биохимии. Достижения молекулярной биологии, молекулярной генетики, биологии клетки, а также вновь открытые эксперимен-тальные методы и новое оборудование обеспечили немыслимые темпы развития генетической инженерии и биотехнологии.

Цель генной инженерии

Целью генной инженерии является изменение строения генов, их расположения в хромосоме и регулирование их деятельности в со-ответствии с потребностями человека. Для достижения этой цели применяются различные методы, позволяющие осуществлять в про-мышленных масштабах производство белков, создавать новые сорта растений и породы животных, наиболее отвечающие требованиям, диагностировать и лечить различные инфекционные и наследствен-ные болезни человека.

Объектами исследования генетической инженерии являются вирусы, бактерии, грибы , животные (в том числе организм человека) и растительные клетки. После очищения молекулы ДНК этих живых существ от других веществ клетки материальные различия между ними исчезают. Очищенная молекула ДНК может быть расщеплена с помощью энзимов на специфические отрезки, которые затем при необходимости можно с помощью сшивающих энзимов соединить между собой. Современные методы генетической инженерии позволяют размножать любой отрезок ДНК или заменять любой нуклеотид в цепи ДНК другим. Разумеется, эти успехи достигнуты в результате последовательного изучения закономерностей наследственности.

Генетическая инженерия (генная инженерия) возникла в результате открытия энзимов, специфическим образом разделяющих материальную основу наследственности — молекулу ДНК на отрезки и соединяющих эти отрезки концами друг с другом, а также электрофоретического метода, позволяющего с высокой точностью разделять по длине отрезки ДНК. Создание методов и оборудования для определения специфической последовательности нуклеотидов, образующих молекулу ДНК, а также для автоматического синтеза любого желаемого отрезка ДНК обеспечило развитие генетической инженерии быстрыми темпами.

Развитию у учёных стремления управлять наследст-венностью способствовали доказательства, свидетельствующие о том, что основу наследственности всех растений и животных составляет молекула ДНК, что бактерии и фаги также подчиняются законам наследст-венности, что мутационный процесс является общим для всех живых существ и может регулироваться экспериментальными методами.

Луи Пас-тер

Вели-кий французский учёный Луи Пас-тер, разработав метод получения клонов, первым показал, что бак-терии разнообразны, обладают нас-ледственностью и их свойства тесно связаны с последней (рис. 1, 2).

Туорт и Д’Эррель

В 1915 г. Туорт и Д’Эррель доказали, что фаги (фаги — вирусы, размножающиеся в бактериях), самопроизвольно размножаясь внутри бактерий, могут их уничтожить. Микробиологи возлагали надежды на использование фагов против микробов — возбудителей опасных инфекционных заболеваний. Однако бактерии обладают устойчивостью к фагам вследствие само-произвольных спонтанных мутаций. Наследование этих мутаций предохраняет бактерии от уничтожения со стороны фагов.

Размножаясь внутри клетки, вирусы и фаги могут погубить её или, внедрившись в геном клетки, изменить её наследственность. Для изменения наследственности организма широко используются процессы трансформации и трансдукции .

Джошуа и Эстер Ледерберги

В 1952 г. Джошуа и Эстер Ледерберги, используя метод копирования (репликации) колоний бактерий, до-казали существование самопроиз-вольных мутаций в бактериях (рис. 3). Они разработали метод, позволяющий выделять мутантные клетки с помощью репликации. Под влиянием внешней среды частота мутаций возрастает. Специальные методы позволяют увидеть невооружённым глазом клоны новых штаммов , образовавшихся в результате мутаций.

Метод репликации колоний бактерий осуществляется следующим образом. Стерилизованную бархатную ткань натягивают на поверхность деревянного приспособления и прик-ладывают к колонии бактерий, рас-тущих на поверхности чашки Петри, предназначенной для пересадки реп-лик. Затем колонии переносят в чистую чашку Петри с искусствен-ной питательной средой . Материал с сайта

Этапы генной инженерии

Генная инженерия осуществляется в несколько этапов.

Определяют ген, представляющий интерес по его функциям, затем его выделяют, клонируют и изучают его структуру.
Выделенный ген соединяют (рекомбинируют) с ДНК какого-нибудь фага, транспозона или плазмиды , имеющей способность рекомбинироваться с хромосомой, и таким путём создают век-торную конструкцию.
Векторную конструкцию встраивают в клетку (транс¬формация) и получают трансгенную клетку.
Из трансгенной клетки в искусственных условиях можно полу¬чить зрелые организмы.

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 генноинженерных 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 генноинженерных ДНК в клетки половых органов, тем самым избегая воздействия на будущих потомков пациента. Также стоит отметить значительную критику этой технологии в СМИ: разработка генноинженерных 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 генноинженерных вирусных векторов для излечения 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.

_____________________________________________________________________________________________

Генетическая инжене́рия (генная инженерия)

Это совокупность приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организма (клеток), осуществления манипуляций с генами и введения их в другие организмы.

Генетическая инженерия не является наукой в широком смысле, но является инструментом биотехнологии , используя методы таких биологических наук, как молекулярная и клеточная биология, цитология, генетика, микробиология, вирусология.

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

Генная инженерия - это область биотехнологий, включающая в себя действия по перестройке генотипов. Уже сегодня генная инженерия позволяет включать и выключать отдельные гены, контролируя таким образом деятельность организмов, а также - переносить генетические инструкции из одного организма в другой, в том числе – организмы другого вида. По мере того, как генетики всё больше узнают о работе генов и белков, всё более реальной становится возможность произвольным образом программировать генотип (прежде всего, человеческий), с лёгкостью достигая любых результатов: таких, как устойчивость к радиации, способность жить под водой, способность к регенерации повреждённых органов и даже бессмертие.