Суть генної інженерії. Біобезпека генно-інженерної діяльності

Генна інженерія— це область біотехнологій, що включає дії з перебудови генотипів. Вже сьогодні генна інженерія дозволяє включати та вимикати окремі гени, контролюючи таким чином діяльність організмів, а також переносити генетичні інструкції з одного організму в інший, у тому числі – організми іншого виду. У міру того, як генетики все більше дізнаються про роботу генів і білків, все більш реальною стає можливість довільним чином програмувати генотип (насамперед людський), з легкістю досягаючи будь-яких результатів: таких, як стійкість до радіації, здатність жити під водою, здатність до регенерації пошкоджених органів та навіть безсмертя.

Генетична інформація. Генетична інформація (геном) міститься в клітині в хромосомах (у людини їх 46), що складаються з молекули ДНК і білків, що її упаковують, а також у мітохондріях. ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота) є послідовністю нуклеотидів, кожен з яких містить один із чотирьох азотистих. З функціональної точки зору ДНК складається з множини блоків (послідовностей нуклеотидів), що зберігають певний обсяг інформації - генів.

Ген - ділянка молекули ДНК, в якій знаходиться інформація про первинну структуру якогось одного білка (один ген - один білок). Сукупність усіх генів організму становить його генотип. Всі клітини організму містять однаковий набір генів, але в кожній з них реалізується різна частина інформації, що зберігається. Лише ті гени активні, які необхідні функціонування цієї клітини, тому, наприклад, нейрони і з структурно-функциональным, і з біологічним особливостям від клітин печінки.

Роль білків в організмі. Білки є найважливішими молекулами у кожному живому організмі, хімічною основою живої матерії. За визначенням Енгельса "життя є спосіб існування білкових тіл". Білки здійснюють обмін речовин (перенесення речовин в організмі) та енергетичні перетворення, забезпечують структурну основу тканин, служать каталізаторами хімічних реакцій, захищають організми від патогенів, переносять повідомлення, що регулюють діяльність організму. Хімічно білки є ланцюжком амінокислот, згорнутим у просторі особливим чином. Одна з функцій білків – активація генів. Деякі гени містять фрагменти, які притягують себе певні білки. Якщо такі білки містяться в клітині, вони приєднуються до цієї ділянки гена і може дозволяти або забороняти копіювання на РНК. Наявність чи відсутність у клітині подібних регулюючих білків визначає, які гени активуються, отже, які нові білки синтезуються. Саме цей регулюючий механізм визначає, чи клітина повинна функціонувати як м'язова або як нервова клітина або яка частина тіла повинна розвиватися в цій частині ембріона. Якщо внести в організм (рослина, мікроорганізм, тварина або навіть людина) нові гени, то можна наділити його новою бажаною характеристикою, якою до цього він ніколи не мав

Генна інженерія бере свій початок у 1973 році, коли генетики Стенлі Кохен та Герберт Бойєр впровадили новий ген у бактерію кишкової палички (E. coli). Починаючи з 1982 року фірми США, Японії, Великобританії та інших країн виробляють генно-інженерний інсулін. Клоновані гени людського інсуліну були введені в бактеріальну клітину, де розпочався синтез гормону, який природні мікробні штами ніколи не синтезували. Близько 200 нових діагностичних препаратів вже введено в медичну практику, і понад 100 генно-інженерних лікарських речовин перебувають на стадії клінічного вивчення. Серед них ліки, що виліковують артрози, серцево-судинні захворювання, деякі пухлинні процеси та, можливо, навіть СНІД. Серед кількох сотень генно-інженерних фірм 60% працюють над виробництвом лікарських та діагностичних препаратів.

Генна інженерія у сільському господарстві. До кінця 1980-х вдалося успішно впровадити нові гени в десятки видів рослин і тварин — створити рослини тютюну з листям, що світяться, томати, що легко переносять заморозки, кукурудзу, стійку до впливу пестицидів. Одне з важливих завдань - отримання рослин, стійких до вірусів, оскільки нині немає інших способів боротьби з вірусними інфекціями сільськогосподарських культур. Введення в рослинні клітини генів білка оболонки вірусу робить рослини стійкими до цього вірусу. В даний час отримані трансгенні рослини, здатні протистояти впливу понад десяток різних вірусних інфекцій. Ще одне завдання пов'язане із захистом рослин від комах-шкідників. Застосування інсектицидів недостатньо ефективне. У генно-інженерних лабораторіях Бельгії та США були успішно проведені роботи з впровадження в рослинну клітину генів земляної бактерії Bacillus thuringiensis, які дозволяють синтезувати інсектициди бактеріального походження. Ці гени ввели в клітини картоплі, томатів та бавовнику. Трансгенні рослини картоплі та томатів стали стійкими до непереможного колорадського жука, рослини бавовнику виявилися стійкими до різних комах, у тому числі до бавовняної совки. Використання генної інженерії дозволило скоротити застосування інсектицидів на 40 – 60%. Генні інженери вивели трансгенні рослини з подовженим терміном дозрівання плодів. Такі помідори, наприклад, можна знімати з куща червоними, не боячись, що вони перезріють під час транспортування. Список рослин, до яких успішно застосовані методи генної інженерії, становить близько п'ятдесяти видів, включаючи яблуню, сливу, виноград, капусту, баклажани, огірок, пшеницю, сою, рис, жито та багато інших сільськогосподарських рослин.

Генна терапія людини

На людях технологія генної інженерії була вперше застосована для лікування Ашанті Де Сільви, чотирирічної дівчинки, яка страждала від важкої форми імунодефіциту. Ген, що містить інструкції для виробництва білка аденозиндезамінази (ADA), був у неї пошкоджений. А без білка ADA білі клітини крові вмирають, що робить організм беззахисним перед вірусами та бактеріями. Діюча копія гена ADA була введена в клітини крові Ашанті за допомогою модифікованого вірусу. Клітини отримали можливість самостійно виготовляти необхідний білок. Через 6 місяців кількість білих клітин у організмі дівчинки піднялася до нормального рівня. Після цього область генної терапії отримала поштовх подальшого розвитку. З 1990-х років сотні лабораторій проводять дослідження з використання генної терапії для лікування захворювань. Сьогодні ми знаємо, що за допомогою генної терапії можна лікувати діабет, анемію, деякі види раку, хворобу Хантінгтона та навіть очищати артерії. Нині триває понад 500 клінічних випробувань різних видів генної терапії. Несприятлива екологічна обстановка та ціла низка інших подібних причин призводять до того, що все більше дітей народжується із серйозними спадковими дефектами. Нині відомо 4000 спадкових захворювань, більшість із яких знайдено ефективних способів лікування. Сьогодні існує можливість діагностувати багато генетичних захворювань ще на стадії ембріона або зародка. Поки можна тільки припинити вагітність на ранній стадії у разі серйозних генетичних дефектів, але скоро стане можливим коригувати генетичний код, виправляючи і оптимізуючи генотип майбутньої дитини. Це дозволить повністю уникнути генетичних хвороб та покращити фізичні, психічні та розумові характеристики дітей.

Проект "Геном людини". У 1990 році в США було розпочато проект "Геном людини", метою якого було визначити весь генетичний рік людини. Проект, у якому важливу роль відіграли і російські генетики, було завершено 2003 року. В результаті проекту 99% геному було визначено з точністю 99,99% (1 помилка на 10 000 нуклеотидів). Завершення проекту вже принесло практичні результати, наприклад прості у застосуванні тести, що дозволяють визначати генетичну схильність до багатьох спадкових захворювань. Висловлено, наприклад, сподівання, що завдяки розширфровці геному вже до 2006 року будуть розроблені препарати для лікування такого небезпечного захворювання, як СНІД, до 2009 року будуть визначені гени, які пов'язані зі злоякісними новоутвореннями, а до 2010-2015 року будуть встановлені механізми. виникнення багатьох видів раку. До 2020 року може бути завершено розробку препаратів, що запобігають раку.

Перспективи контролю за генами. Розвиток генної інженерії уможливить поліпшення генотипу людини.Масштабні завдання, що стоять сьогодні перед людством, вимагають людей талановитих у багатьох галузях, досконалих і високорозвинених особистостей, які мають ідеальне здоров'я, найвищі фізичні та розумові здібності. Таких людей можна буде створити методами генної, генетичної та клітинної інженерії. Ці методи будуть застосовні як до дітей, що тільки з'являються на світ, так і до вже дорослих людей. Людина зможе багаторазово посилити свої власні здібності та збільшити здібності своїх дітей. З об'єктивної погляду у цьому немає нічого поганого чи не етичного. Вже сьогодні багато всесвітньо відомих вчених, таких як Вотсон, один з першовідкривачів ДНК, говорять про те, що людська дурість, наприклад, є по суті своєю генетичним захворюванням і в майбутньому буде виліковною. Буде повністю ліквідовано генетичні причини захворювань, всі люди будуть абсолютно здоровими. Старіння буде зупинено і нікому не доведеться стикатися з в'яненням, з занепадом сил, з старістю. Люди стануть практично безсмертними - смерть ставатиме все більш рідкісним явищем, переставши бути неминучістю. Відомо, наприклад, що з причин старіння є скорочення теломер при кожному розподілі клітини. Наприкінці 1990-х вченим вдалося впровадити в клітини відкритий ними ген, який відповідає за вироблення білка теломерази, що відновлює теломери, і тим самим зробити їх безсмертними. Звичайно, окремі групи, не обтяжені відповідними знаннями, але ті, хто переслідує якісь особисті, ідеологічні чи лобістські цілі, можуть намагатися заборонити подібні технології, але як показує історія розвитку науки, надовго це зробити їм не вдасться.

Генна інженерія здійснила прорив у лікуванні раку. Стівен Розенберг (Steven Rosenberg) та його колеги з американського Національного інституту раку (National Cancer Institute) випробували на низці пацієнтів новий метод боротьби з пухлинами, заснований на введенні в організм перепроектованих імунних клітин. Пам'ятаєте, як нещодавно вчені зуміли «навчити» імунні системи мишей ефективної боротьби з раковими пухлинами шляхом простої трансплантації білих клітин крові, забраних від особин, з природних причин до раку несприйнятливим (адже бувають і такі організми)? Тепер такий спосіб лікування раку випробуваний на людях. Спочатку автори роботи взяли імунні клітини — Т-лімфоцити — у людини, яка в силу своїх природних особливостей змогла успішно «відігнати» у себе меланому. Вчені визначили в них гени, які відповідають за роботу рецептора, що визнає ракові клітини, і розтиражували цей ген. Потім вони взяли Т-лімфоцити у кількох хворих на меланому і за допомогою ретровіруса впровадили в них штучний, клонований ген. Потім пацієнти перенесли процедуру хіміотерапії, після якої їх імунні системи виявилися ослабленими, з вкрай невеликим числом імунних клітин, що вижили. Тут-то цим хворим повернули їхні ж власні Т-клітини, забрані раніше, але тепер уже - з впровадженим у них новим геном (докладніше - в прес-релізі інституту). але становили від 9% до 56% всього «населення» Т-лімфоцитів в організмі. було два, одне з яких було зруйновано повністю, а друге скоротилося на 89% (після чого його видалили хірургічним шляхом), а другий пацієнт мав одну пухлину, яка «розсіялася». Розенберг зазначає, що "вперше генні маніпуляції призвели до регресу пухлини у людей". "Ми тепер можемо брати нормальні лімфоцити у пацієнтів і модифікувати їх у лімфоцити, що реагують на ракові клітини", - заявив учений, який має намір продовжити дослідження. Він хоче дізнатися, як генетично модифіковані клітини виживуть в організмі протягом більшого терміну, як працюватиме ця терапія в комплексі з іншими методами лікування раку, як вона зможе допомогти при боротьбі з іншими типами ракових утворень (тут будуть працювати інші гени, що кодують будівництво інших). рецепторів). Загалом питань ще чимало. Якщо трохи відійти, то можна сказати ще й про ультразвукову абляцію HIFU терапії. Лідером у цій галузі є лікарі КНР. Її технологія полягає у спалюванні ракових клітин ультразвуком, при температурі 100 градусів Цельсія пухлина буквально тане. Лідером у виробництві спеціалізованої техніки є пекінська компанія Haifuning HIFU Technology, яка спільно з американською компанією General Electric створила повністю комп'ютеризований апарат з керованим температурним режимом-FEP BY 02.

Література:

1. Сінгер М., Берг П. Гени та геноми. - Москва, 1998.
2. Стент Р., Келіндар Р. Молекулярна генетика. - Москва,
3. Sambrook J., Fritsch E.F., Maniatis T. Molecular Cloning. -
4. Патрушев Л. І. Штучні генетичні системи. - М.: Наука, 2004.
5. Щелкунов С. Н. Генетична інженерія. - Новосибірськ: Сиб. унів. вид-во, 2008.
6. Свобода слова (газета, матеріали з номера №4 (348) 2.02.2012)

Генна інженерія є сукупністю способів, прийомів та технологій виділення з клітин або організму генів, отримання рекомбінантних РНК та ДНК, здійснення різних маніпуляцій з генами, а також введення їх та інші організми. Ця дисципліна сприяє отриманню бажаних характеристик організму, що змінюється.

Наукою у сенсі генна інженерія перестав бути, проте вважається біотехнологічним інструментом. У ній використовуються дослідження таких наук, як генетика, молекулярна мікробіологія.

Створені методи генної інженерії, пов'язані з управлінням спадковістю, стали однією з найяскравіших подій у розвитку науки.

Вчені, молекулярні біологи, біохіміки навчилися змінювати, модифікувати гени та створювати абсолютно нові, поєднуючи гени від різних організмів. Також вони навчилися та синтезувати матеріал відповідно до заданих схем. Штучний матеріал вчені почали вводити до організмів, змушуючи їх працювати. На всій цій роботі ґрунтується генна інженерія.

Проте є певна обмеженість «біологічного матеріалу». Цю проблему вчені намагаються вирішити за допомогою та Фахівці зазначають, що цей шлях є досить перспективним. Протягом останніх кількох десятиліть вченими було створено прийоми, з яких певні клітини з рослинних чи можна змусити розвиватися і розмножуватися незалежно, окремо від організму.

Досягнення генної інженерії мають велике значення. застосовуються в експериментах, а також при промисловому виробництві певних речовин, які неможливо одержати при використанні бактеріальних культур. Однак і в цій галузі мають місце труднощі. Так, наприклад, проблемою є відсутність здатності у клітин тварин ділитися таку ж нескінченну кількість разів, як

У ході експериментів було зроблено фундаментальні відкриття. Так, уперше було виведено «хімічно чистий», ізольований ген. Згодом вчені відкрили ферменти лігази та рестриктази. За допомогою останніх можна розрізати ген на шматочки - нуклеотиди. А за допомогою лігазу можна навпаки з'єднувати, «склеювати» ці шматочки, але вже в новій комбінації, створюючи, конструюючи інший ген.

Значних успіхів досягли вчені і в процесі читання біологічної інформації. Протягом багатьох років розшифровкою закладених у генах даних займалися У. Гілберт та Ф. Сенгер, американський та англійський вчені.

Фахівці зазначають, що генна інженерія за весь період свого існування не вплинула на самих дослідників, не завдала шкоди людині і не завдала шкоди природі. Вчені відзначають, що досягнуті результати як у процесі вивчення функціонування механізмів, які забезпечують життєдіяльність організмів, і у прикладної галузі є дуже значними. У цьому перспективи видаються воістину фантастичними.

Незважаючи на велике значення генетики та генної інженерії у сільському господарстві та медицині, головних її результатів ще не досягнуто.

Перед вченими стоїть чимало завдань. Слід визначити як функції і призначення кожного гена, а й умови, у яких відбувається його активація, у які саме періоди життя, під впливом яких чинників, у яких саме ділянках організму він включається і стимулює синтез відповідного білка. Крім того, важливо з'ясувати роль цього білка в житті організму, які реакції він запускає, чи виходить за межі клітин, яку несе інформацію. Досить складною є проблема згортання білків. Вирішення цих та багатьох інших завдань здійснюється вченими в рамках генної інженерії.

Генетична інженерія

Сучасна біологія докорінно відрізняється від традиційної біології як більшої глибиною розробки пізнавальних ідей, а й тіснішим зв'язком із життям суспільства, з практикою. Можна сміливо сказати, що у час біологія стала засобом перетворення живого світу з задоволення матеріальних потреб суспільства. Цей висновок ілюструється насамперед тісним зв'язком біології з біотехнологією, який став найважливішою галуззю матеріального виробництва, рівноправним партнером механічної та хімічної технологій, створених людиною, а також з медициною.

З моменту свого виникнення біологія та біотехнологія завжди розвивалися спільно, причому від початку біологія була науковою основою біотехнології. Однак тривалий час недолік власних даних не дозволяв біології дуже впливати на біотехнологію. Положення різко змінилося зі створенням у другій половині XX ст. методології генетичної інженерії,під якою розуміють генетичне маніпулювання з метою конструкції нових та реконструкції існуючих генотипів. Будучи за своєю природою методичним досягненням, генетична інженерія не призвела до ломки сформованих уявлень про біологічні явища, не торкнулася основних положень біології подібно до того, як радіоастрономія не похитнула основних положень астрофізики, встановлення «механічного еквівалента тепла» не призвело до зміни законів. атомістичної теорії речовини не змінило співвідношень термодинаміки, гідродинаміки та теорії пружності (А.А. Баєв).

Проте генетична інженерія відкрила нову еру в біології з тієї причини, що з'явилися нові можливості для проникнення в глиб біологічних явищ з метою подальшої характеристики форм існування живої матерії, більш ефективного вивчення структури та функції генів на молекулярному рівні, розуміння тонких механізмів роботи генетичного апарату. Успіхи генетичної інженерії означають переворот у сучасному

природознавство. Вони визначають критерії цінності сучасних уявлень про структурно-функціональні особливості молекулярного та клітинного рівнів живої матерії. Сучасні дані про живому мають гігантське пізнавальне значення, бо забезпечують розуміння однієї з найважливіших сторін органічного світу і тим самим роблять неоціненний внесок у створення наукової картини світу. Таким чином, різко розширивши свою пізнавальну базу, біологія через генетичну інженерію справила також провідне впливом геть підйом біотехнології.

Генетична інженерія створює заділи на шляху пізнання способів та шляхів «конструювання» нових або покращення існуючих організмів, надаючи їм велику господарську цінність та здатність різкого збільшення продуктивності біотехнологічних процесів. Однак генетична інженерія створила нові горизонти і для медицини по лінії діагностики та лікування багатьох хвороб, як не спадкових, так і спадкових. Вона відкрила нові шляхи у пошуках нових ліків та матеріалів, що використовуються в медицині. Генетична інженерія та біотехнологія стимулювали розробку методів біонанотехнології.

У рамках генетичної інженерії розрізняють геннуі клітиннуінженерію. Під генною інженерією розуміють маніпуляції для створення рекомбінантних молекул ДНК. Часто цю методологію називають молекулярним клонуванням, клонуванням генів, технологією рекомбінантних ДНК чи просто генетичними маніпуляціями. Важливо наголосити, що об'єктом генної інженерії є молекули ДНК, окремі гени. Навпаки, під клітинною інженерією розуміють генетичні маніпуляції із ізольованими окремими клітинами чи групами клітин рослин та тварин.

ГЕННА ІНЖЕНЕРІЯ ТА ЇЇ ІНСТРУМЕНТИ

Генну інженерію складає сукупність різних експериментальних прийомів (методик), що забезпечують конструкцію (реконструкцію), клонування молекул ДНК та генів із заданими цілями.

Методи генної інженерії використовують у певній послідовності (рис. 127), причому розрізняють кілька стадій у вико-

нні типового генно-інженерного експерименту, спрямованого на клонування будь-якого гена, а саме:

1. Виділення плазмідій ДНК із клітин цікавого організму (початкового) та виділення ДНК-вектора.

2. Розрізання (рестрикція) ДНК вихідного організму на фрагменти, що містять гени, що цікавлять, за допомогою одного з ферментів-рестриктаз і виділення цих генів з рестрикційної суміші. Одночасно розрізають (рестрикують) векторну ДНК, перетворюючи її з кільцевої структури на лінійну.

3. Змикання сегмента ДНК (гена) з ДНК вектора з метою отримання гібридних молекул ДНК.

4. Введення рекомбінантних молекул ДНК шляхом трансформації в будь-який інший організм, наприклад, Е. coliчи соматичні клітини.

5. Висів бактерій, в які вводили гібридні молекули ДНК, на живильні середовища, що дозволяють зростання тільки клітин, що містять гібридні молекули ДНК.

6. Ідентифікація колоній, які з бактерій, містять гібридні молекули ДНК.

7. Виділення клонованої ДНК (клонованих генів) та її характеристика, включаючи секвентування азотистих основ у клонованому фрагменті ДНК.

Мал. 127.Послідовні стадії генно-інженерного експерименту

У ході еволюції бактерії розвинули здатність синтезувати так звані рестрицірующие ферменти (ендонуклеази), які стали частиною клітинної (бактеріальної) системи рестрикції модифікації. У бактерій системи рестрикції-модифікації є внутрішньоклітинною імунною системою захисту від чужорідної ДНК. На відміну від вищих організмів, у яких розпізнавання та руйнування вірусів, бактерій та інших патогенів відбувається позаклітинно, у бактерій захист від чужорідної ДНК (ДНК рослин та тварин, в організмі яких вони мешкають) відбувається внутрішньоклітинно, тобто. тоді, коли чужорідна ДНК проникає у цитоплазму бактерій. З метою захисту бактерії в ході еволюції розвинули також здатність «мітити» власну ДНК метилюючими основами на певних послідовностях. З цієї ж причини чужорідна ДНК через відсутність у ній метильних груп на тих самих послідовностях плавиться (розрізається) на фрагменти різними бактеріальними рестриктазами, а потім деградується бактеріальними екзонуклеазами до нулеотидів. Можна сказати, що таким чином бактерії захищають себе від ДНК рослин і тварин, в організмі яких вони живуть тимчасово (як патогени) або постійно (як сапрофіти).

Рестриктази вперше були виділені з Е. coliв 1968 р. виявилося, що вони здатні розрізати (плавити) молекули ДНК на різних сайтах (місцях) рестрикції. Ці ферменти отримали назву ендонуклеаз класу I. Потім у бактерій були виявлені ендонуклеази класу II, які розпізнають у чужорідній ДНК сайти рестрикції специфічно і на цих сайтах також здійснюють рестрикцію. Саме ферменти цього класу почали використовувати у генній інженерії. Тоді ж було відкрито ферменти класу III, які плавлять ДНК поруч із сайтами розпізнавання, але ці ферменти немає значення генної інженерії.

Дія системи рестрикції-модифікації «раціоналізується» так званими паліндромними (розпізнавальними) послідовностями азотистих основ, які є сайтами рестрикції ДНК. Паліндромні послідовності - це послідовності основ, які однаково читаються вперед і назад, як, наприклад, послідовність букв радар.Оскільки ланцюги ДНК мають антипаралельний напрямок, то вважають, що послідовність є паліндромною, якщо вона ідентична, коли читається в напрямку від 5" - до 3"-кінця на верхньому і на нижньому ланцюгу від 3" - до 5"-кінця, а саме :

Паліндроми можуть бути будь-яких розмірів, але більшість тих паліндромів, які використовують як сайти впізнавання рестриктазами, складаються з 4, 5, 6 і рідше 8 підстав.

Рестриктази - це абсолютно необхідний інструмент генної інженерії для вирізання цікавих фрагментів (генів) з великих молекул ДНК. Оскільки відомо більше 100 ферментів рестрикції, це дозволяє вибір рестриктаз і селективне вирізування фрагментів з вихідної ДНК.

Чудовою особливістю рестриктаз є те, що вони продукують розрізи молекул на кілька фрагментів (рестриктів) ДНК уступами, в результаті чого в кінцях, що утворюються, один ланцюг довший за інший, утворюючи своєрідний хвіст. Такі кінці (хвости) отримали назву «липких» кінців, оскільки вони здатні до самокомплементарності.

Розглянемо результати рестрикції на прикладі однієї з найвідоміших рестриктаз Eco RIіз системи рестрикція-модифікація Е. сої.Замість того, щоб плавити ДНК у центрі паліндромної послідовності впізнавання, цей фермент плавить ДНК за межами центру і продукує 4 самокомплементарні («липкі») кінці, що складаються з різної кількості нуклеотидів, а саме:

Ці «липкі» кінці в генно-інженерних дослідах корисні з тієї причини, що вони можуть бути комплементарно возз'єднані при низьких температурах, що дозволяє ефективне змикання ДНК-фрагментів.

Сайти розпізнавання та сайти плавлення у разі інших рестриктаз мають інший зміст, а саме:

Слідом за рестрикцією ДНК із рестрикційної суміші виділяють рестрикційні ДНК-фрагменти (ДНК-рестрикти), які необхідні для об'єднання з вектором. Для виділення ДНКрестриктів вдаються до електрофорезу, оскільки за допомогою цього методу рестриковану ДНК дуже легко фракціонувати завдяки розмірам фрагментів-рестриктів та константним відносинам електричний заряд-маса. Фрагменти в електричному полі мігрують у ході електрофорезу при частоті, залежній від розмірів (маси). Чим більший (довше) фрагмент, тим повільніше він мігрує в електричному полі. Матеріалом, в якому проводять електрофорез, є агарозу, що незаряджається, або поліакриламід. Для пізнання фрагментів використовують етидій бромід, який фарбує фрагменти, що веде до їхнього легкого виявлення.

Результативність електрофорезу дуже висока, оскільки за його допомогою можуть бути розділені фрагменти, розміри яких становлять від 2 до 50 000 основ.

Після електрофорезу фрагменти із агарози виділяють за допомогою різних методів. На підставі результатів порівняння розмірів

рестриктів однієї і тієї ж ДНК, отриманих за допомогою різних рестриктаз, будують рестрикційні карти, на яких показують сайти рестрикції кожної з використаних рестриктаз. У практичному плані рестрикційні карти дозволяють визначати як розміри рестриктів, а й з'ясовувати розташування у молекулах ДНК локусів тих чи інших генів.

Оскільки у вищих організмів у ході транскрипції синтезується гетерогенна ДНК, що коригується процесингом, то в генній інженерії зазвичай використовують комплементарну ДНК (кДНК), яку отримують при використанні як матрицю мРНК, на якій зворотна транскриптаза синтезує одноланцюгову ДНК (кДНК), що є копією мРНК. Надалі ці одноланцюгові ДНК перетворюють на дволанцюгові ДНК. Вважають, що кДНК містить безперервні нуклеотидні послідовності (транскрибуються та транслюються). Саме кДНК використовують для рестрикції.

Виділені після електрофорезу з агарозних гелів фрагменти ДНК (рестрикти) можна заздалегідь піддати секвентирування, тобто. визначити у них нуклеотидну послідовність. Для цього служать хімічний та ферментативний методи секвентування. Хімічний метод заснований на отриманні мічених радіоактивним фосфором (32 Р) фрагментів та видаленні з цих фрагментів однієї з основ з наступним урахуванням результатів радіоавтографії гелів, що містять ці фрагменти. Ферментативний метод заснований на тому, що в кінець аналізованого фрагмента вводять нуклеотид, який потім використовується в синтезі різних фрагментів in vitro,аналізованих на нуклеотидну послідовність електрофоретично. Для вивчення специфічних послідовностей нуклеотидів у молекулі ДНК використовують

також гібридизацію ДНК-ДНК, РНК-РНК, ДНК-РНК, Нозерн-

та Саузерен-Блоттінг.

Генетичні векторів. Сегмент ДНК (ген), який призначений для молекулярного клонування, повинен мати здатність до реплікації при перенесенні його в бактеріальну клітину, тобто. бути репліконом. Однак він такої здатності не має. Тому, щоб забезпечити перенесення і виявлення генів, що клонуються в клітинах, їх поєднують з так званими генетичними векторами. Останні повинні мати як мінімум дві властивості. По-перше, вектори мають бути здатними до реплікації.

у клітинах, причому у кількох кінцях. По-друге, вони мають забезпечувати можливість селекції клітин, які містять вектор, тобто. володіти маркером, на який можна вести контрселекцію клітин, що містять вектор разом з геном, що клонується (рекомбінантні молекули ДНК). Таким вимогам відповідають плазміди та фаги. Плазміди є хорошими векторами тому, що вони є репліконами і можуть містити гени резистентності до будь-якого антибіотика, що дозволяє вести селекцію бактерій на стійкість до цього антибіотика і, отже, легке виявлення рекомбінантних молекул ДНК

(Рис. 128).

Мал. 128.Вектор pBRl

Оскільки не існує природних плазмідних векторів, то всі відомі на цей час плазмідні вектори були сконструйовані штучно. Вихідним матеріалом для створення ряду генетичних векторів послужили R-плазміди, в яких за допомогою рестриктазу видаляли зайві послідовності ДНК, у тому числі ті, на яких розташовувалися множинні сайти рестрикції. Це видалення визначалося тим, що плазмідний вектор повинен мати лише один сайт впізнавання для однієї рестриктази, причому цей сайт повинен лежати у функціонально несуттєвому районі плазмідного геному. Наприклад, плазмідій вектор pBR 322, який має гени резистентності до ампіциліну та тетрацикліну, що робить його дуже зручним.

для селекції бактерій, що містять клонований сегмент ДНК, має одиночні сайти рестрикції для більше 20 ферментів-рестриктаз, включаючи такі відомі рестриктази, як Eco RI, Hind III, Pst I, Pva II і Sal I.

Фагові вектори теж мають ряд переваг. Вони можуть включати більші (довші) клоновані фрагменти ДНК в порівнянні з плазмовими векторами. Далі, перенесення фагами фрагмента, що клонується, в клітини в результаті інфікування ними останніх є більш ефективним, ніж трансформація ДНК. Нарешті, фагові вектори дозволяють більш ефективний скринінг (розпізнання) на поверхні агару колоній, що містять клітини, що несуть ген, що клонується. Багато фагових векторів сконструйовано на базі фага лямбда.

Крім фагових використовують інші вірусні вектори, сконструйовані з урахуванням вірусу герпесу, і навіть вектори, сконструйовані з урахуванням дріжджової ДНК.

Якщо клонування генів проводять, використовуючи клітини ссавців або рослин, то вимоги до векторів ті самі, що й у разі клонування в бактеріальних клітинах.

Конструювання рекомбінантних молекул ДНК. Безпосереднє конструювання рекомбінантних молекул ДНК слід після того, як отримані рестрикти досліджуваної ДНК та векторної ДНК. Воно полягає у змиканні сегментів-рестриктів досліджуваної ДНК з рестриктом векторної ДНК, яка в результаті рестрикції перетворюється з кільцевої на лінійну ДНК.

Щоб зімкнути фрагменти досліджуваної ДНК із ДНК вектора, використовують ДНК-лігаз (рис. 129). Лігування буде успішним, якщо структури, що змикаються, володіють З"-гідроксильною і 5"-фос-фатною групами і якщо ці групи розташовані відповідним чином відносно одна одній. Фрагменти поєднуються через їх «липкі» кінці внаслідок самокомплементарності. При високих концентраціях фрагментів останні іноді стають у правильне становище (навпаки один одного). Багато рестриктазів, таких як Eco RI, продукують «липкі» кінці, що складаються з чотирьох підстав. Процес лігування «липких» кінців, що з чотирьох підстав, відбувається за зниженою температурі (до 12 °С).

Мал. 129.ДНК-лігування

Якщо при рестрикції утворюються фрагменти без «липких» кінців, їх «насильно» конвертують у молекули з «липкими» кінцями, використовуючи фермент трансферазу. Цей фермент додає нуклеотиди до 3"-кінцю ДНК. На одному фрагменті може бути доданий полі-А-хвіст, на іншому - полі-Т-хвіст. Для генерації будь-яких бажаних кінців ДНК використовують також полімеразну ланцюгову реакцію (ПЛР). Принцип ПЛР заснований на денатурації виділеної з клітин ДНК і «відпалу» її з додаванням до ренатуруються ланцюгів ДНК-олігонуклеотидів, що складаються з 15-20 нуклеотидів кожен. синтезу ДНК in vitro,вони дозволяють ДНК-полімеразі копіювати ділянки, які знаходяться між «затравками». Це копіювання дає велику кількість копій фрагмента ДНК, що вивчається.

Введення рекомбінантних молекул ДНК у клітини. Після змикання цікавого фрагмента ДНК (гена) з генетичним вектором за допомогою ДНК-лігази утворені рекомбінантні молекули вводять у клітини з метою добитися їх реплікації (за рахунок генетичного вектора) та збільшення кількості копій. Найбільш популярним способом введення в клітини рекомбінантних молекул ДНК, в яких вектор служить плазміда, є трансформація Е. coli.З цією метою бактеріальні клітини попередньо обробляють кальцієм або рубідієм (іонами), для того

щоб вони стали "компетентними" у сприйнятті рекомбінатної ДНК. Щоб підвищити частоту проникнення ДНК клітини, використовують метод електропорації, що полягає в короткому експонуванні клітин в інтенсивному електричному полі. Ця обробка створює порожнини в мембранах клітин, що сприяє кращому сприйняттю клітин ДНК. Після запровадження рекомбінатних молекул ДНК в бактерії останні висівають на МПА (м'ясо-пептонний агар), збагачений антибіотиками для селекції бажаних клітин, тобто. клітин, що містять рекомбінантні молекули ДНК Частота трансформації є невисокою. Зазвичай один трансформант виникає на 105 висіяних клітин. Якщо вектор є фаговим, то вдаються до трансфекції клітин (бактерій чи дріжджів) фагом. Що ж до соматичних клітин тварин, їх трансфекцію здійснюють ДНК у присутності хімічних речовин, полегшують проходження ДНК через плазматичні мембрани. Можливі також прямі мікроін'єкції ДНК в овоцити, в соматичні клітини, що культивуються, і в ембріони ссавців.

Найважливішим моментом, пов'язаним з молекулярним клонуванням, є пошук способу, що дозволяє встановити, чи фрагмент, що дійсно клонується, включився у вектор і разом з вектором, утворивши рекомбінатну молекулу ДНК, увійшов у клітини. Якщо йдеться про бактеріальні клітини, то один із способів ґрунтується на обліку інсерційної інактивації плазмідного (векторного) гена резистентності. Наприклад, у плазмідному векторі pBR 322, що детермінує резистентність до ампіциліну та тетрацикліну, єдиний сайт для рестриктази Pst I знаходиться в локусі, який займає ген резистентності до ампіциліну. Pst I-плавлення на цьому сайті генерує «липкі» кінці, що дозволяють лігування фрагмента, що клонується, з векторною ДНК. Однак при цьому плазмідний (векторний) ген ампіцилінрезистентності інактивується, тоді як ген тетрациклінрезистентності на векторі залишається інтактним. Саме ген тетрациклінрезистентності використовується для селекції клітин, що трансформуються рекомбінантними молекулами ДНК. Це дозволяє переконатися, що клітини колоній, що виросли, на середовищі з тетрацикліном дійсно містять рекомбінантні молекули ДНК, їх перевіряють за допомогою так званого «спот-тесту» на парі чашок із щільним середовищем, одна з яких містить ампіцилін, тоді як інша позбавлена ​​цього антибіотика. Клоновані ДНК знаходяться

лише у трансформантах, резистентних до тетрацикліну. Що стосується трансформантів, резистентних одночасно до ампіциліну та тетрацикліну (АрТс), то вони містять плазмідні (векторні) молекули, які спонтанно набули кільцевої форми без включення в них чужорідної (клонованої) ДНК.

Інший спосіб виявлення інсерції чужорідних (клонованих) фрагментів у плазмідний вектор заснований на використанні вектора, що містить ген β-галактозидази. Інсерція чужорідної ДНК у цей ген неминуче інактивує синтез β-галактозидази, що може бути виявлено посівом трансформованих клітин на середовище, що містить β-галактозидази субстрати. Це середовище дозволяє селекцію фарбованих колоній клітин. Існують інші методи.

Як уже зазначено, рестрикційні лінійні фрагменти векторної ДНК здатні до відновлення кільцевої структури без включення в них сегментів, що клонуються. Щоб зменшити частоту спонтанного утворення таких кільцевих молекул векторної ДНК, рестрикт векторної ДНК обробляють фосфатазою. В результаті цього утворення кільцевих молекул ДНК стає неможливим, оскільки будуть відсутні кінці 5"-РО 4 необхідні для дії лігази.

Сукупність колоній-трансформантів, що виросли на селективному середовищі, є сукупністю клітин, що містять клони різних фрагментів (генів) клонованої геномної або кДНК. Колекції цих клонів формують так звані бібліотеки ДНК, які широко використовуються в генно-інженерних роботах.

Заключною стадією клонування генів є виділення та дослідження клонованої ДНК, включаючи секвенування. Перспективні штами бактерій або соматичних клітин, що містять рекомбінантні молекули ДНК, які контролюють синтез білків, що цікавлять, мають комерційну цінність, передають у промисловість.

КЛІТИННА ІНЖЕНЕРІЯ

Як зазначено на початку глави, клітинною інженерією називають генетичні маніпуляції з ізольованими клітинами тварин та рослин. Ці маніпуляції часто здійснюють in vitro,а головною метою вони мають отримання генотипів цих організмів із заданими властивостями, насамперед господарсько корисними. Що стосується

ся людини, то клітинна інженерія виявилася застосовною до його статевих клітин.

Передумовою розвитку клітинної інженерії у людини і тварин стала розробка методів культивування їх соматичних клітин на штучних живильних середовищах, а також отримання гібридів соматичних клітин, включаючи міжвидові гібриди. У свою чергу успіхи в культивуванні соматичних клітин вплинули на вивчення статевих клітин та запліднення у людини та тварин. Починаючи з 60-х років. ХХ ст. у кількох лабораторіях світу було виконано численні експерименти з пересадки ядер соматичних клітин на яйцеклітини, штучно позбавлені ядер. Результати цих експериментів часто були суперечливими, але в цілому вони призвели до відкриття здатності клітинних ядер забезпечувати нормальний розвиток яйцеклітини (див. гл. IV).

На основі результатів вивчення розвитку запліднених яйцеклітин у 60-ті роки. XX ст. було розпочато також дослідження щодо з'ясування можливості запліднення яйцеклітин поза організмом матері. Дуже швидко ці дослідження призвели до відкриття можливості запліднення яйцеклітин сперматозоїдами у пробірці та подальшого розвитку утворених таким шляхом зародків при імплантації до матки жінки. Подальше вдосконалення розроблених у цій галузі методів призвело до того, що народження пробіркових дітей стало реальністю. Вже до 1981 р. у світі було народжено 12 дітей, життя яким було дано у лабораторії, у пробірці. В даний час цей розділ клітинної інженерії набув великого поширення, а кількість «пробіркових» дітей складає вже десятки тисяч (рис. 130). У Росії її роботи з отримання «пробіркових» дітей розпочали лише 1986 р.

У 1993 р. було розроблено методику отримання монозиготних близнюків людини in vitroшляхом поділу ембріонів на бластомери та дорощування останніх до 32 клітин, після чого вони могли бути імплантовані в матку жінки.

Під впливом результатів, пов'язаних з отриманням «пробіркових» дітей, у тварин також була розроблена технологія, що отримала назву трансплантаціїембріонів. Вона пов'язана з розробкою способу індукції поліовуляції, способів штучного запліднення яйцеклітин та імплантації зародків в організм тварин - прийомних матерів. Суть цієї технології зводиться до наступного.

щему. Високопродуктивну корову вводять гормони, внаслідок чого настає поліовуляція, що полягає в дозріванні відразу 10-20 клітин. Потім яйцеклітини штучно запліднюються чоловічими статевими клітинами в яйцеводі. На 7-8-й день зародки вимивають з матки і трансплантують до матки іншим коровам (приймальним матерям), які потім дають життя телятам-близнюкам. Телята успадковують генетичний статус своїх справжніх батьків.

Мал. 130.«Пробіркові» діти

Інший областю клітинної інженерії у тварин є створення трансгенних тварин. Найбільш простий спосіб отримання таких тварин полягає у введенні у яйцеклітини вихідних тварин лінійних молекул ДНК. Тварини, що розвинулися з запліднених таким чином яйцеклітин, будуть містити в одній зі своїх хромосом копію введеного гена і, крім того, передаватимуть цей ген у спадок. Більш складний спосіб отримання трансгенних тварин розроблений на мишах, що відрізняються за забарвленням шерстного покриву, і зводиться до наступного. Спочатку з організму вагітної сірої миші витягують чотириденні зародки і подрібнюють їх на окремі клітини. Потім з ембріональних клітин витягують ядра, переносять в яйцеклітини чорних мишей, попередньо позбавлених ядер. Яйцеклітини чорних мишей, що містять чужі ядра, поміщають у пробірки

з живильним розчином для подальшого розвитку. Зародки, що розвинулися з яйцеклітини чорних мишей, імплантують у матки білих мишей. Таким чином, у цих експериментах вдалося отримати клон мишей із сірим забарвленням шерстного покриву, тобто. клонувати ембріональні клітини із заданими властивостями. У розділі IV ми розглянули результати запліднення штучно позбавлених ядер яйцеклітин овець ядерним матеріалом соматичних клітин тварин цього виду. Зокрема, з яйцеклітин овець видаляли ядра, а потім такі яйцеклітини вводили ядра соматичних клітин (ембріональних, плодових або клітин дорослих тварин), після чого запліднені таким чином яйцеклітини вводили в матки дорослих овець. Ягнята, що народжуються, виявилися ідентичними вівцедонору. Приклад – вівця Доллі. Отримано також клонові телята, миші, кролики, кішки, мули та інші тварини. Таке конструювання трансгенних тварин є прямий шлях клонування тварин з господарсько корисними ознаками, включаючи особин певної статі.

Трансгенні тварини отримані також під час використання вихідного матеріалу, що належить різним видам. Зокрема, відомий спосіб передачі гена, що контролює гормон росту, від щурів до яйцеклітин мишей, а також спосіб комбінування бластомерів вівці з бластомерами кози, що призвело до виникнення гібридних тварин (ківец). Ці експерименти вказують на можливість подолання видової несумісності на ранніх етапах розвитку. Особливо привабливі перспективи відкриваються (якщо видова несумісність буде подолана повністю) по дорозі запліднення яйцеклітин одного виду ядрами соматичних клітин іншого виду. Йдеться про реальну перспективу створення господарсько цінних гібридів тварин, яких неможливо одержати шляхом схрещувань.

Слід зазначити, що ядерно-трансплантаційні роботи ще дуже ефективні. Експерименти, виконані на земноводних і ссавців, загалом показали, що їхня результативність є невеликою, причому вона залежить від несумісності між донорськими ядрами та реципієнтними овоцитами. Крім того, перешкодою на шляху до успіхів є також хромосомні аберації, що утворюються в трансплантованих ядрах в ході подальшого розвитку, які супроводжуються загибеллю трансгенних тварин.

На стику робіт з вивчення гібридизації клітин та імунологічних досліджень виникла проблема, пов'язана з отриманням та вивченням так званих моноклональних антитіл. Як зазначено вище, антитіла, що продукуються організмом у відповідь на введення антигену (бактерії, віруси, еритроцити і т.д.), являють собою білки, які називаються імуноглобулінами і складають фундаментальну частину захисної системи організму проти збудників хвороб. Але будь-яке чужорідне тіло, що вводиться в організм, є сумішшю різних антигенів, які будуть збуджувати продукцію різних антитіл. Наприклад, еритроцити людини мають антигени не тільки для груп крові А (II) і В (III), але і багатьма іншими антигенами, включаючи резус-фактор. Далі, білки клітинної стінки бактерій або капсиду вірусів також можуть діяти як різні антигени, що викликають утворення різних антитіл. У той самий час лімфоїдні клітини імунної системи організму зазвичай представлені клонами. Значить, навіть тільки з цієї причини в сироватці крові імунізованих тварин антитіла завжди є сумішшю, що складається з антитіл, що продукуються клітинами різних клонів. Тим часом для практичних потреб потрібні антитіла лише одного типу, тобто. так звані моноспецифічні сироватки, що містять антитіла лише одного типу або, як їх називають, моноклональні антитіла.

У пошуках методів отримання моноклональних антитіл швейцарськими дослідниками в 1975 р. було відкрито спосіб гібридизації між лімфоцитами мишей, імунізованих тим чи іншим антигеном, і пухлинними клітинами кісткового мозку, що культивуються. Такі гібриди отримали назву «гібридомні». Від «лімфоцитарної» частини, представленої лімфоцитом одного клону, одиночна гібридома успадковує здатність викликати утворення необхідних антитіл, причому одного типу, а завдяки «пухлинній (міеломній)» частині вона стає здатною, як і всі пухлинні клітини, нескінченно довго розмножуватися на штучних живильних середовищах, даючи численну популяцію гібридів. На рис. 131 показана схема виділення клітинних ліній, що синтезують моноклональні антитіла. Лінії мишачих клітин, що синтезують моноклональні антитіла, виділяють шляхом злиття мієломних клітин з лімфоцитами із селезінки миші, імунізованої за п'ять днів до цього

бажаним антигеном. Злиття клітин досягають змішуванням їх у присутності поліетиленгліколю, який індукує злиття клітинних мембран, а потім у висіві їх на живильне середовище, що дозволяє зростання та розмноження тільки гібридних клітин (гібридом). Розмноження гібридом проводять у рідкому середовищі, де вони ростуть далі і секретують антитіла культуральну рідину, причому тільки одного типу, до того ж в необмежених кількостях. Ці антитіла отримали назву моноклональних. Щоб підвищити частоту утворення антитіл, вдаються до клонування гібридом, тобто. до селекції окремих колоній гібридом, здатних викликати утворення найбільшої кількості антитіл бажаного типу. Моноклональні антитіла знайшли широке застосування у медицині для діагностики та лікування низки хвороб. У той же час найважливіша перевага моноклональної технології полягає в тому, що з її допомогою можна отримати антитіла проти матеріалів, які неможливо очистити. Навпаки, можна отримати моноклональні антитіла проти клітинних (плазматичних) мембран нейронів тварин. Для цього мишей імунізують виділеними мембранами нейронів, після чого їх селезінкові лімфоцити поєднують з мієломними клітинами, а далі надходять, як описано вище.

Мал. 131. Отримання моноклональних антитіл

ГЕНЕТИЧНА ІНЖЕНЕРІЯ ТА МЕДИЦИНА

Генна інженерія виявилася дуже перспективною для медицини, насамперед у створенні нових технологій отримання фізіологічно активних білків, що використовуються як ліки (інсулін, соматостатин, інтерферони, соматотропін та ін.).

Інсулін використовують для лікування хворих на діабет, який стоїть на третьому місці (після хвороб серця і раку) за частотою спричинених смертельних випадків. Світова потреба інсуліну становить кілька десятків кілограмів. Традиційно його одержують із панкреатичних залоз свиней та корів, але гормони цих тварин злегка відрізняються від інсуліну людини. Інсулін свиней відрізняється за однією амінокислотою, а коров'яків - за трьома. Вважають, що інсулін тварин часто спричиняє побічні ефекти. Хоча хімічний синтез інсуліну здійснено давно, але досі промислове виробництво гормонів залишалося дуже дорогим. Зараз отримують дешевий інсулін за допомогою генно-інженерного методу шляхом хіміко-ферментативного синтезу гена інсуліну з подальшим введенням цього гена в кишкову паличку, яка потім синтезує гормон. Такий інсулін більш «біологічний», оскільки хімічно ідентичний інсуліну, який виробляється клітинами підшлункової залози людини.

Інтерферони - білки, що синтезуються клітинами головним чином у відповідь на зараження організму вірусами. Інтерферони характеризуються видовою специфічністю. Наприклад, у людини встановлені три групи інтерферонів, які продукуються різними клітинами під контролем відповідних генів. Інтерес до інтерферонів визначається тим, що їх широко використовують у клінічній практиці на лікування багатьох хвороб людини, особливо вірусних.

Маючи великі розміри, молекули інтерферону мало доступні для синтезу. Тому більшість інтерферонів зараз отримують із крові людини, але вихід за такого способу отримання невеликий. Тим часом потреби в інтерфероні винятково великі. Це поставило завдання знайти ефективний метод виробництва інтерферону в промислових кількостях. Генетична інженерія є основою сучасного виробництва «бактеріального» інтерферону.

Посилився вплив генетичної інженерії на технологію тих лікарських речовин, які вже давно створюються за біологічною технологією. Ще в 40-50-ті роки. XX ст. була створена

біологічна промисловість для антибіотиків, які становлять найбільш ефективну частину лікарського арсеналу сучасної медицини. Однак останніми роками відзначається значне зростання лікарської стійкості бактерій, особливо до антибіотиків. Причина полягає в поширенні в мікробному світі плазмід, що детермінують лікарську стійкість бактерій. Саме тому багато знаменитих раніше антибіотиків втратили свою колишню ефективність. Єдиний поки що шлях подолання резистентності бактерій до антибіотиків - це пошуки нових антибіотиків. За оцінками фахівців, у світі щорічно виробляють близько 300 нових антибіотиків. Однак більшість із них або неефективна, або токсична. У практику щороку вводиться лише кілька антибіотиків, що змушує як зберігати, а й збільшувати потужність антибіотичної промисловості з урахуванням генно-инженерных розробок.

Основні завдання генної інженерії у тих технологіях лікарських речовин, у яких продуцентами ліків є мікроорганізми, визначаються необхідністю генно-інженерної реконструкції останніх з метою підвищення їхньої активності. В теж

Час почалася реалізація ідеї створення ліків у вигляді малих молекул, що сприяє їхній більшій ефективності.

Імунна біотехнологія пов'язана з виробництвом насамперед вакцин нового покоління для профілактики інфекційних хвороб людини та тварин. Першими комерційними продуктами, створеними з допомогою генетичної інженерії, стали вакцини проти гепатиту людей, ящуру тварин та інших. Винятково важливий напрямок у цій галузі пов'язаний із виробництвом моноклональних антитіл, реагентів, необхідних для діагностики збудників хвороби, а також для очищення гормонів, вітамінів, білків різної природи (ферментів, токсинів та ін.).

Значний практичний інтерес представляє метод отримання штучного гемоглобіну шляхом введення гемоглобінових генів у рослини тютюну, де під контролем цих генів продукуються α- та β-ланцюги глобіну, які об'єднуються в гемоглобін. Синтезований у клітинах тютюнових рослин гемоглобін повністю функціональний (зв'язує кисень). Клітинна інженерія у застосуванні до людини пов'язана не лише з вирішенням фундаментальних проблем біології людини, а й із подоланням насамперед жіночої безплідності. Оскільки частота позитивних випадків імплантації в матку жінок ембріонів, отриманих in vitro,є невеликий, то отримання монозиготних близнюків ембріонів in vitroтакож має значення, оскільки збільшуються можливості повторних імплантацій з допомогою «запасних» ембріонів. Особливий інтерес становлять перспективи використання стовбурових клітин як джерело заміни клітин та тканин у лікуванні таких хвороб, як діабет, ушкодження спинного мозку, біль серця, остіоартрити, хвороба Паркінсона. Але для реалізації цих перспектив необхідне поглиблене вивчення біології стовбурових клітин.

У використанні генетичної інженерії стосовно проблем медицини особливого значення набуло завдання розробки генно-інженерних методів радикального лікування спадкових хвороб, які, на жаль, ще не піддаються лікуванню існуючими методами. Зміст цього завдання полягає у розробці способів виправлення (нормалізації) мутацій, результатом яких є спадкові хвороби, і забезпечення передачі «виправлень» у спадок. Вважають, що успішною розробкою генно-інженерних методів лікування спадкових хвороб будуть

сприяти дані про геном людини, отримані в результаті виконання міжнародної наукової програми «Геном людини».

ЕКОЛОГІЧНІ ПРОБЛЕМИ ГЕНЕТИЧНОЇ ІНЖЕНЕРІЇ

Піднявши на новий рівень біотехнологію, генетична інженерія знайшла також застосування у розробці способів визначення та усунення забруднень довкілля. Зокрема, сконструйовано штами бактерій, які є своєрідними індикаторами мутагенної активності хімічних забруднень. З іншого боку, генно-інженерним способом сконструйовані штами бактерій, що містять плазміди, під контролем яких відбувається синтез ферментів, здатних руйнувати багато хімічних сполук - забруднювачі довкілля. Зокрема, деякі бактерії, що містять плазми, здатні розкладати до нешкідливих сполук нафту і нафтопродукти, що опинилися в середовищі в результаті різних аварій або інших несприятливих причин.

Проте генетична інженерія - це перетворення генетичного матеріалу, що у природі відсутня. Отже, продукти генної інженерії – це абсолютно нові продукти, що не існують у природі. Тому вона сама по собі через невідомість її продуктів таїть небезпеку як для природи та довкілля, так і для персоналу, що працює в лабораторіях, де використовують методи генетичної інженерії або працюють зі структурами, створеними в ході генно-інженерних робіт.

Оскільки можливості клонування генів безмежні, то ще на початку цих досліджень серед учених виникли питання про природу створюваних організмів. Одночасно було висловлено припущення про низку небажаних наслідків цієї методології, причому ці припущення знайшли підтримку серед широкого загалу. Зокрема, з'явилися розгалуження про властивості бактерій, які отримали генно-інженерні експерименти генів тварин. Наприклад, чи зберігають бактерії Е. coliсвою видову приналежність через зміст введених у них генів тваринного походження (наприклад, гена інсуліну) чи слід вважати новим видом? Далі, наскільки довговічними є такі бактерії, в яких екологічних нішах вони можуть

існувати? Але найголовніше стало полягати в появі побоювань, що в ході виробництва та маніпуляцій з рекомбінантними молекулами ДНК можуть бути створені генетичні структури з властивостями, непередбаченими та небезпечними для здоров'я людини, для екологічно рівноваги, що історично склалася. Тоді ж почалися заклики до мораторію на генетичну інженерію. Ці заклики викликали міжнародний резонанс і призвели до міжнародної конференції, що відбулася у 1975 р. у США та на якій широко обговорювалися можливі наслідки досліджень у цій галузі. Потім у країнах, де почала розвиватися генетична інженерія, було вироблено правила роботи з рекомбінантними молекулами ДНК. Ці правила спрямовані на виключення потрапляння в довкілля продуктів діяльності генно-інженерних лабораторій.

Інший аспект небажаних наслідків генно-інженерних робіт пов'язаний з небезпекою для здоров'я персоналу, який працює в лабораторіях, де застосовують методи генетичної інженерії, оскільки в таких лабораторіях використовують фенол, етидій бромід, УФ-випромінювання, які є шкідливими для здоров'я факторами. Крім того, у цих лабораторіях існує можливість зараження бактеріями, що містять рекомбінантні молекули ДНК, що контролюють небажані властивості, наприклад, лікарську резистентність бактерій. Ці та інші моменти визначають необхідність підвищення рівня техніки безпеки у генноінженерних роботах.

Нарешті, широко обговорюються у суспільстві проблеми небезпеки генетично модифікованих продуктів (генетично змінених томатів, картоплі, кукурудзи, сої), а також таких продуктів, як хліб, пасти, цукерки, морозиво, сир, олія, м'ясні продукти, які у ряді країн, особливо у США, набули широкого поширення. Протягом 12 000 років сільського господарства людина вживала продукти природного походження. Тому припускають, що з генетично модифікованою їжею в організм людини потраплять нові токсини, алергени, бактерії, канцерогени, що призведе до нових хвороб майбутніх поколінь. У зв'язку з цим постає питання про справді наукову оцінку генетично модифікованої їжі.

ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ

1. Що розуміють під генною, клітинною та генетичною інженерією? Чи є різниця між цими поняттями та молекулярним клонуванням?

2. У чому полягає прогресивність генетичної інженерії проти іншими методами, використовуваними в біології?

3. Перерахуйте основні інструменти генної інженерії.

4. Що являють собою ферменти-рестриктази, які їх властивості та їх роль генної інженерії?

5. Чи всі рестриктази утворюють «липкі» кінці досліджуваних ДНК і чи залежить структура «липких» кінців від виду рестриктази?

6. Дайте визначення генетичних векторів. Чи існують природні вектори?

7. Як отримують генетичні вектори у лабораторних умовах? Які біологічні об'єкти є вихідним матеріалом отримання векторів?

8. Яка гранична довжина послідовностей азотистих основ ДНК, які можуть включитися в генетичний вектор? Чи відрізняються вектори за «потужністю»?

9. Охарактеризуйте властивості ДНК-лігази та визначте її роль у генній інженерії.

10. Як замикають клонований сегмент ДНК (ген) із генетичним вектором?

11. Яка частота введення рекомбінантних молекул ДНК у бактеріальні клітини?

12. На якому принципі ґрунтується селекція бактеріальних клітин, що містять рекомбінантні молекули ДНК? Наведіть один із прикладів такої селекції.

14. Багато штами бактерій мають однакові ферменти, що практично однаково забезпечують їх метаболізм. Тим часом нуклеотидна специфічність систем рестрикції-модифікації бактерій різна. Чи можете ви пояснити це явище?

15. Чому послідовності ДНК, які представляють сайти розпізнавання рестриктазами, не можуть містити більше восьми пар основ?

16. Скільки разів послідовність ГГЦЦ, що розпізнається рестриктазою Нае III, буде зустрічатися в сегменті ДНК довжиною в 50 000 пар основ з 30-, 50- та 70-відсотковим вмістом ГЦ?

17. Рестриктази Bam HI і Bgl I плавлять послідовності Г ГАТЦЦ і Т ГАТЦ відповідно. Чи можна включити до сайту Bam HI фрагменти ДНК, продуковані Bgl I-рестрикцією? Якщо так, то чому? Якщо плазміда (вектор) містить один сайт для рестрикції Bgl I, то на якому поживному середовищі можна здійснити селекцію бактерій, цю плазміду?

18. Обчисліть частоту трансформації бактерій на одну молекулу ДНК, якщо на 5000 плазмідних пар основ утворюється 5-10 5 трансформантів?

19. Чи можна клонувати 0-пункт реплікації ДНК Е. coliі якщо так, то яким чином?

20. Чи можна визначити, скільки молекул ДНК необхідно для трансформації однієї клітини Е. coli?

21. Чи можна за допомогою полімеразної ланцюгової реакції визначити сайт сплайсингу на мРНК?

22. Яким чином можна використовувати полімеразну ланцюгову реакцію для того, щоб ввести бажаний сайт рестрикції в місце, що цікавить, на фрагменті ДНК, призначеному для клонування?

23. Назвіть методи клітинної інженерії щодо тварин. Яка господарська цінність тварин, які одержують цими методами?

24. Дайте визначення поняттям «трансгенні рослини» та «трансгенні тварини». Чи зберігають трансгенні організми свою видову приналежність чи можна вважати організмами нових видів?

25. Що таке гібридоми та моноклональні антитіла? Як їх одержують?

26. Чи застосовна клітинна інженерія до людини?

27. Припустимо, що ін'єкція чужорідної ДНК в яйцеклітину миші та імплантація заплідненої таким шляхом яйцеклітини в організм миші закінчилися її вагітністю та народженням мишенят, що містять у геномі копії ін'єктованої ДНК. Проте мишенята виявилися мозаїками, тобто. одні їхні клітини містять копії ін'єктованої ДНК, інші позбавлені цієї ДНК. Чи можете ви пояснити природу цього явища?

28. Чи вважаєте ви генетично небезпечною їжу, виготовлену з генетично змінених продуктів?

29. Чи потрібна наукова експертиза генетично змінених продуктів харчування?

Пізнання визначається тим, що стверджується нами як Істина.

П.А. Флоренський, 1923

Важко знайти в сучасному світі людину, яка нічого не чула б про успіхи генної інженерії.

Сьогодні вона є одним із найперспективніших шляхів розвитку біотехнологій, удосконалення сільськогосподарського виробництва, медицини та низки інших галузей.

Що таке генна інженерія?

Як відомо, спадкові ознаки будь-якої живої істоти записані в кожній клітині організму у вигляді сукупності генів – складних елементів білкових молекул. Вводячи в геном живої істоти чужорідний ген, можна змінити властивості одержуваного організму, причому у потрібний бік: зробити сільськогосподарську культуру стійкішою до морозу та хвороб, надати рослині нові властивості тощо.

Організми, отримані внаслідок такої ситуації, називаються генно-модифікованими, або трансгенними, а наукова дисципліна, що займається дослідженням модифікацій та розробкою трансгенних технологій – генетичною чи генною інженерією.

Об'єкти генної інженерії

Найчастіше об'єктами для дослідження генної інженерії стають мікроорганізми, клітини рослин та нижчих тварин, проте ведуться дослідження і на клітинах ссавців, і навіть на клітинах людського організму. Як правило, безпосереднім об'єктом дослідження є молекула ДНК, очищена від інших клітинних речовин. За допомогою ензимів ДНК розщеплюється на окремі відрізки, причому важливо вміти розпізнавати та виділяти потрібний відрізок, переносити його за допомогою ензимів та вбудовувати у структуру іншої ДНК.

Сучасні методики вже дозволяють досить вільно маніпулювати відрізками геному, розмножувати необхідну ділянку спадкового ланцюга та вставляти його на місце іншого нуклеотиду в ДНК реципієнта. Накопичено досить великий досвід і зібрана чимала інформація щодо закономірностей будови спадкових механізмів. Зазвичай, перетворенням піддаються сільськогосподарські рослини, що дозволило істотно підвищити результативність основних продовольчих культур.

Навіщо потрібна генна інженерія?

До середини ХХ століття традиційні методи перестали влаштовувати вчених, оскільки цей напрямок має низку серйозних обмежень:

• неможливо схрещувати неспоріднені види живих істот;
• процес рекомбінації генетичних ознак залишається некерованим, і необхідні якості у потомства з'являються в результаті випадкових комбінацій, при цьому дуже великий відсоток нащадків визнається невдалим і відкидається в ході селекції;
• точно встановити потрібні якості при схрещуванні неможливо;
• селекційний процес займає роки та навіть десятиліття.

Природний механізм збереження спадкових ознак є надзвичайно стійким, і навіть поява потомства з корисними властивостями не дає гарантії збереження цих ознак у наступних поколіннях.

Генна інженерія дозволяє подолати всі перераховані вище труднощі. За допомогою трансгенних технологій можна створювати організми із заданими властивостями, замінюючи окремі ділянки геному іншими, взятими у живих істот, що належать до інших видів. При цьому терміни створення нових організмів суттєво скорочуються. Необов'язково закріплювати потрібні ознаки, роблячи їх успадкованими, оскільки є можливість генетично модифікувати такі партії, поставивши процес буквально на потік.

Етапи створення трансгенного організму

1. Виділення ізольованого гена з потрібними властивостями. Сьогодні для цього є досить надійні технології, є навіть спеціально підготовлені бібліотеки генів.
2. Введення гена у вектор для перенесення. Для цього створюється спеціальна конструкція – трансген, з одним або декількома відрізками ДНК та регуляторними елементами, який вбудовується в геном вектора та піддається клонуванню за допомогою лігаз та рестриктаз. Як вектор зазвичай використовуються кільцеподібні бактеріальні ДНК - плазміди.
3. Вбудовування вектора в організм реципієнта. Цей процес скопійований з аналогічного природного процесу вбудовування ДНК вірусу або бактерії у клітини носія та діє так само.
4. Молекулярне клонування. При цьому клітина, що зазнала модифікації, успішно ділиться, виробляючи безліч нових дочірніх клітин, що містять змінений геном та синтезують білкові молекули із заданими властивостями.
5. Добір ГМО. Останній етап нічим не відрізняється від звичайної селекційної роботи.

Чи безпечна генна інженерія?

Питання, наскільки безпечні трансгенні технології, періодично порушується як у науковому середовищі, так і у ЗМІ, далеких від науки. Однозначної відповіді на нього немає й досі.

По-перше, генна інженерія залишається ще досить новим напрямом біотехнологій, і статистика, що дозволяє робити об'єктивні висновки про цю проблему, поки що не встигла накопичитися.

По-друге, величезні вкладення генну інженерію з боку транснаціональних корпорацій, що займаються виробництвом продуктів харчування, можуть бути додатковою причиною відсутності серйозних досліджень.

Втім, у законодавствах багатьох країн з'явилися норми, які зобов'язують виробників вказувати наявність продуктів із ГМО на упаковці продуктів харчової групи. У будь-якому випадку генна інженерія вже продемонструвала високу результативність своїх технологій, а її подальший розвиток обіцяє людям ще більше успіхів і досягнень.

Що таке генна інженерія?

Генна інженерія це нова, революційна технологія, за допомогою якої вчені можуть витягувати гени з одного організму та впроваджувати їх у будь-який інший. Гени - це програма життя - це біологічні конструкції, з яких складається ДНK і які зумовлюють специфічні характеристики, властиві тому чи іншому живому організму. Пересадка генів змінює програму організму - одержувача та її клітини починають виробляти різні речовини, які, своєю чергою, створюють нові властивості всередині цього організму.
За допомогою цього методу дослідники можуть змінювати особливі властивості та характеристики в потрібному їм напрямку, наприклад: вони можуть вивести сорт томатів з більш тривалим терміном зберігання або сорт соєвих бобів, стійких до гербіцидів. Генна інженерія - це метод біотехнології, який займається дослідженнями з розбудови генотипів. Генотип не просто механічна сума генів, а складна, що склалася в процесі еволюції організмів система. Генна інженерія дозволяє шляхом операцій у пробірці переносити генетичну інформацію з одного організму до іншого. Перенесення генів дає можливість долати міжвидові бар'єри та передавати окремі спадкові ознаки одних організмів іншим. Носіями матеріальних основ генів служать хромосоми, до складу яких входять ДНК та білки. Але гени освіти не хімічні, а функціональні.
З функціональної точки зору ДНК складається з множини блоків, що зберігають певний обсяг інформації - генів. В основі дії гена лежать його здатність через РНК визначати синтез білків. У молекулі ДНК записана інформація, що визначає хімічну структуру білкових молекул. Ген - ділянка молекули ДНК, в якій знаходиться інформація про первинну структуру якогось одного білка (один ген - один білок). Оскільки в організмах є десятки тисяч білків, існують і десятки тисяч генів.

Сукупність усіх генів клітини становить її геном. Всі клітини організму містять однаковий набір генів, але в кожній з них реалізується різна частина інформації, що зберігається. Тому, наприклад, нервові клітини і за структурно-функціональними, і за біологічними особливостями відрізняються від клітин печінки. Перебудова генотипів, і під час завдань генної інженерії, є якісні зміни генів не пов'язані з видимими в мікроскопі змінами будови хромосом. Зміни генів насамперед пов'язані з перетворенням хімічної структури ДНК.
Інформація про структуру білка, записана у вигляді послідовності нуклеотидів, реалізується у вигляді послідовності амінокислот у синтезованій молекулі білка. Зміна послідовності нуклеотидів у хромосомній ДНК, випадання одних і включення інших нуклеотидів змінюють склад молекули РНК, що утворюються на ДНК, а це, у свою чергу, обумовлює нову послідовність амінокислот при синтезі. У результаті клітині починає синтезуватися новий білок, що призводить до появи в організму нових властивостей. Сутність методів генної інженерії у тому, що у генотип організму вбудовуються чи виключаються із нього окремі гени чи групи генів. В результаті вбудовування в генотип раніше відсутнього гена можна змусити клітину синтезувати білки, які вона раніше не синтезувала.

Проблеми генної інженерії

Можливості одного з найважливіших породжень науки ХХ століття - генної інженерії - давно розбурхують уяву людства, оскільки вона підібралася до найважливішої в тілесній оболонці людини, до законів життєдіяльності її організму. Але якщо ще років п'ятнадцять тому результати роботи біотехнологів пов'язувалися в першу чергу з виведенням нових сортів моркви або нової породи молочних корів, то вже кілька років тому можна було поспілкуватися з маленькою овець Доллі, клонованою шотландськими біологами, а минулого року було оголошено про створення першої більш-менш загальної карти геному людини. На тлі досягнень у сфері біології йдуть на другий план хіти попередніх сезонів – нові інформаційні технології. Мало кого зараз цікавить питання, коли людина зможе вільно ходити Марсом, набагато актуальнішою суперечки про те, коли можна буде клонувати людину і, відповідно, як цього не допустити - такий собі реверанс у бік моралі та етики.

Генна інженерія – ворог чи друг? Історична перспектива...

Історична перспектива

Як відомо життя зародилося на Землі приблизно 4,6 мільярда років тому, і, які б форми вона не приймала, за життєві прояви кожного організму відповідала та сама речовина - дезоксирибонуклеїнова кислота (вона ж - ДНК). ДНК, закріплена в генах, визначала і все ще визначає (а в майбутньому, мабуть, під чуйним керівництвом людини) метаболічну активність клітин, необхідну для їх виживання, а це і є життя в найпростішому визначенні. Власне термін "гени" не використовувався до початку минулого століття, хоча дослідження того, як вони функціонують почалися ще в ХIX столітті. Австрійський чернець Грегор Мендель протягом багатьох років спостерігав за потомством рослин гороху, який він вирощував на монастирському городі. Фіксуючи зовнішні особливості - висоту стебла, фарбування пелюсток, форму горошин, він зміг теоретично припустити існування деяких "чинників", які успадковуються потомством від батьківських рослин. Як і Колумб, Мендель помер, так і не дізнавшись про те, що йому вдалося відкрити. З початку ХХ століття вибухнув бум, пов'язаний із дослідженнями будови клітин. Біологам вдалося встановити, які функції виконує клітинне ядро, розкрити загадку природи хромосом. Найважливішим виявилося те, що стала зрозумілою природа трансляція молекул ДНК: під час меозису, що передує появі яйцеклітин і сперматозоїдів, кількість хромосом, в яких міститься ДНК, зменшується вдвічі, що згодом, при злитті статевих клітин, дозволить об'єднати їх ядра в єдине ціле - дати початок новому організму з унікальним набором генів. У 1953 році, нарешті, вдалося вичленувати подвійну спіральну структуру ДНК, яку зараз в обличчя знає кожен школяр. Тепер ДНК визнана універсальною біологічною мовою, яку об'єднають всі організми, що живуть на Землі: людини і бактерії, гриби і рослини. Проте, ХХ століття – це століття не лише фундаментальних відкриттів, а й століття інженерії – практичного застосування цих самих відкриттів. Тому поряд з дослідженнями про те, як "все це в цілому влаштовано", семимильними кроками розвивалися різні галузі генної інженерії і різноманітні біотехнології. З самого початку інженерна думка такого роду стосувалася насамперед того, яким чином можна використовувати одні живі організми, які мають певний ген, для того, щоб поліпшити інші - йшлося про рослини або тварини. У сімдесятих роках вчені навчилися вирізати ділянки ДНК одного організму і пересаджувати його в інший, що здійснило невеликий переворот у виробництві різноманітних ліків – інсуліну, гормону людського росту тощо. Не один рік ведуться спроби здійснити так звану терапію людськими генами – людям, у яких у генному наборі не вистачає певних компонентів або вони певною мірою неповноцінні, пересідають гени інших людей. Досить широко знання, отримані завдяки генетиці, застосовують у сфері відтворення людей. Багато хто знає, що за певних умов цілком реально вирощувати дітей "з пробірки", а за деяких ситуацій жіночої безплідності - звертатися за допомогою до сурогатних матерів. Генетично змінені рослини (морозостійкі злаки, трансгенна картопля, помідори, що швидко дозрівають) вже з'являються на обідніх столах, хоча поки особливого ажіотажу не викликають.

Генна інженерія – ворог чи друг? Можливості генної інженерії...

Можливості генної інженерії, проект "Геном людини"

Природно, успішні маніпуляції з генами рослин і тварин не могли не призвести до досить слизького питання: а що ж людина? Якщо можна покращувати тварин, то чому б не зайнятися людиною. Однак спочатку необхідно все-таки розібратися з генним набором людини. Так, у 1990 році з'явилася ініціатива щодо картування людських хромосом, що складаються з 26-30 тисяч генів. Проект отримав просту назву "Геном людини" і орієнтовно мав представити повну карту геному десь до 2005 року. До проекту входять дослідницькі групи з різних країн, а з кінця 90-х років. створюються спеціальні компанії, основним завданням яких є полегшення та прискорення комунікації між такими групами. До початку 2001 року вже повністю картовано 2 хромосоми: 21 і 22.

Однак основною сенсацією минулого року все ж таки стало відкриття групою Крега Вентера загальної карти геному людини. Вчені кажуть, що якщо порівнювати цю карту зі звичайними, то навряд чи по ній можна було б потрапити до магазину на сусідній вулиці, однак у будь-якому випадку сам факт її існування говорить про початок епохи патентування генів, а це, у свою чергу, піднімає. безліч питань не біологічного штибу, а етичного і правового. Хоча вчені і заявляють, що основна мета картування геному - це необхідність розібратися в тому, як працює людське тіло, щоб ефективніше протистояти різноманітним захворюванням, а ще такі знання можуть значно полегшити створення нових медичних препаратів, все ж таки стає очевидною необхідність як правового регулювання питання: як і що можна робити з людським тілом, і відповіді питання: де треба зупинитися? Чи може людина уподібнитися до Творця і сама зайнятися створенням нових істот? Формування карти геному людини часто порівнюють із такими революційними подіями, як висаджування людини на Місяць, наприклад. Однак зараз спостерігається одна істотна відмінність: якщо космічні програми – це одне із завдань держави, то групи – учасники проекту, як правило, мають приватне фінансування, отже, авторські права на їх розробки матимуть недержавні компанії. А що вони з ними робитимуть?

Уявімо, що в недалекому майбутньому карта буде складена досить точно, і кожна людина може бути, таким чином, описана. Виникає питання – хто матиме доступ до цієї інформації? Наскільки людина зможе зберігати в недоторканності саму "інтимну" інформацію про себе? Чи не будуть роботодавці відмовляти у прийомі на роботу людині, у якої в генах закладено схильність до якогось виду раку? Чи можливе медичне страхування в ситуації, коли геном кожної окремої людини представлятиме інформацію про всі потенційні хвороби? Тоні Блер заявив про необхідність складання генетичних портретів злочинців. І начебто вчені готові працювати над тим, щоб відкрити спеціальні гени, які відповідають за девіантну поведінку людей. Однак багатьох фахівців вже зараз лякає перспектива того, що в недалекому майбутньому суспільство перекладе розв'язання різноманітних проблем – злочинності, злиднів, расизму тощо. - на генетиків та генну інженерію: "мовляв, вся справа в генах, якщо щось не в порядку, то це не турбота суспільства, а генетична схильність окремих людей". Адже, загалом багато хто забуває, що тільки зовсім деякі рідкісні хвороби обумовлені виключно набором генів, а ті захворювання, які ми зазвичай називаємо генетичними - рак, серцево-судинні порушення - тільки частково мають генетичну природу, багато в чому ймовірність їх появи в першу черга залежить від тих кроків, які робить сама людина і суспільство, а тому не може бути нічого страшнішого за соціум, що вмиває руки в такій ситуації. Найбільш поширеним методом генної інженерії є метод отримання рекомбінантних, тобто. містять чужорідний ген, плазмід. Плазміди є кільцевими дволанцюжковими молекулами ДНК, що складаються з декількох тисяч пар нуклеотидів.

Цей процес складається з кількох етапів:
1. Рестрикція – розрізання ДНК, наприклад, людини на фрагменти.
2. Лігування - фрагмент з потрібним геном включають у плазміди та зшивають їх.
3. Трансформація – введення рекомбінантних плазмід у бактеріальні клітини. Трансформовані бактерії при цьому набувають певних властивостей. Кожна з трансформованих бактерій розмножується і утворює колонію з тисяч нащадків - клон.
4. Скринінг - відбір серед клонів трансформованих бактерій тих, які мають плазміди, що несуть потрібний ген людини.

Весь цей процес називається клонуванням. За допомогою клонування можна отримати понад мільйон копій будь-якого фрагмента ДНК людини чи іншого організму. Якщо клонований фрагмент кодує білок, експериментально можна вивчити механізм, що регулює транскрипцію цього гена, а також напрацювати цей білок в потрібній кількості. Крім того, клонований фрагмент ДНК одного організму можна ввести до клітин іншого організму. Цим можна досягти, наприклад, високі та стійкі врожаї завдяки введеному гену, що забезпечує стійкість до низки хвороб. Якщо ввести в генотип ґрунтових бактерій гени інших бактерій, що мають здатність зв'язувати атмосферний азот, то ґрунтові бактерії зможуть переводити цей азот у зв'язаний азот ґрунту. Ввівши в генотип бактерії кишкової палички ген із генотипу людини, що контролює синтез інсуліну, вчені домоглися отримання інсуліну за допомогою такої кишкової палички. При подальшому розвитку науки стане можливим введення в зародок людини генів, що відсутні, і тим самим дозволить уникнути генетичних хвороб.

Експерименти клонування тварин ведуться давно. Достатньо прибрати з яйцеклітини ядро, імплантувати в неї ядро ​​іншої клітини, взятої з ембріональної тканини, і виростити її або в пробірці, або в утробі прийомної матері. Клонована овечка Частки була створена нетрадиційним шляхом. Ядро із клітини вимені 6-річної дорослої вівці однієї породи пересадили в без'ядерне яйце вівці іншої породи. Зародок, що розвивається, помістили в вівцю третьої породи. Так як овечка, що народилася, отримала всі гени від першої вівці - донора, то є її точною генетичною копією. Цей експеримент відкриває масу нових можливостей для клонування елітних порід замість багаторічної селекції. Вчені Техаського університету змогли продовжити життя кількох типів людських клітин. Зазвичай клітина вмирає, переживши близько 7-10 процесів поділу, а вони досягли сто поділів клітини. Старіння, на думку вчених, відбувається через те, що клітини при кожному розподілі втрачають теломери, молекулярні структури, що розташовуються на кінцях усіх хромосом.

Вчені імплантували в клітини відкритий ними ген, який відповідає за вироблення теломерази і тим самим зробили їх безсмертними. Можливо, це майбутній шлях до безсмертя. Ще з 80-х років з'явилися програми вивчення геному людини. У виконання цих програм вже прочитано близько 5 тисяч генів (повний геном людини містить 50-100 тисяч). Виявлено низку нових генів людини. Генна інженерія набуває все більшого значення в генотерапії. Тому що багато хвороб закладено на генетичному рівні. Саме в геномі закладено схильність до багатьох хвороб чи стійкість до них. Багато вчених вважають, що у XXI столітті функціонуватиме геномна медицина та генна інженерія. Жоден вчений, що дійсно твердо стоїть на платформі наукової об'єктивності, ніколи не скаже, що за допомогою чогось можна вилікувати абсолютно все або щось "абсолютно безпечно", особливо, якщо це стосується генної інженерії, яка маніпулює окремо взятими рівнями Природного Закону, ігноруючи у своїй його цілісність. Як ми вже бачили на прикладі ядерних досліджень, енергія, що вивільняється в результаті таких маніпуляцій, може бути величезною, але й можлива небезпека також величезна. Коли ядерна технологія перебувала на стадії розробки, ніхто не міг припустити, що через кілька років людство опиниться під загрозою багаторазового знищення, яке в змозі забезпечити обидві протиборчі сили в рівній мірі. І коли ядерна енергія почала використовуватися для виробництва електрики, ніхто не знав, що в результаті ми отримаємо мільйони тонн радіоактивних відходів, які зберігатимуть свою токсичність ще десятки тисяч років. Ніхто не знав нічого про це, але ми все ж таки зробили стрибок наосліп, створивши тим самим серйозні проблеми для самих себе і для майбутніх поколінь. Тому ми повинні бути дуже обережними з використанням генної інженерії, яка працює на тому рівні, де міститься повна інформація про найглибшу структуру життя.

Знадобилися мільйони років для того, щоб життя на Землі розвинулася до теперішнього стану високо збалансованої, динамічної екосистеми з усім тим незліченним різноманіттям форм життя, відомим нам сьогодні. Зараз ми живемо в такий час, коли через покоління, а може і раніше, найбільш важливі зернові культури зазнають радикальних змін в результаті втручання генної інженерії і ці зміни серйозно зашкодять екосистемі в цілому, а також наразять на небезпеку все людство. Доки не доведена безпека продукції, отриманої в результаті генної інженерії, це питання завжди залишатиметься під сумнівом - і це та точка зору, яку обстоює Партія Природного Закону. Необхідно, щоб застосування генної інженерії супроводжувалося суворим науковим контролем безпеки. Майже з певністю можна сказати, що генна інженерія призведе до хімічного забруднення навколишнього середовища. Виведення сортів зернових з підвищеною стійкістю до гербіцидів призведе до того, що фермери будуть змушені застосовувати для боротьби з бур'янами у троє більше хімічних засобів захисту, ніж раніше, а це у свою чергу збільшить забруднення ґрунту та ґрунтових вод Америки. Наприклад, хімічна компанія "Монсанто" вже вивела сорти кукурудзи, сої та цукрових буряків, стійкі до гербіциду "Раундап", що випускається цією ж компанією. Промислові чиновники неодноразово заявляли, що "Раундап" безпечний для живих організмів і швидко нейтралізується довкіллям. Однак, попередні дослідження, проведені в Данії, показали, що "Раундап" залишається в ґрунті протягом трьох років (а отже, може вбиратися наступними сільськогосподарськими культурами, посадженими на цьому місці) були проведені й інші наукові роботи, які виявили, що застосування даного Гербіцид викликає токсичні реакції у фермерів, порушують функцію відтворення потомства у ссавців, завдає шкоди рибам, дощовим черв'якам і корисним комахам.

Прихильники генної інженерії часто заявляють, що ця технологія є просто більш удосконаленим видом схрещування, яке застосовувалося тисячоліттями для покращення породи культурних рослин та свійських тварин. Але насправді втручання генної інженерії проникає крізь природні репродуктивні бар'єри між видами, завдяки яким підтримується рівновага та цілісність життя на Землі. Традиційна система виведення нових порід і сортів може схрещувати одну породу свині з іншого або кінь з ослом, або два сорти томатів, але вона не може схрестити томати з рибою – природа не допускає такого змішування генів. А за допомогою генної інженерії вчені вже поєднали гени риб і томатів – і ці томати, які ніяк не помічені, спокійно лежать собі зараз на наших прилавках. Більше того, фактично всі зернові та бобові культури, овочі та фрукти вже зазнали втручання генної інженерії, а харчова промисловість має намір ввести всі ці продукти у продаж протягом 5-8 наступних років. Pioneer Hybrid International - найбільша у світі компанія з випуску насіння, використовуючи генну інженерію, вивела новий сорт сої, впроваджуючи до неї ген бразильського горіха, з метою підвищення вмісту протеїну в сої. Але жвавий компонент бразильського горіха в сої викликав алергічну реакцію у більшості споживачів, і тоді Pioneer звернув проект. А коли японська компанія "Шова Денко" шляхом генної інженерії змінила структуру природної бактерії для більш ефективного виробництва харчової добавки під назвою "Триптофан", ці генетичні маніпуляції призвели до того, що ця бактерія, перебуваючи у складі триптофану, почала виробляти високо токсичну речовину, яка було виявлено лише після того, як продукт був випущений на ринок у 1989 році. В результаті: 5000 осіб захворіло, 1500 стало довічніми інвалідами, і 37 померло. Дослідники з дуже великою наснагою взялися використовувати генну інженерію для виведення більш врожайних сортів пшениці, створення поживніших продуктів харчування, ліквідації певних хвороб, сподіваючись таким чином покращити життя людини на Землі. Але, насправді, незважаючи на те, що гени можуть бути вилучені та правильно схрещені в експериментальній колбі, у житті дуже важко прогнозувати наслідки вживлення генів у чужий організм.

Такі операції можуть спричинити мутації, внаслідок яких пригнічується діяльність природних генів організму. Впроваджені гени можуть викликати несподівані побічні ефекти: генетично сфабрикована їжа може, наприклад, містити токсини та алергени або мати знижену поживність, і в результаті споживачі хворіють або навіть, як вже траплялося, помирають. Крім того, організми, виведені за допомогою генної інженерії, здатні самостійно розмножуватися і схрещуватися з природними популяціями, що не зазнали генного втручання, викликаючи при цьому незворотні біологічні зміни у всій екосистемі Землі. Можна з упевненістю сказати, що генна інженерія - це, безумовно, перспективна область, яка в нашій країні, на жаль, не фінансується і не має свого виробника. Росія, безумовно, займаємося розробками в цій галузі, але змушена продавати свої винаходи за кордон. Нашими вченими був винайдений інтерферон людини, аспартам, павутиння. Важливо те, що створюючи препарат, він не виходить у застосування доти, доки його будова не буде наближена до геному людини. У цьому випадку препарат абсолютно нешкідливий. При виробленні аспартаму змішуються дві амінокислоти, але каталізатором процесу є мікроорганізми. Завдання генетика провести розробку те щоб очищення препарату від мікроорганізмів пройшла 100% перевірку. У цьому полягає якість роботи. Ми відповідаємо за якість та професійну точку зору таку, що генна інженерія в розумних межах корисна для людства.

Генна інженерія – ворог чи друг? Небезпека генної інженерії...

Наукові факти небезпеки генної інженерії

1. Генна інженерія докорінно відрізняється від виведення нових сортів та порід. Штучне додавання чужорідних генів дуже порушує точно відрегульований генетичний контроль нормальної клітини. Маніпулювання генами докорінно відрізняється від комбінування материнських та батьківських хромосом, що відбувається при природному схрещуванні.

2. Нині генна інженерія технічно недосконала, оскільки вона може управляти процесом вбудовування нового гена. Тому неможливо передбачити місце вбудовування та ефекти доданого гена. Навіть у тому випадку, якщо місце розташування гена виявиться можливим встановити після його вбудовування в геном, наявні відомості про ДНК дуже неповні для того, щоб передбачити результати.

3. Внаслідок штучного додавання чужорідного гена непередбачено можуть утворитися небезпечні речовини. У найгіршому випадку це можуть бути токсичні речовини, алергени чи інші шкідливі для здоров'я речовини. Відомості про такі можливості ще дуже неповні.

4. Немає абсолютно надійних методів перевірки на нешкідливість. Більше 10% серйозних побічних ефектів нових ліків неможливо виявити незважаючи на ретельно проведені дослідження на нешкідливість. Ступінь ризику того, що небезпечні властивості нових, модифікованих за допомогою генної інженерії продуктів харчування залишаться непоміченими, ймовірно, значно більшими, ніж у разі ліків.

5. Існуючі нині вимоги щодо перевірки на нешкідливість вкрай недостатні. Вони цілком явно складені в такий спосіб, щоб спростити процедуру затвердження. Вони дають змогу використовувати вкрай нечутливі методи перевірки на нешкідливість. Тому існує значний ризик, що небезпечні для здоров'я продукти харчування зможуть пройти перевірку непоміченими.

6. Створені до цього часу за допомогою генної інженерії продукти харчування не мають значної цінності для людства. Ці продукти задовольняють головним чином лише комерційні інтереси.

7. Знання про дію на довкілля модифікованих за допомогою генної інженерії організмів, привнесених туди, зовсім недостатні. Не доведено ще, що модифіковані за допомогою генної інженерії організми не вплинуть на навколишнє середовище. Екологами висловлено припущення про різні потенційні екологічні ускладнення. Наприклад, є багато можливостей для неконтрольованого поширення потенційно небезпечних генів, використовуваних генною інженерією, зокрема передачі генів бактеріями і вірусами. Ускладнення, викликані у навколишньому середовищі, ймовірно, неможливо буде виправити, оскільки випущені гени неможливо взяти назад.

8. Можуть виникнути нові та небезпечні віруси. Експериментально показано, що вбудовані геном гени вірусів можуть з'єднуватися з генами інфекційних вірусів (так звана рекомбінація). Такі нові віруси можуть бути агресивнішими, ніж вихідні. Віруси можуть стати також менш видоспецифічними. Наприклад, віруси рослин можуть стати шкідливими для корисних комах, тварин та людей.

9. Знання про спадкову речовину, ДНК дуже неповні. Відомо про функцію лише трьох відсотків ДНК. ризиковано маніпулювати складними системами, знання яких неповні. Великий досвід у галузі біології, екології та медицини показує, що це може спричинити серйозні непередбачувані проблеми та розлади.

10. Генна інженерія не допоможе вирішити проблему голоду у світі. Твердження, що генна інженерія може зробити істотний внесок у вирішення проблеми голоду у світі, є науково необґрунтованим міфом.