Генетическая инженерия животных кратко

Обновлено: 07.07.2024

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.

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.

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, В₃, В₁₃, и др.), чем исходные формы.

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.

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

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 (технология рекомбинантных ДНК, молекулярной клонирование) — современное направление биотехнологии, объединяющее знания, приемы, методики комплекса смежных наук, в частности генетики, химии, биологии. С их помощью удается выделить необходимый ген из генома, перенести этот генетический материал из одного организма в другой с целью получения новых полезных для человека наследственных свойств.

Обычно этот термин связывают с клонированием генов, молекулярным клонированием, технологией рекомбинантных ДНК либо генетическими манипуляциями.

Генную инженерию можно определить как систему экспериментальных приемов, манипуляций, которые с помощью молекулярной биологии позволяют лабораторным путем создать искусственные генетические детерминанты в виде рекомбинантных (измененных) молекул ДНК. Таким образом, благодаря генной инженерии можно целенаправленно конструировать новые биологические объекты.

Характерной чертой генной инженерии является то, что лабораторное воспроизведение некоторых ключевых генетических процессов осуществляется на молекулярном уровне (уровне клетки и молекул). Внедрение в клетку новой генетической информации в виде рекомбинантных молекул ДНК изменяет ее фенотип и генотип, в результате чего экспериментатор получает измененный в соответствии с поставленной целью микроорганизм.

В генах содержится информация, позволяющая синтезировать в организме молекулы РНК и белки, в том числе ферменты. Для того чтобы заставить клетку образовывать новые, неизвестные ей вещества, в ней должны синтезироваться соответствующие наборы ферментов. Для этого нужно целенаправленно изменить находящиеся в ней гены либо внедрить в нее новые, ранее отсутствовавшие.

Изменения генов в живых клетках называют мутациями. Они могут происходить под действием, например, мутагенов — химических излучений или ядов.

Генно-модифицированный организм (ГМО) — это организм, генотип которого был искусственно изменен при помощи генно-инженерных методов.

Генно-инженерные методы направлены на конструирование новых, не существующих в природе сочетаний генов. В результате их использования можно получать рекомбинантные, то есть модифицированные молекулы ДНК и РНК.

С этой целью выделяют отдельные гены (кодирующие необходимый продукт) из клеток какого-то организма и внедряют их в другие организмы: дрожжи, бактерии, млекопитающие. Получив новые гены, они смогут синтезировать конечные продукты с измененными свойствами, необходимыми человеку.

Генная инженерия широко используется во многих сферах человеческой жизни с целью наделения живых организмов желательными свойствами, которыми они не обладали ранее, комбинируя имеющийся генетический материал, удаляя старые или синтезируя новые гены.

На основе генной инженерии сформировалась одна из современных ветвей биотехнологии — отрасль фармацевтической промышленности.

История развития, зачем нужно вмешиваться

Основы классической генетики были заложены в середине XIX В. Так, в 1865 г. чешско-австрийский биолог Грегор Мендель раскрыл принципы передачи наследственных признаков от родительских организмов к их потомкам на примере растений. К сожалению его эксперименты не получили заслуженного признания, и только в 1900 г. Хуго де Фриз, а также другие европейские ученые независимо друг от друга вновь открыли законы наследственности.

Одновременно с этим происходило формирование знаний о ДНК:

Швейцарский биолог Фридрих Мишер в 1869 г. открыл факт существования макромолекулы.
Американский биолог Томас Морган в 1910 г., основываясь на характере наследования у дрозофил, обнаружил, что на хромосомах гены расположены линейно и образуют группы сцепления.
Эйвери Мак Леод и Мак Карти в 1944 г. показали, что именно ДНК является носителем наследственной информации.
Американец Джон Уотсон и британец Фрэнсис Крик в 1953 г. сделали важнейшее открытие, определив молекулярную структуру ДНК — двойную спираль.

В конце 1960-х гг. происходит активное развитие генетики, а важными объектами ее изучения становятся плазмиды и вирусы. Ученые разработали методы выделения высокоочищенных препаратов неповрежденных молекул ДНК, вирусов и плазмид, а в 1970-х г.г. открыли ряд ферментов, катализирующих реакции превращения ДНК.

Как отдельное направление исследовательской работы генная инженерия зародилась в США в 1972 г., когда в Стэнфордском университете ученые Стэнли Норман Коэн, Пол Берг, Герберт Бойер со своей научной группой смогли создать первую рекомбинантную ДНК, внедрив новый ген в бактерии кишечной палочки (E. coli).

В 1980-х гг. американский биохимик Кэри Маллис (будущий лауреат Нобелевской премии по химии) впервые разработал технику ПЦР. Он обнаружил фермент, участвующий в репликации ДНК — ДНК-полимеразу. Этот специфический фермент буквально считывает отрезки цепи нуклеотидов молекулы и использует их как шаблон для дальнейшего копирования генетической информации.

В 1987 г. впервые были проведены полевые испытания генетически модифицированных сельскохозяйственных растений. В итоге вывели устойчивый к вирусным инфекциям сорт помидор.

В 1996 произошел прорыв в истории развития генной инженерии, так как на свет появилась овца Долли — первое клонированное млекопитающее методом пересадки ядра соматической клетки в цитоплазму яйцеклетки. Благодаря этому революционному достижению в генной инженерии впервые стало возможным серьезно относиться к клонированию и выращиванию живых организмов на основе молекул.

Можно выделить 3 стадии в развитии генной инженерии:

Выдвижение гипотезы и доказывание принципиальной возможности получения рекомбинантных молекул ДНК in vitro (в пробирке). Начался этап формирования гибридов между различными плазмидами.
Начало работ по получению рекомбинантных молекул ДНК между хромосомными генами прокариот и различными плазмидами. В ходе исследований была доказана их реальная жизнеспособность, стабильность, адаптация к окружающей среде.
Экспериментальные исследования по внедрению в векторные молекулы ДНК (то есть молекулы, способные переносить генетический код и встраиваться в генетическую структуру клетки-реципиента) генов эукариот. В основном использовались гены животных.

В настоящее время генная инженерия развивается как экспериментальная наука, с помощью которой многие люди избавляются от различных заболеваний, создаются новые сорта растений и т. д.

Какие задачи стоят перед ней

Основными задачами генной инженерии являются:

Конструирование рекомбинантных ДНК, способных придать клеткам-реципиентам полезные для человечества свойства (синтезирование пищевого и коровьего белка).
Создание и применение генно-инженерных штаммов бактерий, животных и человека для культивирования вирусов с целью получения вакцин, сывороток, диагностических препаратов, лекарственных средств.
Создание трансгенных животных.
Получение трансгенных растений с желаемыми свойствами.
Разработка методов генной терапии человека.

получение изолированного гена путем синтеза либо выделения из клеток;
создание рекомбинантных молекул ДНК, состоящих из фрагментов молекул ДНК, полученных от разных организмов;
клонирование генов или генетических структур;
внедрение гена в вектор для переноса в организм;
перенос вектора с геном в модифицируемый организм и синтез чужеродного белка;
преобразование клеток организма;
отбор генетически модифицированных организмов (ГМО) и устранение неудачных вариантов.

Виды, сферы применения генной инженерии

Человек использует генную инженерию для получения трансгенных растений и животных, генной терапии наследственных заболеваний, производства лекарственных препаратов, вакцин, гормонов и т. д.

В настоящее время генная инженерия широко распространена в отраслях народного хозяйства: фармакологической, микробиологической, пищевой промышленности, в сельском хозяйстве.

В медицине:

Разработка с помощью синтезированных генов интерферонов — белков, вырабатываемых организмом в ответ на вирусную инфекцию, а также гормонов. Ученые рассматривают возможность использования интерферонов в качестве средства лечения от СПИДа и рака. Массовое производство этого полезного белка очень эффективно, ведь всего один литр бактериальной культуры дает столько интерферона, сколько добывают из тысяч литров человеческой крови.
Производство в промышленных масштабах путем использования генномодифицированных бактерий инсулина, необходимого для лечения сахарного диабета.
Используя рекомбинантную ДНК, получение человеческого гормона роста — единственного лекарства от гипофизарной карликовости (редкого детского заболевания).
Клинические испытания около 200 новых диагностических препаратов (генных, а не белковых), а также более 100 лекарственных веществ.

С помощью генно-инженерных методов создали ряд вакцин, которые сейчас проходят испытания по проверке их эффективности против ВИЧ — вируса иммунодефицита человека, вызывающего СПИД.

В настоящее время интенсивно развивается и генная терапия. Так, для борьбы со злокачественными опухолями в организм вводят сконструированную копию гена, который кодирует мощный противоопухолевый фермент.

Важным направлением генной инженерии является обеспечение больных людей органами для пересадки. Например, трансгенная свинья, может стать донором сердца, почек, печени, сосудов и кожи для людей, так как по размерам внутренних органов и физиологии она наиболее близка к человеку.

В сельском хозяйстве:

Главными задачами являются:

выведение устойчивых к вирусам видов животных и растений, сельскохозяйственных культур;
защита растений от насекомых-вредителей;
уменьшение интенсивности обработки полей пестицидами и т. д;
увеличение витаминов и полезных веществ в зерновых культурах;
улучшение качества и вкуса пищи;
получение дизельного топлива из животных и растительных жиров;
решение экологических проблем — например, очистка почвы от промышленных отходов, защита окружающей среды от загрязнений, разработка новых очистительных сооружений.

В генной терапии —проведение в клетке пациента различных манипуляций с генетическим материалом, в частности с ДНК или РНК, для лечения определенных заболеваний:

замена мутировавшего гена, провоцирующего болезнь, здоровой копией;
инактивация неправильно функционирующих мутирующих генов;
внедрение нового гена, помогающего бороться с заболеванием.

Этапы создания трансгенного организма

Роль в жизни человека, примеры

Генная инженерия как одно из главных направлений научно-технического прогресса способствует ускорению решения вопросов здравоохранения, продовольственных, энергетических, сельскохозяйственных, экологических и иных актуальных задач.

Существует несколько сотен генетически измененных продуктов, употребляемых людьми во всем мире. Чаще всего на упаковке таких продуктов должно быть написано, что они сделаны из генетически модифицированного продукта.

Защитники генетически модифицированных организмов считают, что только они могут спасти человечество от голода, способствуя увеличению мирового производства сельскохозяйственной продукции. Ведь генетически модифицированные сорта растений:

быстрее созревают и дольше хранятся;
устойчивые к погоде, болезням;
могут самостоятельно вырабатывать инсектициды против вредителей;
способны приносить хороший урожай в отличие от старых сортов, погибающих при неблагоприятных условиях.

Особые возможности открывает генная инженерия перед медициной и фармацевтикой. Благодаря генно-инженерным методам во всем мире успешно практикуют производство лекарств. Так, многие болезни, не поддающиеся в настоящее время диагностике и лечению, например: сердечно-сосудистые, раковые заболевания, умственные и нервные расстройства, вирусные и паразитные инфекции — с помощью генной инженерии можно будет своевременно диагностировать и вылечить.

По мнению медиков, генномодифицированные продукты — основа специальных диет, помогающих в профилактике и лечении различных болезней. Ученые утверждают, что благодаря таким продуктам люди с остеопорозом, сахарным диабетом, онкологическими, сердечно-сосудистыми заболеваниями, болезнями кишечника, печени и др. смогут расширить свой рацион питания.

Некоторые ученые считают, что внесение изменений в генный код животных и растений не противоречит, а соответствует природе, ведь абсолютно все живые организмы, включая и бактерии, и человека — результат естественного отбора и мутаций. Отличие заключается лишь в том, что ученым для образования их новых видов нужно несколько лет, а природа затрачивает на этот процесс столетия и даже тысячелетия.

Самыми распространенными в мире генно-модифицированными растениями являются: хлопок, масличный рапс, кукуруза, соя. В некоторых странах разрешают выращивать трансгенные кабачки, помидоры, рис, проводятся эксперименты на винограде, сахарной свекле, табаке, подсолнечнике, деревьях и т. д.

Основную массу трансгенов выращивают в Аргентине, США, Китае, Канаде. В странах Европы часто действует запрет на ввоз генетически измененного продовольствия, либо требуется обязательная маркировка таких продуктов. В странах ЕС разрешены только три вида генетически измененных растений — три сорта кукурузы.

В России разрешено использовать лишь 14 видов ГМО для продажи и производства пищевых продуктов: 4 сорта картофеля, 1 сорт сахарной свеклы, 8 сортов кукурузы и 1 сорт риса.

Следует отметить, что при употреблении такой пищи сохраняется потенциальная опасность отдаленных последствий для здоровья человека. Хотя опасность продуктов с ГМО официально не доказана, и они разрешены к применению Всемирной организацией здравоохранения, по мнению некоторых ученых к ним нужно относиться с осторожностью до завершения полномасштабных исследований воздействия ГМО на организм.

И тем более, во избежание непредсказуемых последствий, следует особо тщательно подходить к вопросам их применения в детском питании.

Несмотря на существующие риски, на обвинения в бесчеловечности защитников животных и растений, генная инженерия открывает перед человечеством огромные возможности, если умело распоряжаться полученными знаниями.

Современные направления биотехнологии предполагают внедрение в клетку, в процессы метаболизма, перестройку генов. За использованием подобных манипуляций стоит желание человека добиться создания необходимых продуктов питания и химических веществ. Биотехнология – наука затратная, которая требует не только финансовых вложений, но и фундаментальных знаний в области биологии.

Клеточная инженерия

Клеточная инженерия предполагает создание клеток нового типа путем их культивирования, гибридизации и реконструкции. Клетки видоизменяют, вводя в них новые хромосомы, ядра, клеточные органоиды.

Направления деятельности клеточной инженерии

Клеточная инженерия научилась культивировать (выращивать) изолированные клетки и ткани на специально подобранной питательной среде в контролируемых условиях (влажность, температура, освещенность). Из одной клетки таким путем получают полноценное растение или клеточную массу (каллус). Такие эксперименты проводят благодаря способности растительной клетки к регенерации и чаще всего применяют для с/х растений и лекарственных трав.

Селекция и клеточная инженерия относятся к неразделимым понятиям. В селекции применяют новые, не стандартные методики:

соматическая гибридизация;
гаплоидия;
селекция на уровне клеток;
преодоление не скрещиваемости сортов или видов растительных культур.

Такие способы позволяют экспериментировать и создавать новые гибриды и сорта, которые невозможно получить традиционными путями, используя только методы селекции.

Генетическая инженерия

Фрагмент молекулы ДНК - носителя наследственной информации в клетке

Генная инженерия, соединив достижения химии и генетики, помогает:

расшифровывать структуру гена;
синтезировать новые гены;
вставлять в живые клетки синтезированные гены, с заранее продуманной программой, для изменения их наследственных свойств.

Внедрение гена из одного организма в другой требует выполнение цепочки последовательных действий:

Выращены трансгенные животные, содержащие геном с не родными генами. Уже получены трансгенные мыши, кролики, свиньи, овцы. Они содержат ДНК, в которой работают чужеродные гены разного происхождения. Животные и растения в качестве наследственного материала получают гены бактерий, дрожжей, млекопитающих, человека.

Важно! Трансгенные организмы устойчивы к факторам внешней среды, вредителям и болезням, наделены теми чертами, которые запрограммировал в них человек.

Клонирование

Удачные эксперименты по клонированию, проведенные на овцах

К сведению: Иногда клонирование путают с искусственным оплодотворением, когда оплодотворенную яйцеклетку вводят в матку будущей матери (родной или суррогатной). Это метод решения проблемы бесплодия, но он не относится к клонированию.

Обзор

Авторы

Редакторы

Полвека назад человек вплотную приблизился к возможности примерить на себя роль творца, творца самого настоящего, способного целенаправленно наделять создаваемые им организмы нужными чертами. Научившись напрямую манипулировать генами, из селекционера он превратился в инженера. Что же подвело его к этой черте и как изменился мир после? Предлагаем заглянуть в историю генной инженерии: вспомнить важнейшие открытия, сформировавшие ее теоретическую основу и методический арсенал, поразмышлять над этическими вопросами и оценить вес генно-инженерных разработок в денежном эквиваленте.

12 биологических методов в картинках

И вот мы решили рассказать о лабораторных методах более системно, собрать воедино в одной рубрике самые главные, самые современные биологические методики. Чтоб было интереснее и нагляднее, мы густо проиллюстрировали статьи и даже кое-где добавили анимации. Мы хотим, чтобы статьи новой рубрики были интересны и понятны даже случайному прохожему. И с другой стороны — чтобы они были так подробны, что даже профессионал мог бы обнаружить в них что-то новое. Мы собрали методики в 12 больших групп и собираемся сделать на их основе биометодический календарь. Ждите обновлений!

Генетическая, или генная, инженерия — это не отдельная наука, а огромная и постоянно развивающаяся научно-технологическая платформа, вобравшая в себя самое ценное из генетики, биохимии и химической инженерии, молекулярной и клеточной биологии, микробиологии и вирусологии. Благодаря этой платформе у землян появилась возможность обсуждать такие понятия, как генетически модифицированный организм (ГМО) и генная терапия. Генная инженерия в широком смысле — это третье поколение инструментов для изменения наследственной информации. В отличие от первых двух — селекции, применяемой тысячелетиями, и индуцированного мутагенеза, создавшего с начала 20 века более двух тысяч разновидностей растений [1], — новый инструмент работает прецизионно и быстро. А потому порождает непредставимые ранее научные соблазны и коллективные фобии. Кто-то видит в генной инженерии спасение человечества, кто-то — козни дьявола, но все сходятся в одном: она изменила мир. Инструментарий и технологии генной инженерии мы разберем во второй части статьи, а пока пройдем путем, по которому шли ученые к созданию этой отрасли и ее современным достижениям (рис. 1).

История генной инженерии

Точка невозврата

Рисунок 2. Пол Берг со своей невестой Милли. Кстати, будущий нобелевский лауреат родился в семье, перебравшейся в США из маленькой деревушки под Минском.

Рисунок 3. Герберт Бойер и Стэнли Коэн — создатели первого трансгенного организма и обладатели первого генно-инженерного патента.

Что было до?

Существенно продвинуться в понимании природы наследственности помогли мушки дрозофилы, а затем и бактерии. В 1910-м профессор Колумбийского университета Томас Морган (рис. 4) показал, что гены расположены линейно на хромосомах и образуют группы сцепления. Этим он заслужил Нобелевскую премию [10]. Морган и его сотрудники — Бриджес, Стёртевант и Мёллер — составили первые карты хромосом, экспериментально подтвердили и развили хромосомную теорию наследственности Саттона и Бовери [11].

Рисунок 5. Они показали, что наследственная информация записана в ДНК: Колин Маклауд, Освальд Эвери, Маклин Маккарти.

В 1940-х и начале 1950-х Эдвард Тейтем, Нортон Зиндер, Джошуа и Эстер Ледерберги (рис. 6) описали основные процессы переноса генетического материала между бактериальными клетками с помощью плазмид и фагов (в частности, конъюгацию и трансдукцию). Эти мобильные генетические элементы [12] позже стали неотъемлемыми компонентами арсенала генного инженера.

Рисунок 6. Джошуа и Эстер Ледерберги. Несмотря на сексистскую атмосферу тех лет, Эстер Мириам Ледерберг заслужила искреннее восхищение коллег: в числе ее заслуг — открытие и изучение фага λ, F-плазмиды и трансдукции, введение знакомого теперь каждому микробиологу и многим генным инженерам метода реплик, организация в Стэнфорде специализированного плазмидного центра.

В том же году сотрудник Кембриджа Александер Робертус Тодд, изучавший структуру нуклеотидов, впервые химически синтезировал один из них — аденозинтрифосфат, или АТФ (сахар рибоза + азотистое основание аденин + фосфатные группы).

В 1953 году произошло эпохальное событие — установление молекулярной структуры ДНК. Верную модель обычной, B-формы, ДНК построили сотрудники Кембриджского университета Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик, а базисом для ее создания послужили работы рентгеноструктурщиков из Королевского колледжа Лондона — Мориса Уилкинса и Розалинд Франклин с ее аспирантом, Реймондом Гослингом (рис. 8). Дифракционное изображение кристаллизованной ДНК указывало на ее двуспиральный характер, и Франклин даже удалось рассчитать некоторые параметры этой спирали. Уотсон и Крик, заполучив материалы Франклин и держа в уме пропорции азотистых оснований, вычисленные в 1950-м Эрвином Чаргаффом, предположили, как закодирована и как передается наследственная информация. Полуконсервативный механизм репликации ДНК в знаменитом изотопном эксперименте доказали Метью Мезельсон и Франклин Сталь в 1958 году.

Рисунок 8. Им покорилась двойная спираль. Вверху — Морис Уилкинс и Розалинд Франклин с вошедшим в историю Фото 51 — самой удачной рентгенограммой ДНК. Внизу — Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик со своей моделью ДНК. Им всё-таки удалось опередить другого талантливого ученого — Лайнуса Полинга, известного своей любовью к аскорбинке и расшифровке структуры молекул.

В 1955-м Северо Очоа де Альборнос с аспиранткой, Марианной Грюнберг-Манаго (уроженкой Петрограда и будущим президентом Международного биохимического союза), выделили бактериальную полинуклеотидфосфорилазу и с ее помощью синтезировали в пробирке РНК. Позже оказалось, что синтез для этого фермента скорее хобби, основная же его работа — деградация РНК. В 1956-м Артур Корнберг (рис. 9) со своей женой Сильви выделил один из ферментов синтеза и коррекции ДНК — ДНК-полимеразу I — и получил с его помощью цепочку ДНК [15]. Как и в случае Очоа, фермент Корнберга не был главным строителем полинуклеотидных цепей, однако стал одним из основных инструментов генной инженерии.

Примерно тогда же, наконец, всплыли вопросы регуляции работы генов — те, что чуть раньше научное сообщество не хотело слышать из уст Барбары Макклинток. Жакоб вместе с Жаком Моно описали лактозный оперон и показали, что синтез ферментов контролируется внешними условиями посредством регуляторных белков, которые подавляют или активируют транскрипцию.

Рестриктазы стали жизненно важным инструментом для генной инженерии. Они нашли применение не только в технологии рекомбинантных ДНК, но и в геномной дактилоскопии и техниках секвенирования (прочтения) нуклеотидных последовательностей [16], [19]. Первые рекомбинантные ДНК получили с помощью эндонуклеазы EcoRI, правда, группы Берга и Коэна использовали ее немного по-разному. В считаные годы спрос на эти ферменты так возрос, что академические энтузиасты, выделявшие уже известные и новые рестриктазы, перестали справляться со снабжением всех желающих, и тогда за дело взялись коммерсанты: в 1975-м — New England Biolabs, а позже и другие компании. К октябрю 2017 года было выделено уже 4 155 эндонуклеаз II типа. Найти всю информацию о них и системах рестрикции-модификации в целом можно в базе данных REBASE.

Как резать и сшивать ДНК, стало более или менее ясно, но оставалась проблема универсального (не узкоспециализированного типа конъюгации или трансдукции) внесения нуклеиновых кислот в клетки. У кишечной палочки давно было замечено нежелание поглощать ДНК из среды, но в 1970-м эту проблему разрешили Мортон Мандель и Акико Хига. Обработка клеток E. coli хлоридом кальция сделала их компетентными, то есть способными принимать генетический материал извне. Немного усовершенствованный, этот метод и сейчас широко используют для трансформации бактерий. В те же 70-е изучили трансформирующие свойства Ti-плазмид в отношении растительных клеток и применили микроинъекции, а в 80-е сконструировали электропоратор и генную пушку [20]. С появлением последней стало возможным интегрировать чужеродные гены в хлоропласты.

В 1972 году сотрудники Амстердамского университета Кес Ай и Пит Борст опробовали визуализацию ДНК с помощью электрофореза в агарозном геле с буфером, содержащим бромистый этидий. Это позволило видеть не меченные изотопами молекулы ДНК, просто положив гель на УФ-трансиллюминатор.

Что было после?

На исходе 70-х разработали неизотопные методы мечения нуклеиновых кислот.

1982 год запомнился открытием рибозимов: Томас Чех и Сидни Альтман показали, что молекулы РНК могут обладать каталитической активностью. Помимо существенной поддержки гипотезы мира РНК, это открытие в 2000-х вылилось в создание инженерных рибозимов для генетической терапии, способных разрезать нужные РНК. Самым логичным выглядело их использование для блокирования ВИЧ и иных РНК-содержащих вирусов [23].

В том же году появилось первое трансгенное растение: Майкл Беван, Ричард Флавелл и Мэри-Дэлл Чилтон модифицировали клетки табака с помощью Ti-плазмиды, несущей химерный ген антибиотикорезистентности.

В 1989-м удалось получить первую мышь с нокаутированными генами, крыс осилили гораздо позже — в 2003-м [25].

В 1990 году калифорнийские биологи пытались сделать цветки трансгенной петунии более яркими, а получили еще более бледные. Так неожиданно себя проявила РНК-интерференция, которую позже, в 1998 году, подробно описали у червя Caenorhabditis elegans Крейг Мелло и Эндрю Файер (рис. 13). Введением небольшой двухцепочечной РНК они вызвали сайленсинг (подавление экспрессии) генов, содержащих комплементарные этой РНК участки. Благодаря малым РНК, регулирующим экспрессию генов на посттранскрипционном уровне, удались на славу гипоаллергенные томаты, табак без никотина, кофе без кофеина и многое другое. Двухцепочечные молекулы оказались более эффективными, чем одноцепочечные (простые антисмысловые РНК), механизм действия которых не относят к интерференции.

В апреле 2003 года завершились основные работы по секвенированию генома человека, которые стоили правительствам США и еще нескольких стран $3 млрд [26]. Прочтение геномов нескольких анонимных доноров вскрыло много интересных деталей. Оказалось, что обычных — кодирующих белок — генов у нас гораздо меньше, чем полагали ранее, — чуть более 20 тыс. [27]. Они составляют всего 1,5% совокупной человеческой ДНК, а остальное относят к ДНК некодирующей (хотя некоторые ее области кодируют малые регуляторные молекулы и мобильные генетические элементы) [28]. Некодирующая ДНК участвует в поддержании структуры хромосом, клеточном делении и регуляции экспрессии генов. Но самое интересное, что до 90% однонуклеотидных полиморфизмов (SNP), ассоциированных с разными заболеваниями, сосредоточены в некодирующих, преимущественно регуляторных, участках ДНК. Поэтому логическим продолжением прочтения генома человека стали проекты, посвященные его вариабельности: Human Genome Diversity, HapMap, 1000 Genomes, ENCODE.

В 2007-м фармгигант Merck успешно завершил клинические исследования рекомбинантной вакцины Gardasil, защищающей от человеческих папилломавирусов высокого онкогенного риска, способных инактивировать гены опухолевых супрессоров и провоцировать развитие карцином шейки матки и некоторых других частей тела. Антигены вирусоподобных частиц, составляющих вакцину, производятся трансгенными дрожжами. Вскоре GlaxoSmithKline выпустила аналогичную, но более эффективную вакцину Cervarix.

В 2014 году с помощью ZFN модифицировали Т-лимфоциты инфицированных ВИЧ, чем снизили вирусную нагрузку. В 2015 безнадежной пациентке с лейкемией ввели донорские Т-лимфоциты, модифицированные с помощью TALEN, чем выиграли время для трансплантации костного мозга [37]. Тогда же в Китае покусились на редактирование генома нежизнеспособных эмбрионов CRISPR-системой [38]. В 2016 опухолевые клетки пациента с агрессивной карциномой легкого атаковали его собственными Т-лимфоцитами, подправленными CRISPR-Cas9 [39], [40]. Сейчас компания Sangamo Therapeutics (США) проводит набор участников I фазы клинических исследований ZNF-терапии in vivo: речь идет об исправлении дефектных генов, вызывающих мукополисахаридозы I/II и гемофилии А/В. Другой пионер отрасли, Editas Medicine, планирует начать клинические исследования CRISPR-терапии ex vivo и in vivo [39].

В том же 2014-м Денис Малышев с коллегами из Исследовательского института Скриппс и New England Biolabs сконструировал кишечную палочку с расширенным генетическим алфавитом, которая стабильно поддерживает плазмиду с неприродной парой нуклеотидов [43]. В 2017 году эту полусинтетическую бактерию тюнинговали [44].

Ну а мы в следующей части статьи попробуем разобраться, как создают молекулярные химеры и как используют нуклеиновые кислоты для решения исследовательских и медицинских задач.

Рекомбинантные ДНК и биоэтика: наступить на горло собственной песне

Генная инженерия и рынок: найти ключ к монетизации научных достижений

Любимые многими нашими не-учеными мечты о всегда голодных молодых ученых вряд ли нашли бы понимание у пионеров генной инженерии. Они были заняты не поиском пропитания, а интересной работой — в нормальных условиях и под руководством талантливых ученых. В итоге многие получили Нобелевские премии и миллионные состояния. А благодаря патентно-лицензионной системе миллионы они принесли и своим институтам, чтобы те лучше финансировали новые исследования.

В 1976 году Герберт Бойер и венчурный капиталист Роберт Свонсон, скинувшись по $500, основали биотехнологическую компанию Genentech. Их генно-инженерный инструментарий и сотрудничество с институтскими коллективами позволили экспрессировать в бактериях разные человеческие гены и получить таким образом терапевтически ценные белки: соматостатин, соматотропин, инсулин, ДНКазу I, интерферон-γ, моноклональные антитела. Компания оказалась на редкость доходной, и Калифорнийский и Стэнфордский университеты вели с ней нудные патентные споры, требуя миллионных компенсаций. В 2009 году фармгигант Hoffmann-La Roche приобрел Genentech за $46,8 млрд, и сейчас в компании работает почти 15 000 человек. Но самое важное для становления биотехнологической промышленности произошло в далеком 1980-м: 15 октября стоимость акции Genentech на Нью-Йоркской фондовой бирже взлетела в два раза — и за день несколькими миллионерами стало больше [51]. Более 7 млн акций подняли стоимость компании до $500 млн, а лицо Бойера украсило обложку журнала Time. И понеслось.

Американская академическая наука вступила в фазу коммерциализации. Сотрудники институтов активно налаживали связи с мировым капиталом, в том числе и организуя собственные биотехнологические компании. С 1980 по 1985 в США появилось более 400 подобных фирм. Этому благоприятствовали налоговые льготы и крупные навары с биржевых операций. На запах денег слетелись и представители Большой фармы. В Европе инвестиционный климат был похуже, но и там процесс быстро набрал обороты. Япония объявила биотехнологию национальным приоритетом, и, подучившись у американских биотехнологов, пополнила ряды лидеров индустрии. Другие страны тоже осознали стратегическую важность отрасли и по мере возможности старались уделять ей внимание [51]. Мы не будем пытаться объять необъятное, разбирая все генетические коммерческие проекты, а устроим маленькую историческую экскурсию по избранным, крупным перекресткам академической науки и генно-инженерной индустрии.

Одним из основателей Myriad Genetics был пионер секвенирования Уолтер Гилберт. Он же известен как соучредитель биотехнологического гиганта Biogen и компании Paratek Pharmaceuticals, а еще как один из первых апологетов секвенирования человеческого генома. Еще до старта известного международного проекта он анонсировал открытие Genome Corporation, в составе которой планировал первым прочитать геном человека и затем продавать расшифрованную информацию.

Удачный пример синтеза академической науки и фарминдустрии показали Артур Корнберг [15], Пол Берг и Чарльз Янофски, в 1980-м основав DNAX — институт молекулярной и клеточной биологии, который почти сразу приобрела компания Schering-Plough Pharmaceuticals (сейчас — часть Merck & Co.). DNAX предоставлял отличные кадры для разработки препаратов, и эти кадры не были ограничены в правах публикации своих результатов [53].

Крейг Мелло, одним из первых описавший РНК-войны [54], помимо основания успешной биофармацевтической компании RXi Pharmaceuticals занялся укреплением здоровья пчел с помощью РНК-интерференции. Специально созданная для этого израильско-американская фирма Beeologics в 2011 году была поглощена Monsanto.

Читайте также: