Генная инженерия это кратко

Обновлено: 05.07.2024

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.

Генная инженерия — это современное направление биотехнологии, объединяющее знания, приемы и методики из целого блока смежных наук — генетики, биологии, химии, вирусологии и так далее — чтобы получить новые наследственные свойства организмов.

Перестройка генотипов происходит путем внесения изменений в ДНК (макромолекулу, обеспечивающую хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов) и РНК (одну из трех основных макромолекул, содержащихся в клетках всех живых организмов).

Если внести в растение, микроорганизм, организм животного или даже человека новые гены, можно наделить его новой желательной характеристикой, которой до этого он никогда не обладал. С этой целью сегодня генная инженерия используется во многих сферах. Например, на ее основе сформировалась отдельная отрасль фармацевтической промышленности, представляющая собой одну из современных ветвей биотехнологии.

История развития

Истоки

Параллельно с этим шел процесс формирования знаний о ДНК. Так, в 1869 году швейцарский биолог Фридрих Мишер открыл факт существования макромолекулы, а в 1910 году американский биолог Томас Хант Морган обнаружил на основе характера наследования мутаций у дрозофил, что гены расположены линейно на хромосомах и образуют группы сцепления. В 1953 году было сделано важнейшее открытие — американец Джон Уотсон и британец Фрэнсис Крик установили молекулярную структуру ДНК.

На подъеме

К концу 1960-х годов генетика активно развивалась, а ее важными объектами стали вирусы и плазмиды. Были разработаны методы выделения высокоочищенных препаратов неповрежденных молекул ДНК, плазмид и вирусов, а в 1970-х годах был открыт ряд ферментов, катализирующих реакции превращения ДНК.

Генная инженерия как отдельное направление исследовательской работы зародилась в США в 1972 году, когда в Стэнфордском университете ученые Пол Берг, Стэнли Норман Коэн, Герберт Бойер и их научная группа внедрили новый ген в бактерию кишечной палочки (E. coli), то есть создали первую рекомбинантную ДНК.

Техника ПЦР была впервые разработана в 1980-х годах американским биохимиком Кэри Маллисом. Будущий лауреат Нобелевской премии по химии (1993 года), обнаружил в специфический фермент — ДНК-полимеразу, который участвует в репликации ДНК. Этот фермент буквально считывает отрезки цепи нуклеотидов молекулы и использует их в качестве шаблона для последующего копирования генетической информации.

Новая эра

В 1996 году методом пересадки ядра соматической клетки в цитоплазму яйцеклетки на свет появилось первое клонированное млекопитающее — овца Долли. Это событие стало революционным в истории развития генной инженерии, потому что впервые стало возможным серьезно говорить о создании клонов и выращивании живых организмов на основе молекул.

Технологии генной инженерии

Генная инженерия за короткий срок оказала огромное влияние на развитие различных молекулярно-генетических методов и позволила существенно продвинуться на пути познания генетического аппарата.

Теоретически, технология CRISPR может позволить редактировать любую генетическую мутацию и излечивать заболевание, которое она вызывает. Но практические разработки CRISPR в качестве терапии еще только в начальной стадии, и многое еще непонятно.

Есть и другие методы генной инженерии, например, ZFN и TALEN.

ZFN разрезает ДНК и вставляет туда заготовленный заранее новый фрагмент с помощью белков с ионами цинка (отсюда название — Zinc Finger Nuclease).
TALEN делает то же самое, только используя TAL-белки. Для обеих технологий приходится создавать отдельные белки, а это очень долгая работа, поэтому пока два этих метода особого применения не нашли.

Где и как применяется генная инженерия

Медицина

Уже сейчас активно применяется инсулин человека (хумулин), полученный посредством рекомбинантных ДНК. Клонированные гены человеческого инсулина были введены в бактериальную клетку, где начался синтез гормона, который природные микробные штаммы никогда не синтезировали. С 1982 года компании США, Японии, Великобритании и других стран производят генно-инженерный инсулин.

Кроме того, несколько сотен новых диагностических препаратов уже введены в медицинскую практику. Среди лекарств, находящихся в стадии клинического изучения, препараты, потенциально лечащие артрозы, сердечно-сосудистые заболевания, онкологию и СПИД. Среди нескольких сотен генно-инженерных компаний 60% заняты именно разработкой и производством лекарственных и диагностических средств.

Сельское хозяйство

В сельском хозяйстве одна из важнейших задач генной инженерии — получение растений и животных, устойчивых к вирусам. В настоящее время уже есть виды, способные противостоять воздействию более десятка различных вирусных инфекций.

Еще одна задача связана с защитой растений от насекомых-вредителей. Путем генетической модификации растений можно уменьшить интенсивность обработки полей пестицидами. Например, трансгенные растения картофеля и томатов стали устойчивы к колорадскому жуку, растения хлопчатника — к разным насекомым, в том числе и к хлопковой совке.

Использование генной инженерии позволило сократить применение инсектицидов (препаратов для уничтожения насекомых) на 40–60%.

С помощью генной инженерии пытаются решить и экологические проблемы. Так, уже созданы особые сорта растений с функцией очистки почвы. Они поглощают цинк, никель, кобальт и иные опасные вещества из загрязненных промышленными отходами почв.

Скотоводство

В Кемеровской области работа генетиков позволила получить устойчивое к вирусу лейкоза племенное поголовье высокопродуктивных животных. Для проведения эксперимента кузбасские ученые отобрали здоровых коров черно-пестрой породы массой до 500 кг. Животным трансплантировали модифицированные эмбрионы, устойчивые к вирусу лейкоза. В середине сентября 2020 года родилось 19 телят с измененными генами.

По словам Зубовой, лейкоз крупного рогатого скота — вирусная хронически неизлечимая болезнь, при которой возникают поражение кроветворной системы и новообразования. Данное заболевание наносит значительный ущерб генофонду пород и мясной промышленности в целом, потому что мясо зараженных животных запрещено употреблять в пищу. Единственным доступным методом борьбы с лейкозом ранее было только уничтожение зараженного скота.

Этот успех позволяет говорить о том, что в дальнейшем будет возможно редактировать гены крупного рогатого скота и от других болезней.

С прицелом на человека

В 2009 году группа ученых под руководством молодого исследователя Джея Нейтца из Вашингтонского университета сумели с помощью генной терапии вернуть обезьянам способность различать оттенки зеленого и красного, которой они были лишены от рождения.

В область сетчатки глаза двух подопытных обезьян был введен безвредный вирус, несущий недостающий ген фоточувствительного рецептора. Вскоре после процедуры обе обезьяны начали различать оттенки красного и зеленого на сером фоне. Два года наблюдения не выявили у них каких-либо нарушений, поэтому ученые не исключают, что данную методику уже вскоре можно будет применять у людей, страдающих дальтонизмом.

Ученые шагнули еще дальше и уже пробуют выращивать в теле животных органы для трансплантации людям. Для минимизации риска отторжения тканей животным вводят специальные гены. Этими опытами занимается научная лаборатория Рослинского института в Великобритании, которая представила миру овцу Долли.

В 2019 году британские ученые вывели кур, яйца которых содержат два вида человеческих белков, способных противодействовать артриту и некоторым видам онкологических заболеваний. В яйцах содержится человеческий белок под названием IFNalpha2a, обладающий мощными противовирусными и противораковыми свойствами, а также человеческий и свиной вариант белка под названием макрофаг-CSF, который планируют использовать для создания препарата, стимулирующего самостоятельное заживление поврежденных тканей.

Изменение ДНК человека

Первые клинические испытания методов генной терапии были предприняты 22 мая 1989 года с целью генетического маркирования опухоль-инфильтрующих лимфоцитов в случае прогрессирующей меланомы.

14 сентября 1990 года в Бетесде (США) четырехлетней девочке, страдающей наследственным иммунодефицитом, обусловленным мутацией в гене аденозиндезаминазы (АDA), были пересажены ее собственные лимфоциты.

Работающая копия гена ADA была введена в клетки крови с помощью модифицированного вируса, в результате чего клетки получили возможность самостоятельно производить необходимый белок. Через шесть месяцев количество белых клеток в организме девочки поднялось до нормального уровня.

После этого область генной терапии получила толчок к дальнейшему развитию. С 1990-х годов сотни лабораторий ведут исследования по использованию генной терапии для лечения различных заболеваний. Уже сегодня с помощью генной терапии можно лечить диабет, анемию и некоторые виды онкологии.

Генная инженерия представляет собой новое направление в сфере молекулярной биологии, которое получило широкое распространение во многих сферах медицины и биологии относительно недавно.

Генная инженерия позволяет целенаправленно, по заранее намеченной программе, экспериментально модифицировать геном с использованием генетической информации из разных гетерологических систем: вирусов, бактерий, насекомых, животных и человека. Применяя методы генной инженерии, ученые способны модифицировать структуру генов, а также создавать гибридные гены.

Следует отметить огромный вклад генной инженерии в улучшение сферы медицинского обслуживания. Так, благодаря генной инженерии стало возможным создание новых диагностических препаратов, вакцин и препаратов для заместительной терапии, а также лечение наследственных заболеваний. Применение генной терапии в лечении такой патологии как первичные иммунодефициты является единственным терапевтическим методом, обеспечивающим полное излечение, что значительно улучшает качество жизни пациентов и снижает риск летального исхода. В последнее время рассматриваются новые варианты применения генной инженерии в трансплантологии и редактировании генома эмбрионов. Возможность применения этой инновационной технологии порождает множество биоэтических вопросов. Считаю, что анализ предполагаемых последствий применения генной инженерии для общества должен создавать рамки возможного вмешательства в геном организмов.

Среди многих достижений генной инженерии, получивших применение в медицине, наиболее значимое — получение человеческого инсулина в промышленных масштабах. Генные инженеры в качестве первой практической задачи решили клонировать ген инсулина. Клонированные гены человеческого инсулина были введены с плазмидой в бактериальную клетку, где начался синтез гормона, который природные микробные штаммы никогда не синтезировали.

Использование генно-инженерного инсулина не вызывало каких-либо патологических реакций в организме, в том числе и иммунопатологических, которые часто наблюдались у пациентов, использующих в терапии диабета инсулин животного происхождения. Масштабное использование генно-инженерного инсулина значительно снизило летальность от диабета, в особенности у пациентов детского возраста, так как именно у этой категории населения преимущественно развивается инсулинозависимый диабет 1 типа. Следующими разрабатываемыми генно-инженерными препаратами были интерфероны и интерлейкины, используемые в терапии вирусных и онкологических заболеваний.

Около 200 новых диагностических препаратов уже введены в медицинскую практику, и более 100 генно-инженерных лекарственных веществ находятся на стадии клинических исследований. Среди них лекарства, используемые в терапии артрозов, сердечно-сосудистых заболеваний, онкологических заболеваний.

Сферы использования генной инженерии в медицине значительно расширяются. Так актуальной является возможность применения генной инженерии в диагностике и терапии наследственных заболеваний.

В настоящее время известно более 4000 наследственных заболеваний, для большинства из которых не найдено эффективных способов лечения. Генные инженеры разрабатывают диагностические препараты, позволяющие обнаруживать генетические аномалии в период беременности, что дает возможность предотвратить рождение ребенка с генетической аномалией [4].

Так в 1989 году в Национальных Институтах Здоровья США впервые была предпринята попытка применить в клинической практике генную терапию для лечения пациентов с диагнозом тяжелая комбинированная иммунная недостаточность (ТКИН). Наиболее обнадеживающие результаты ожидают в тех случаях, когда заболевание обусловлено дефектом одного гена. В этом случае полагают, что удастся вводить нормальный ген в соматические клетки прицельно в то место на хромосоме, где находится дефектный ген. При гомологичной рекомбинации введенный ген заместит дефектный. Такой однократной процедуры в ряде случаев будет достаточно, чтобы излечить болезнь. Однако на практике очень трудно проконтролировать судьбу введенной в клетки ДНК, и на одно правильное встраивание в геном приходится более 1000 случайных. Разрабатывается и другой подход, когда введенный ген не заменяет дефектный, а компенсирует его функцию, встраиваясь в хромосому в другом месте.

Инновационной технологией в редактировании генома является технология CRISPR. По причине легкости редактирования генома с использованием технологии CRISPR существует значительный интерес к перспективам редактирования генома эмбриона человека.

Основной метод применения технологии CRISPR — доставка редактирующих агентов в клетки эмбриона, созданного путем оплодотворения in vitro. В последствии может оказаться более целесообразным и этически приемлемым редактировать гаметогенные клетки-предшественники у будущих родителей. Преимущество зародышевой коррекции аллелей генов, соответствующих патологическим состояниям, заключается в том, что они навсегда исчезнут из генома.

Еще одной сферой использования генной инженерии в медицине является CAR-T-терапия. На сегодняшний день одним из наиболее перспективных направлений в терапии онкологических заболеваний является адоптивная клеточная иммунотерапия. При проведении такой терапии выделяют, активируют и размножают аутологичные T-лимфоциты, а затем вводят их обратно пациенту, что приводит к частичной регрессии или эрадикации опухоли. Введение Т-клеток, модифицированных химерными антигенными рецепторами (CAR-T-клеток), является одним из наиболее активно развивающихся направлений иммуноонкологии [6]. CAR-T-клетки представляют собой генетически модифицированные собственные Т-клетки пациентов, которые содержат химерный антигенный рецептор. Этот рецептор содержит в себе часть антитела, специфического к антигену опухоли и часть, рецептора Т-клеток. С использованием CAR-T-терапии получены обнадеживающие результаты при гематологических опухолевых заболеваниях. Так, клинические испытания CAR-T-клеток, направленных против В-лимфоцитарного антигена CD19, показали их эффективность при лечении резистентных к химиотерапии опухолей В-клеточного происхождения.

Биоэтические проблемы

С точки зрения биоэтики возникает ряд вопросов о допустимости применения генной инженерии по отношению к человеку. Помимо биоэтических проблем существует ряд дополнительных вопросов как в непосредственно самой процедуре генетической модификации клеток организма человека, так и в отдаленных последствиях этой процедуры для отдельного человека и для человеческой популяции в целом.

Использование генной терапии в лечении наследственных заболеваний также сопровождается рядом проблем, так при лечении некоторых заболеваний отдаленным последствием такой терапии является развитие онкологических заболеваний.

Обратной стороной CAR-T-терапии является высокий риск возникновения системных и опасных для жизни побочных эффектов, в первую очередь, гиперцитокинемии (цитокиновый шторм, цитокиновый каскад, синдром выброса цитокинов и синдром лизиса опухоли). Эти осложнения могут спровоцировать развитие синдрома полиорганной недостаточности и, как следствие, привести к летальному исходу. Еще одна существенная проблема применения CAR-T-терапии – неспецифическая цитотоксичность, особенно актуальная в случае терапии солидных опухолей, к которым крайне сложно подобрать специфичные антигены. Неспецифическая цитотоксичность обусловлена развитием интенсивной и быстрой кросс-реакции введенных Т-клеток на здоровые клетки, что часто приводит к летальному исходу.

Примером этических суждений о конкретных последствиях может служить то, что граница между лечением и улучшением в области медицинской генетики не является очевидной, и улучшающая генная инженерия сама по себе может быть благом, но угрозу представляет социальное неравенство относительно распределения выгод генной инженерии так как это может привести к созданию серьезной и необратимой несправедливости. Любые генно-инженерные процедуры будут доступны в первую очередь для развитых стран, в то время как страны третьего мира будут лишены возможности использования генно-инженерных технологий.

Отдельные генетические последовательности, пригодные для улучшающей генной инженерии людей, в будущем могут быть запатентованы. Рынок улучшающей генной инженерии представляется перспективным: все люди будут заинтересованы в улучшении параметров своего потомства, но, иметь доступ к таким процедурам в первую очередь будут жители развитых стран.

Использование генной инженерии приведет не только к усугублению неравенства между жителями отдельных стран, но и к расслоению общества внутри этих стран. Генетически привилегированные люди могут стать не стареющими, здоровыми супер гениями безупречной физической красоты, отличающимися блестящим остроумием и обезоруживающим, умаляющим чувство собственного достоинства юмором, излучающими тепло, эмпатический шарм и ослабленную непоколебимость. Непривилегированные останутся сегодняшними людьми, возможно, не имеющими чувства самоуважения и страдающими от случайных приступов зависти. Мобильность между низшими и высшими классами может исчезнуть, и ребенок, рожденный в бедной семье, не имеющий генетического усовершенствования, не сможет успешно соперничать с супер детьми богатых родителей. Даже если не случится дискриминация или эксплуатация низшего класса, все еще будет что-то разрушительное в перспективе общества с такими крайними формами неравенства.

Примерами категорических суждений являются изменение уникальности и ценности личности человека, подвергшегося воздействию генной инженерии, а также дискриминация по отношению к еще не родившемуся ребенку, в случае проведения генно-инженерных процедур на зародышевой линии.

В воспроизводстве наиболее важными вопросами являются интересы ребенка, который не может дать свое предварительное согласие или свободно вступать в любую форму договора. Ведь эмбрион является будущей личностью, которая не давала разрешения на проведение опытов.

Еще одним вопросом является то, что сегодня никто не может даже приблизительно оценить те последствия, которые повлечет за собой размножение живой материи, созданной искусственно.

Экспертами в области биоэтики также рассматривается вероятность создания биологического оружия при использовании генной инженерии. Наиболее часто рассматриваются варианты создания генно-модифицированных организмов в качестве инфекционного агента, приводящего к развитию пандемий.

Также хочется осветить биоэтические вопросы генетического тестирования. Наиболее глубокие проблемы, относящиеся к прогнозированию, лежат в сфере здравоохранения, где проводится генетическое тестирование. Генные технологии имеют отношение к правам человека и в судебных случаях — например, при установлении отцовства или материнства и при идентификации подозреваемых преступников. Права человека нарушаются и тогда, когда насильственное или даже добровольное тестирование методами генной технологии может представлять угрозу частной жизни индивида, если информация помещается в общедоступную базу данных. Нарушение прав человека в данном случае состоит в том, что подозреваемым становится любой, кто отказывается подвергнуться ДНК-тестированию.

Двигаться вперед или остановиться? Предлагаем поразмышлять….

Автор — Валерия Пугачева

Лещинская, И. Б. Генетическая инженерия / И. Б. Лещинская // Соросовский образовательный журнал. – 1996. – № 1. – С. 32-394.

Мохов, А. А. Использование технологии геномного редактирования: достижения и перспективы / А. А. Мохов, А. А. Чапленко, А. Н. Яворский // Биомедицина. – 2019. – Т. 15, № 2. – С. 34-42.

Молекулярные подходы к безопасной и контролируемой Т-клеточной терапии / Р. С. Калинин [и др.] // Acta Naturae. – 2018. – Т. 10, № 2. – С. 17-25.

Воронцова, З. И. Философские и социокультурные проблемы биогенных технологий / З. И. Воронцова // Новые технологии. – 2009. – № 4. – С. 13-19.

Найдыш, В. М. Философские проблемы антропогенетики генной инженерии (статья вторая) / В. М. Найдыш, Е. Н. Гнатик // Вестник РУДН. – 2009. – № 3. – С. 31-38.

Воронцов, С. А. Морально-этические проблемы развития биотехнологии / С. А. Воронцов // Вестник молодежной науки. – 2017. – Т. 5, № 12. – С. 22-27.

International Union of Immunological Societies: 2017 Primary Immunodeficiency Diseases Committee Report on Inborn Errors of Immunity / C. Picard [et al.] // J. Clin. Immunol. – 2018. – Vol. 38, N 1. – P. 96-128.

Первичные иммунодефициты: принципы терапии и организации медицинской помощи / Н. Chapel [et al] // Frontiers in Immunology. – 2014. – Т. 5, № 12. – С. 1-15.

Селекция – наука о создании новых и улучшении существующих сортов растений и пород животных. Она возникла на основе практической деятельности человека в области сельского хозяйства. Существующие ныне культурные растения и домашние животные – результат одомашнивания их диких предков человеком. Культуры выводятся с определенной целью получить необходимое хозяйственное качество, важное для человека.

Самым древнейшим методом селекции следует считать бессознательный отбор. Человек, желая культивировать растения или размножить животных в качестве семенного материала выберет наиболее плодовитых и жизнеспособных особей, с наиболее важными для него хозяйственными качествами (например, среди яйценосных кур он для размножения отберет самых плодовитых здоровых родителей; при выборе растения для получения от него семян он выберет самое крупное растение, с обильным урожаем и т. д.).

Попытки выведения новых пород животных и сортов растений предпринимались еще в древности. В Египте и Месопотамии задолго до новой эры выводили мулов путем искусственного скрещивания осла и лошади, переопыляли финиковую пальму и получали первые гибриды, которые давали большие урожаи по сравнению с их дикими предками.

Селекция приобрела статус науки в 19 веке. Предпосылки этому послужили работы Ч. Дарвина о движущих силах эволюции.

Глубокий анализ мировых растительных ресурсов в свое время был проведен советским генетиком Н.И. Вавиловым. Многочисленные экспедиции дали основания определить центры происхождения многих культурных растений. Вавилов установил 8 таких центров:

Индийский – родина риса, сахарного тростника, цитрусовых;

Среднеазиатский – родина мягкой пшеницы, гороха, бобовых;

Китайский – родина хлебных злаков, проса, гречихи, сои;

Переднеазиатский – родина пшеницы, ржи, многих видов фруктовых деревьев;

Средиземноморский – родоначальник многих овощей;

Абиссинский (Африка) – родина твердых пшениц, ячменя, кофе;

Южноамериканский – дает начало расселению кукурузы, хлопчатника, какао;

Южномексиканский – дал миру картофель и табак.

В этих центрах сосредоточено наибольшее количество сортов, разновидностей, мутаций. Трудами экспедиций Н.И. Вавилова была собрана коллекция, насчитывающая несколько сотен тысяч мировой коллекции растений, что послужило прекрасной базой для выведения новых сортов.

Новые породы домашних животных также выводились с древнейших времен от диких предков. Человек вывел многочисленные виды животных из небольшого числа их предков:

Волки и шакалы – родоначальники собак;

Европейский тур – дал начало крупному рогатому скоту;

Европейский муфлон – предок овец;

Дикий кабан – предок свиней;

Дикая лошадь – предок современных пород лошадей

Индийский петух – родоначальник современных пород кур;

От дикой утки произошли все существующие домашние виды уток и т. д.

В настоящее время селекция животных проводится по тем же принципам, что и селекция растений.

Большой вклад в селекцию растений внес выдающийся селекционеров И.В. Мичурин. В своих работах он использовал три основных форм воздействия на растительные организмы: гибридизацию, воспитание гибрида и отбор.

Гибридизация – метод скрещивания двух сортов растений, с целью получения гибрида, обладающего ценными хозяйственными качествами обоих родителей. Естественно, что в природных условиях возникновение гибрида невозможно (разные виды в природе не скрещиваются между собой), поэтому приходилось преодолевать нескрещиваемость различными методами (например, опыление рыльца пестика смесью пыльцы). И.В. Мичурин скрещивал подобным образом уссурийскую дикую грушу (мелкие плоды, но зимостойкая) и южный сорт (плоды крупные, сочные, но растение теплолюбивое). У гибрида появились нужные селекционеру качества: полученный сорт Бере зимняя выдерживает температуру атмосферы до – 36 °С, давая в осенний период времени хороший урожай крупных плодов. Кроме скрещивания близкородственных форм И.В. Мичурин применял метод отдаленной гибридизации – т. е. скрещивание разных видов и родов растений. Таким образом были получены церападусы (гибриды вишни и черемухи), тернослива (гибрид сливы и терновника) и др. интересные разновидности гибридов.

При воспитании гибридов растительных культур И.В. Мичурин адаптировал молодые саженцы растений к изменениям условий окружающей среды (например воспитание теплолюбивых растений к условиям низких температур). Чаще всего в воспитании использовался метод прививки: сеянец воспитуемого растения прививался к растению-ментору (ментор – растение-воспитатель заданных качеств). Таким образом удалось получить некоторые сорта южных растений, адаптированных к условиям северных регионов.

Отбор – это древнейший метод, который применялся человеком бессознательно и давал хорошие результаты. И.В. Мичурин применял этот метод к семенам гибридов (отбирались семена самые крупные и правильной формы) от самых жизнеспособных и плодовитых растений.

Таким образом, применяя методы гибридизации, воспитания и отбора, Мичурин вывел сотни новых сортов растений, приспособленных к различным климатическим зонам и обладающих поразительной урожайностью, устойчивостью к заболеваниям и высокими вкусовыми качествами плодов.

Методы гибридизации, воспитания и отбора существуют также и в селекции животных. Пример соблюдения этих принципов в селекции животных – работы М.Ф. Иванова по выведению и адаптации новых пород свиней. Применение искусственного осеменения при отдаленной гибридизации позволили получить сильных и выносливых мулов (гибрид кобылицы и осла), архаромериносов (гибрид тонкорунных овец и горных архаров), гибридов яка и крупного рогатого скота, гибридов кур, обладающих поразительной яйценоскостью и т. д., а воспитание способности противостоять местным неблагоприятным факторам окружающей среды дало возможность расселять таких гибридов повсеместно.

Открытия генетики и молекулярной биологии широко применяются для получения новых форм растений, животных, микроорганизмов. В настоящее время применяют 4 основных метода: метод гетерозиса, метод полиплоидии, мутагенез, генная инженерия.

1. Метод гетерозиса

Под гетерозисом подразумевают усиление жизнеспособности за счет скрещивания разных пород животных (или разных сортов растений). В первом поколении гибридов наблюдается мощное развитие. Оно объясняется взаимодействием благоприятных доминантных генов. Подобным образом получено множество сортов растений, обладающих рядом ценных свойств. Метод гетерозиса широко применяется и в селекции животных. Межпородное скрещивание приводит к резкому подъему продуктивности гибридов.

Полиплоидией называют увеличение гаплоидного набора хромосом. На клетки растений, подготовленные к делению, воздействуют специальными веществами. Клетки перестают делиться, однако число хромосом в них увеличивается вдвое, вчетверо и т. д. Такие крупные клетки дают начало полиплоидным растениям: тетраплоиды (4n), гексаплоиды (6n) и т. д. В результате были получены полиплоидные яблони, груши, гречиха, рожь, пшеница, томат и многие другие сорта, приносящие удивительно крупные плоды. Урожайность с одного растения-полиплоида во много раз превышала урожайность его дикого предка.

Метод полиплоидии используется только в селекции растений.

Мутагенез – это метод воздействия на клетки растений различными мутагенами: химические вещества, облучение радиацией и т. д. Эти воздействия изменяют структуру ДНК, и, соответственно, свойства организма. Вредные изменения выбраковываются, а полезные закрепляются и используются в селекции.

В селекции микроорганизмов в основе своей применяют метод мутагенеза. Мутагены изменяют структуру ДНК прокариот, появляются мутантные бактерии с новым характером белков, а значит и признаков.

4. Генная инженерия

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.

Биотехнология – использование живых организмов и биохимических процессов в производстве.

С древних времен человек использовал микроорганизмы в таких видах производств, как: хлебопечение, пивоварение, сыроварение, виноделие и др.

В настоящее время, помимо пищевой промышленности, достижения биотехнологии с успехом применяются в сельском хозяйстве – как экологически безопасное средство борьбы с вредителями выращиваемых культур, сорняками, болезнями растений. Разработаны промышленные методы получения аминокислот и белков, используемые в качестве кормовых добавок в животноводстве. Кроме того, специфические штаммы[41] используются для очистки сточных вод: благодаря особому виду бактерий полностью очищаются сточные воды городских канализаций. Возможна очистка вод и от синтетических неразлагающихся отходов за счет специальных искусственных штаммов микроорганизмов, полученных в результате мутагенеза.

В медицине благодаря биотехнологии получены многие разновидности антибиотиков (производятся бактериями и грибами), гормонов, ферментов и других биоактивных веществ. Получение вакцин и антител позволяют предупредить и излечить многие опасные заболевания.

Развитие биотехнологии и генной инженерии позволяют получать ранее недоступные препараты, как например: инсулин, гормон роста человека, интерферон и др. Широкое распространение получили так называемые гибридомы (гибридные клетки) и продуцируемые ими антитела, используемые в качестве уникальных реагентов. Их применение позволяет получать новые данные о функционировании генетического аппарата клеток.

Биотехнология и генная инженерия – науки, которые в современном мире продолжают активно развиваться, постоянно создавая новые открытия и достижения во благо человечеству.

1. Что такое селекция и что она изучает?

2. Приведите примеров центров возникновения современных культурных сортов растений и пород животных.

3. Какими методами селекции (сознательными и бессознательными) пользовались люди в прошлые времена?

4. Какие методы селекции используются в современное время?

5. Какие методы селекции являются новейшими? Какие методы, на ваш взгляд, являются наиболее перспективными в селекции будущего?

6. Что такое биотехнология и генная инженерия? Какие вещества получают при помощи достижений этих наук?

Читайте также: