\

Ген и генная инженерия

Что такое генная инженерия

Здравствуйте, уважаемые читатели блога KtoNaNovenkogo.ru. Развитие науки, начиная с 20 века, идет вперед семимильными шагами.

Подчас мы не успеваем вникнуть, что же еще новенького открыли и изобрели ученые, принимаем новое как данность. Но «человеку разумному» не пристало быть невежественным.

Поэтому приоткроем завесу тайны над одной из актуальнейших тем последних пятидесяти лет. Поговорим сегодня о том, что такое генная инженерия, для чего она нужна, и чем отличается от генетической селекции.

Генная инженерия – что это такое

Все живые организмы на Земле – это сложные биологические системы, развитие которых происходит по запрограммированному алгоритму. Данный алгоритм записан в молекулах ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). В этой макромолекуле зашифрованы сведения о наследственной генетической информации.

ДНК состоит из генов. Каждый из них отвечает за какой-либо наследственный признак или участвует в формировании ряда признаков.

Внешняя среда может лишь в незначительной степени влиять на изменение запрограммированного природой алгоритма.

Развитие науки во второй половине 20 века сделало возможным изучить строение ДНК и научиться корректировать гены. Так возникло новое направление в науке, получившее название генной (генетической) инженерии.

Примечание: правильно ставить ударение на третий слог (инженЕрии). Слово «инженерия» произошло от латинского «ingenium», что значит «изобретательность». Подразумевается изобретение и применение определенных способов воздействия на какие-либо материальные объекты.

Следовательно, генетическая инженерия – это комплекс методов, приемов и технологий, применяемых для проведения манипуляций с генами.

Генная инженерия (ГИ) относится к технологиям высокого уровня, в ней используются новейшие достижения микробиологии, вирусологии, биологии.

Методы генной инженерии (т.е. способы, с помощью которых ученые добиваются поставленных целей):

  1. полиплоидия – количественное увеличение хромосомных наборов;
  2. слияние протопластов – объединение клеток или их частей;
  3. трансгенез – добавление генов от других видов (например, введение в ДНК папайи вируса пятнистости для придания фрукту устойчивости к поражению этим заболеванием);
  4. корректирование генома в зависимости от желаемых характеристик.

ГИ дает возможность «конструировать» новые клетки ДНК и РНК (рибонуклеиновой кислоты), используя ДНК и РНК других биологических объектов.

Для справки: ДНК хранит наследственную информацию, а РНК – переносит ее. Процессы манипуляции с генами осуществляются вне живого организма, а затем вводятся в него уже измененными.

Этапы манипуляций с генами:

  1. выделение из цепочки ДНК того или иного гена;
  2. введение инородного гена в модифицируемую молекулу ДНК;
  3. внедрение модифицированного ДНК в живой организм;
  4. отбор удачных генно-модифицированных организмов (ГМО) и утилизация неудачных.

Наиболее наглядный пример результатов генной инженерии – это клонирование (получение генетической копии) в 1996 году овечки, названной Долли (умерла в 2003 году).

Другие примеры менее наглядны, но более практичны: это генно-модифицированная (ГМ) кукуруза, соя и другие сельскохозяйственные культуры. Так, в США на долю ГМ сои приходится до 85 % от всего объема выращенной культуры. ГМ растения начали использовать в сельском хозяйстве начиная с 1996 года.

Научились модифицировать на генном уровне и рыб. В ДНК генно-модифицированного лосося ввели дополнительный гормон роста. Благодаря этому рыба растет в 2 раза быстрее своих собратьев.

Какие проблемы решает генная инженерия

Цель генной инженерии – изменение свойств и характеристик живых организмов посредством воздействия на их геном (совокупность генов).

В частности, ГИ занимается решением следующих проблем:

  1. придание устойчивости к определенным ядохимикатам (например, у сельхозкультур – к гербицидам);
  2. получение устойчивости к болезням и вредителям;
  3. увеличение продуктивности ГМО;
  4. создание особых качеств и характеристик у модифицируемого объекта.

Изначально с помощью ГИ ученые добивались выведения сельскохозяйственных культур, устойчивых к болезням и дающим рекордные урожаи. Цель – устранение угрозы голода на Земле.

В наши дни цели уже куда масштабней – ученые пытаются посредством ГИ создать способы борьбы с такими серьезными заболеваниями, как ВИЧ или онкология, производить человеческий инсулин с использованием генетически модифицированных бактерий.

Достижения генной инженерии:

  1. создание банка генов клонов бактерий с частицами ДНК различных биологических организмов, в том числе – человека;
  2. промышленное производство инсулина, интерферона, гормональных фармацевтических препаратов на основе ГМ штаммов вирусов, бактерий и дрожжей;
  3. создание высших биологических организмов (растений, рыб, млекопитающих).

Чем отличаются генетическая селекция и генная инженерия

Основное, чем отличается генетическая селекция и генная инженерия – это подход к решению одной и той же проблемы.

В первом случае – это отбор и скрещивание биологических объектов с нужными характеристиками. Во втором – это создание ГМО с желаемыми характеристиками посредством вмешательства в структуру ДНК, т.е. модифицирование генотипа встраиванием в него определенного гена (генов).

Селекция – это тип искусственного отбора, осуществляемом человеком для получения определенных качеств биологического объекта.

Например, выведение новых пород животных одного вида (собаки, кошки, куры, коровы и т.д.). Селекция используется для усиления желаемых качеств без насильственного вмешательства в ДНК. Проводится путем скрещивания особей разного пола, т.е. биологическим методом полового размножения.

С помощью ГИ можно получить биологический объект от родителей разной видовой принадлежности, встроив в ДНК одной особи чужеродный ген объекта другого вида.

Изменения в геноме при ГИ осуществляются целенаправленно, а при селекции коррекция генома происходит случайным образом.

Узнавайте новое вместе с нами!

Автор статьи: Елена Копейкина

Удачи вам! До скорых встреч на страницах блога KtoNaNovenkogo.ru

Эта статья относится к рубрикам:

Комментарии и отзывы (2)

Если честно, меня немного пугает генная инженерия, неизвестно куда она может привести. Мне почему-то кажется, что нельзя вмешиваться в то, что создал Бог. Кто знает, может, и не геном человека уже замахнулись.

В середине прошлого века в СССР доказали как дважды два, что генная инженерия сплошной обман народа. Но он продолжается до наших дней. Как можно говорить о чём-то, когда посмотреть ничего нельзя. Это же на молекулярном уровне. Что, прикажете каждому покупателю в магазин с микроскопом ходить. Такой же развод, как и с нано-технологией. Ничего не видно, но деньги дополнительные берут.

Генная инженерия: от истоков до наших дней

Генная инженерия: от истоков до наших дней

Генная инженерия – это больше, чем наука. Это технологическая совокупность разных наук: генетики, биологии, химии, вирусологии, химической инженерии и так далее. Это мощный инструмент для создания новых генетических комбинаций, отличных от существующих в природе, путем внесения изменений в ДНК и РНК. Создаются новые генетические комбинации с целью усовершенствования привычной комплектации, придания живому объекту свойств и качеств, ему не присущих. Рекомбинантная молекула ДНК имеет форму кольца, она содержит гены, составляющие объект генетических манипуляций, и вектор-фрагмент ДНК, обеспечивающий размножение рек ДНК и синтез конечных продуктов деятельности генетической системы-белков.

Генная инженерия полноценно зародилась в 70-х годы XX века в США . Именно в этот период сложились удачные экономические, политические и научные условия. Предпосылки для формирования генной инженерии начали закладываться еще в 19 веке. На тот момент миру уже были известны законы наследственности Менделя. В 1869 г. И. Мишер открыл факт существования ДНК, в 1910 г. профессор Т. Морган обнаружил, что гены расположены линейно на хромосомах и образуют группы сцепления. А уже в 1953 г. было сделано важнейшее открытие — Дж. Уотсон и Ф. Крик установили молекулярную структуру ДНК.
К началу 60-х учеными были изучены свойства генетического кода, а к концу 60-х годов его универсальность была подтверждена опытным путем. Именно в тот период установилось активное развитие генетики, объектами которой были вирусы и плазмиды. Были разработаны методы выделения высокоочищенных препаратов неповрежденных молекул ДНК, плазмид и вирусов. ДНК вирусов и плазмид вводили в клетки в биологически активной форме, обеспечивая ее репликацию и экспрессию соответствующих генов. В 70-х годах был открыт ряд ферментов, катализирующих реакции превращения ДНК. И, все-таки, датой рождения генетической инженерии считается 1972 год, когда в Стенфордском университете П. Берг, С. Коэн, Х. Бойер и их научная группа создали первую рекомбинантную ДНК, содержавшую фрагменты ДНК вируса и бактериофага.

Сегодня генная инженерия используется во многих сферах. Например, на основе генной инженерии сформировалась отрасль фармацевтической промышленности, называемая “индустрия ДНК” и представляющая собой одну из современных ветвей биотехнологии. В медицине применяется инсулин человека (хумулин), полученный посредством рекомбинантных ДНК. Генная инженерия за короткий срок оказала огромное влияние на развитие различных молекулярно-генетических методов и позволила существенно продвинуться на пути познания генетического аппарата.

П рименение генной инженерии. Интересные факты

Количество генетически модифицированных продуктов на сегодняшний день исчисляется уже сотнями и тысячами. Несмотря на этот факт их реализация во многих странах ограничена или вообще запрещена. Очень настороженно относятся к употреблению ГМО страны Европы, гораздо более лояльно — США, ведь именно там впервые появились компании по производству ГМО- продуктов. Ранее в своих статьях мы уже рассказывали о пользе и вреде ГМО, поэтому не будем сейчас подробно на этом останавливаться. Вот список самых популярных в мире продуктов ГМО, над которыми проводилось много генетических опытов: кукуруза, хлопок, соя, помидоры, картофель, кабачки, рис, табак, свекла. Какие качества приобрели эти продукты после генной модификации? Например, помидор теперь обладает суперспособностью несколько месяцев хранится в холодном помещении в полузрелом виде, а после того, как его поместят в комнатную температуру, созревать до нормы в течение суток. Для промышленности и торговли — это очень удобное качество. Помидоры можно везти из дальних стран, хранить на складах, а затем уже на полках магазинов они превращаются в сочные спелые томаты.

Читайте также  Влияние сероводородных ванн на нуклеиновые кислоты при атеросклерозе

Еще с помощью генной инженерии стало возможным увеличить количество витаминов и полезных веществ в продукте. Например, обогатить рис витамином «А» и взращивать его в тех регионах, где люди имеют массовую нехватку этого элемента. Также возможно обеспечить зерновые культуры большей устойчивостью к климатическим условиям. Например, понизить нуждаемость в воде, чтобы взращивать рожь в условиях засухи, или сделать их более неприхотливыми к морозам и взращивать в северных регионах.

Путем генетической модификации растений можно уменьшить интенсивность обработки полей пестицидами. Так, в начале 2000-х в геном кукурузы был внедрен ген земляной бактерии Bacillus thuringiensis. Этот ген обеспечивает высокий уровень защиты растения, после чего в дополнительной обработке оно уже не нуждается.

Наука пошла еще дальше. ГМО-растениям стали внедрять свойства лекарственных препаратов. Так, индийские ученые создали банан с анальгином, и салат, вырабатывающий иммунитет против гепатита В.

Очень остро в 21 веке стоит экологическая проблема, которую сейчас тоже пытаются решить в том числе с помощью генной инженерии. Были созданы особые сорта растений с функцией очистки почвы. Они поглощают цинк, никель, кобальт и иные опасные вещества из загрязненных промышленными отходами почв.

Затронула генная инженерия и животных. Началось все с прославившейся на весь мир овечки Долли, которую клонировали в 1996 г. методом пересадки ядра соматической клетки в цитоплазму яйцеклетки. Уже в наши дни, ученые из Южной Кореи умудрились вывести вид кошек, которые светятся в темноте красным цветом. С какой целью это сделано можно только предполагать. Возможно, в Корее высокая смертность кошек от колёс автомобилей в ночное время. А вот новые овцы, в ДНК которых внедрили гены шелкопряда, будут обладать роскошной шерстью, которую планируется использовать в текстильной промышленности.

Английский врач Х. Санг смогла вывести куриц с ДНК человека. Яйца от таких куриц содержат особые протеины, которые, по ее утверждению, при употреблении яиц в пищу, поспособствуют излечению рака кожи. Ученые шагнули еще дальше и пробуют выращивать в теле животных органы, которые затем возможно будет целиком трансплантировать людям. Для минимизации риска отторжения тканей, животным вводят специальные гены. Уже проведен успешный эксперимент пересаживания мыши поджелудочной железы, выращенной в теле крысы. Этими опытами занимается как раз та научная лаборатория в Великобритании, которая представила миру овечку Долли.

Изменение ДНК человека

Дошло дело и до человека. В 2015 году впервые была проведена процедура изменения ДНК человека с целью продления молодости клеток. Сейчас генная инженерия активно работает в направлении разработки методов эффективного омоложения и улучшения качества жизни человека. В 2018 году китайский ученый Хэ Цзянькуй заявил, что создал двух детей-близнецов с измененными генами с целью создания у них иммунитета к вирусу ВИЧ, носителем которого являлся их отец. Все это, с одной стороны, выглядит грандиозно и обнадёживает, с другой вызывает опасения, ведь генетические манипуляции, теоретически, возможно использовать не только в благих и мирных целях.
После эксперимента с ДНК близнецов в Китае, ЮНЕСКО выступила с инициативой о запрете изменения генов новорожденных до того момента, пока достоверно не будет доказана безопасность таких манипуляций. Организация беспокоится, что генетические вмешательства могут негативно отразиться на будущих поколениях и вызвать самые неожиданные мутации. В связи с этим, ЮНЕСКО настаивает, чтобы государства совместно приняли меры по обеспечению корректных с этической точки зрения экспериментов в области генной инженерии. Представители комитета сослались на принципы научной деятельности, прописанные во Всеобщей декларации ООН о геноме человека и правах человека (1997 г.).

Редактирование генома. Величайшее благо или абсолютное зло?

У человечества есть несколько ”ящиков Пандоры”, которые лучше не открывать. Если даже желание или необходимость его открыть все же появились, то делать это надо с максимальной осторожностью. Одним из таких ящиков является генная инженерия и редактирование генома. Кажется, что в этой истории все красиво. Мы можем получить лекарство от всех болезней, можем стать супер людьми, можем получить потомство, которое будет в десятки раз лучше нас, и многое другое. Можем даже избавить себя от необходимости искать элексир бессмертия, просто немного подправив гены еще до рождения. Можно подумать, что это дивный мир, которого мы достойны, но не спешите радоваться, ведь как в известной присказке, мы можем получить ”мир, который мы заслужили”. Естественно, в плохом смысле. Открывая этот ящик, мы можем сделать так, что уже никогда не станем прежними, но где гарантии, что новые ”мы” действительно будем лучше и не приведем сами себя к закату человечества?

Редактирование генома — это изменение всего.

Генная инженерия

Сейчас все большее количество правительств разных стран готовится к тому, чтобы разрешить эксперименты по редактированию генома на эмбрионах человека. Некоторые страны уже даже разрешили это, например, Великобритания.

Справедливости ради, пока мы не говорим о полностью готовом человеке с измененными генами, но все к этому идет. Вы же понимаете? Пока Великобритания разрешает ставить эксперименты только над эмбрионами, выращенными в лабораторных условиях. При этом они обязательно должны быть уничтожены через 14 дней после начала эксперимента. То есть формально нам это ничем не угрожает. Вопрос только в том, для чего это нужно тому, кто это разрешил. Явно не из любопытства. Что-то подсказывает, что как и многие передовые разработки, сначала это будет применяться в военных целях, ведь именно так можно получить универсального солдата. Он не будет хотеть есть или пить. Он не будет уставать или бояться взрывов. Небольшая корректировка генов и супер-солдат готов.

Жизнь на Земле могла появиться в результате гибрида молекул ДНК и РНК

Более того! Такой способ воздействия, если человечество ему научится, может выйти из-под контроля. Или просто ”не в тех руках” это может стать оружием геноцида. Как видим, мрачных последствий куда больше, чем радужных. Поэтому прежде, чем делать что-то подобное, надо основательно взвесить все за и против. Даже клонирование на фоне этого может показаться милой забавой. Хотя изначально все были против этого.

Может не надо это трогать?

Но может все же что-то положительное в этом есть и можно дать шанс ученым доказать, что они не зря открывали инструменты редактирования? Какие преимущества редактирование генов может принести человеку?

Защита от вирусов на уровне ДНК

В основе редактирования генов и понимания того, зачем это вообще нужно, стояли исследования бактерий, которые показали, как они вырабатывали защиту от бактериофагов. Ученых особенно интересовало, как эта защита влияет на цепочки ДНК и при этом переносится на новые поколения бактерий.

Название бактериофагов происходит от древнегреческого ”пожираю”. Название не случайно, ведь это вирусы, которые избирательно поражают клетки бактерий и архей. Также бактерия служит местом размножения вируса. Бактериофаг состоит из белковой оболочки и генетического материала. Общая численность бактериофагов в природе примерно равна общей численности бактерий. Бактериофаги оказывают больше влияние на эволюцию бактерий.

Более того, определенные признаки изменения генов нашли изначально у бактерии кишечной палочки. Ученые заметили определенные повторяющиеся фрагменты, которые были разделены спейсерами, но тогда объяснить этого не смогли. Позже подобную структуру-кассету нашли и у других представителей прокариот. Тогда им и дали сокращенное название CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats). В переводе на русский это может звучать, как КППРРГ (короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами). Такое сокращение выглядит просто ужасно и проще пользоваться емким словом CRISPR.

Позже выяснилось, что те самые спейсеры очень похожи на куски ДНК вирусов-бактериофагов и являются частью защитного механизма бактерий, выработанного в ходе эволюции. Ученые предложили механизм, при котором белок Cas, ассоциированный с CRISPR, позволяет находить чужеродную ДНК, когда вирус попадает в клетку бактерии. Если ДНК вируса соответствует информации, которая есть у бактерии, то в этом случае чужая ДНК разрезается и заражение предотвращается.

Бактериофаги не просто живут за счет бактерий, но и размножаются в них.

Ученые провели ряд экспериментов, в ходе которых меняли геном бактерий и наблюдали, как на них воздействуют другие бактериофаги. Результаты доказали, что механизм работает именно так, как они думали. Также они подтвердили, что когда бактерия сталкивается с новым для себя вирусом, она может вырезать часть его ДНК и вставлять их в свою CRISPR-кассету. После чего эти ”записи” передаются потомкам.

Читайте также  Дыхательная система у подростков

Как можно редактировать геном

Ученые предлагали несколько способов редактирования генов. В частности можно было создавать определенные искусственные последовательности, которые могли бы узнавать определенные участки ДНК. В результате белок Cas9 вносил бы разрезы точно в те места, в которых это требовалось. Параллельно с разработкой такого метода было доказано, что внесение изменений подобным образом возможно не только на уровне бактерий, но и в клетках других организмов.

Что такое тест ДНК, как его делают и для чего он нужен?

Есть и другие способы редактирования генома. Например, с помощью искусственных ферментов, которых не существует в природе, но которые способны расщеплять цепочку ДНК. Их еще называют цинковыми пальцами. Все из-за того, что этот белковый модуль включает в себя один или несколько ионов цинка.

Редактировать гены возможно, но это сложно.

Такой способ требовал сложного подхода и долгой подготовки. Для каждого разреза в определенных участках генома надо было синтезировать специфичный белок. Кроме того, подобный способ редактирования часто приводил к ошибкам, так как разрезы часто происходили не в тех местах, где было нужно. Это лишний раз доказывает то, что вероятность ошибки очень высока, а неточности на начальных этапах могут привести к тому, что сбои будут идти, как снежный ком.

Редактирование генома CRISPR

Система CRISPR-Cas с точки зрения редактирование генома более простая и надежная. Главное только правильно синтезировать то, что укажет, в каком месте надо совершить разрез ДНК. Дальше запустится механизм восстановления и все сделается практически само собой. Тем более, если сделать много таких разрезов, то можно запрограммировать нужные изменения достаточно крупного участка ДНК.

Можно даже убирать целые участки ДНК, если это потребуется. При этом, на место удаленных фрагментов будут встроены те участки, которые будут нужны генетикам. Это позволит редактировать ”сломанные” последовательности, которые приводят к тяжелым заболеваниям. В теории надо будет просто заменить нужный фрагмент и все должно стать нормально.

Сами понимаете, что первым вопросом будет ”а можно ли встроить нужную часть кода?” Конечно, со временем и это станет возможно. Вот тогда и могут начать получаться целые новые народы. Но, скорее всего, дело ограничится небольшой группой узких специалистов, вроде людей, которые смогут выдержать полеты к другим планетам, или солдат, которые не будут уставать. Люди найдут, как извлечь из этого выгоду. Особенно правительства и инвесторы, которые вкладывают в разработки огромные деньги. И далеко не все из них делают это, чтобы избавить человечество от болезней. Увы, но реальность такова.

Применение генной инженерии в промышленности

Более того, можно смело говорить о том, что генное модифицирование уже применяется на практике для достижения определенных результатов. Я говорю о генно-модифицированных организмах — ГМО.

Самым простым примером, как для понимания преимуществ метода, так и для самих генетиков является создание модифицированных кисломолочных бактерий. Дело в том, что когда на производстве вирусы бактериофаги попадают в закваску, они уничтожают культуру полезных микроорганизмов. В итоге это приводит к тому, что партия оказывается испорченной, а производитель несет огромные убытки. Именно поэтому устойчивые к бактериофагам микроорганизмы решают массу проблем.

Если бактериофаги попадают на производство, пропадают просто огромные объемы продукции.

Ретровирусные инфекции

Относительно недавно я уже рассказывал о том, как мы все являемся носителями ретровирусов или, как их еще называют, реликтовых вирусов. В том числе к ним относится и ВИЧ, который миллионы лет назад встроил свой геном в наши ДНК и мы продолжаем передавать его из поколения в поколение.

В журнале Scientific Reports даже была опубликована работа, которая показывает, как при помощи CRISPR-Cas9 можно избавиться от этого наследства и даже ликвидировать возможность повторного встраивания вируса в ДНК.

Китайские ученые даже проводили эксперименты в этом направлении и обеспечили рождение двух генно-модифицированных человек. Ими стали девочки близнецы, один из родителей которых был ВИЧ-положительным. В итоге, они родились с устойчивым иммунитетом к вирусу. Проблема в том, что эксперимент был за гранью законности, но в целом все получилось.

Найдено живое ДНК динозавра. Возможно ли это?

Также в другой работе, опубликованной в Nature Biotechnology, доказывается, что при помощи модифицированного белка Cas9 можно отключать гены, которые мешают нормальному перерождению клеток и приводят к злокачественным образованиям. То есть потенциально это может стать долгожданным лекарством от рака. Вот только не привело бы такое вмешательство к тому, что воспроизводство новых клеток станет еще хуже.

Стоит ли запретить генетические исследования

Конечно, сейчас нельзя говорить о том, что уже завтра мы рискуем получить нежелательные последствия редактирования генома. Во-первых, исследования еще только ведутся и чего-то действительно серьезного не сделали. Во-вторых, даже когда начнется массовое применение технологий на людях, понять истинные последствия можно будет только через несколько поколений. К сожалению, такое положение дел может расслабить некоторых ученых, ведь по сути у них не будет никакой ответственности. Впрочем, это вряд ли, но вероятность этого все равно есть.

Главное не вестись на кажущуюся легкость редактирования генов. Неизвестно, во что потом это выльется.

Пока ученые с осторожность прогнозируют вероятность внесения таких изменений в геном человека, которые сделают из него кого-то другого, но в перспективе это все равно возможно. Если даже в этом не поможет CRISPR, найдется другой способ, но он будет.

Тут уже можно поднимать вопросы этичности того, что одни люди изначально будут от рождения лучше других. Кроме этого, возникают вопросы, насколько это корректно — вмешиваться в геном человека без его ведома. Может быть, когда из модифицированного появится человек, который отличается от остальных, он сам будет не рад этому. Одно дело, когда у него от природы определенный цвет волос, разрез глаз и форма ушей, а другое — когда за него кто-то решил, каким он должен быть. Вот еще одна дилемма будущего. А решать, стоит ли запрещать редактирование генома, вам. Каждый имеет свое мнение, которым можно и нужно поделиться в нашем Telegram-чате.

Что такое генная инженерия и что она изучает?

Сложно найти в современном мире человека, который ничего не слышал бы об успехах генной инженерии.

Сегодня она является одним из наиболее перспективных путей развития биотехнологий, совершенствования сельскохозяйственного производства, медицины и ряда других отраслей.

Что такое генная инженерия?

Как известно, наследственные признаки любого живого существа записаны в каждой клетке организма в виде совокупности генов – элементов сложных белковых молекул РНК и ДНК. Вводя в геном живого существа чужеродный ген, можно изменить свойства получаемого организма, причём в нужную сторону: сделать сельскохозяйственную культуру более устойчивой к морозу и болезням, придать растению новые свойства и т.д.

Организмы, полученные в результате такой переделки, называются генно-модифицированными, или трансгенными, а научная дисциплина, занимающаяся исследованием модификаций генома и разработкой трансгенных технологий – генетической или генной инженерией.

Объекты генной инженерии

Наиболее часто объектами для исследования генной инженерии становятся микроорганизмы, клетки растений и низших животных, однако ведутся исследования и на клетках млекопитающих, и даже на клетках человеческого организма. Как правило, непосредственным объектом исследования является молекула ДНК, очищенная от прочих клеточных веществ. При помощи энзимов ДНК расщепляется на отдельные отрезки, причём важно уметь распознавать и выделять нужный отрезок, переносить его при помощи энзимов и встраивать в структуру другой ДНК.

Современные методики уже позволяют достаточно свободно манипулировать отрезками генома, размножать нужный участок наследственной цепи и вставлять его на место другого нуклеотида в ДНК реципиента. Накоплен достаточно большой опыт и собрана немалая информация по закономерностям строения наследственных механизмов. Как правило, преобразованиям подвергаются сельскохозяйственные растения, что уже позволило существенно повысить результативность основных продовольственных культур.

Для чего нужна генная инженерия?

К середине ХХ века традиционные методы селекции перестали устраивать учёных, так как это направление обладает рядом серьёзных ограничений:

  • невозможно скрещивать неродственные виды живых существ;
  • процесс рекомбинации генетических признаков остаётся неуправляемым, и необходимые качества у потомства появляются в результате случайных комбинаций, при этом очень большой процент потомства признаётся неудачным и отбрасывается в ходе селекции;
  • точно задать нужные качества при скрещивании невозможно;
  • селекционный процесс занимает годы и даже десятилетия.


Естественный механизм сохранения наследственных признаков является чрезвычайно стойким, и даже появление потомства с нужными качествами не даёт гарантии сохранения этих признаков в последующих поколениях.

Читайте также  Естественная и искусственная вентиляция школьного здания

Генная инженерия позволяет преодолеть все вышеперечисленные затруднения. С помощью трансгенных технологий можно создавать организмы с заданными свойствами, заменяя отдельные участки генома другими, взятыми у живых существ, принадлежащих к другим видам. При этом сроки создания новых организмов существенно сокращаются. Необязательно закреплять нужные признаки, делая их наследуемыми, так как всегда есть возможность генетически модифицировать следующие партии, поставив процесс буквально на поток.

Этапы создания трансгенного организма

  1. Выделение изолированного гена с нужными свойствами. Сегодня для этого существуют достаточно надёжные технологии, есть даже специально подготовленные библиотеки генов.
  2. Ввод гена в вектор для переноса. Для этого создаётся специальная конструкция – трансген, с одним или несколькими отрезками ДНК и регуляторными элементами, который встраивается в геном вектора и подвергается клонированию при помощи лигаз и рестриктаз. В качестве вектора обычно используются кольцеобразные бактериальные ДНК – плазмиды.
  3. Встраивание вектора в организм реципиента. Этот процесс скопирован с аналогичного природного процесса встраивания ДНК вируса или бактерии в клетки носителя и действует таким же образом.
  4. Молекулярное клонирование. При этом клетка, подвергшаяся модификации, успешно делится, производя множество новых дочерних клеток, которые содержат изменённый геном и синтезируют белковые молекулы с заданными свойствами.
  5. Отбор ГМО. Последний этап ничем не отличается от обычной селекционной работы.

Безопасна ли генная инженерия?

Вопрос, насколько безопасны трансгенные технологии, периодически поднимается как в научной среде, так и в СМИ, далёких от науки. Однозначного ответа на него нет до сих пор.

Во-первых, генная инженерия остаётся ещё достаточно новым направлением биотехнологий, и статистика, позволяющая делать объективные выводы об этой проблеме, пока что не успела накопиться.

Во-вторых, огромные вложения в генную инженерию со стороны транснациональных корпораций, занимающихся производством продуктов питания, могут служить дополнительной причиной отсутствия серьёзных исследований.

Впрочем, в законодательствах многих стран появились нормы, обязывающие производителей указывать наличие продуктов из ГМО на упаковке товаров пищевой группы. В любом случае, генная инженерия уже продемонстрировала высокую результативность своих технологий, а её дальнейшее развитие обещает людям ещё больше успехов и достижений.

Другие люди Во что генная инженерия превратит человечество

Генная инженерия открывает перед человечеством возможности по созданию ранее не существовавших организмов и уничтожению генетических болезней. Однако все не так радужно, поскольку даже прорывная технология CRISPR/Cas9 работает далеко не идеально. Допускаемые ею ошибки могут быть редкими, но и одной достаточно, чтобы стать фатальной для человека. «Лента.ру» рассказывает о том, что не так с CRISPR и как ученые пытаются исправить ситуацию.

Система CRISPR/Cas9 — своеобразные ДНК-ножницы — по праву считается революцией в области генной инженерии. С ее помощью ученые могут редактировать человеческий геном, убирая из него вредные мутации, и лечить таким образом неприятные и смертоносные наследственные болезни. Не следует думать, однако, что раньше подобных методов не было. В арсенале у генетиков имелись, например, нуклеазы, содержащие цинковые «пальцы», и эндонуклеазы — ферменты, разрывающие молекулы ДНК в специфичных местах. В точности, универсальности и стоимости они ощутимо проигрывают CRISPR/Cas9, хотя и последняя далеко не совершенна.

Материалы по теме

Ген, ты чего?

CRISPR/Cas9 была изначально создана не учеными, а природой. Это молекулярный механизм, существующий внутри бактерий и позволяющий им бороться с бактериофагами и другими паразитами. Фактически он работает как иммунитет против инфекции. CRISPR (расшифровывается как «короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами») — это особые участки (локусы) ДНК. В них содержатся короткие фрагменты ДНК-вирусов, которые когда-то заражали предков существующих ныне бактерий, но были побеждены их внутренней защитой. Эти фрагменты называются спейсерами, они отделены друг от друга повторяющимися последовательностями.

Когда бактериофаг проникает внутрь бактерии, каждая повторяющаяся последовательность и примыкающий к ней спейсер используются в качестве шаблона для синтеза молекул, называемых crРНК. Образуется множество различных цепочек РНК, они связываются с белком Cas9, задача которого крайне проста: разрезать ДНК вируса. Однако сделать это он сможет только после того, как crРНК найдет комплементарный ей фрагмент вирусной ДНК. После того как Cas9 разрывает чужеродную нуклеиновую кислоту, последняя уничтожается до конца другими нуклеазами.

СRISPR/Cas9 хороша именно своей точностью, ведь для бактерий правильная работа иммунитета — вопрос жизни и смерти. «Антивирусной» системе нужно найти участок вирусной ДНК среди миллиона других и, главное, не спутать его со своим собственным геномом. За миллионы лет эволюции бактерии довели этот механизм до совершенства. Поэтому сразу после того, как ученые выяснили, зачем нужна CRISPR-система, они поняли, что ее можно «приручить» в качестве беспрецедентно точного инструмента редактирования генов.

Чтобы произвести замену одного специфического участка в геноме на другой, необходимо синтезировать направляющую РНК, которая по принципу действия аналогична crРНК. Она указывает Cas9, где необходимо произвести двуцепочечный разрыв в ДНК модифицируемого организма. Однако нам нужно не испортить ген, а модифицировать его — например, заменить один или несколько нуклеотидов и убрать зловредную мутацию. Тут на помощь опять приходит природа. Естественные механизмы репарации тут же начинают восстанавливать перерезанную цепочку. Фокус в том, что для этого удаляются некоторые фрагменты РНК рядом с разрывом, после чего туда вставляются похожие последовательности. Ученые могут заменить их собственными последовательностями ДНК и таким образом модифицировать геном.

Однако нет ничего идеального. Несмотря на относительную точность, CRISPR-система иногда делает ошибки. Одна из причин лежит в самой природе системы. Бактерии невыгодно, чтобы crРНК совпадали на 100 процентов с фрагментом вирусной ДНК, который может отличаться на один-два нуклеотида. Для нее лучше, чтобы некоторые нуклеотиды могли отличаться, что дает микроорганизму больше шансов побороть инфекцию. В то же время в генной инженерии невысокая специфичность грозит ошибками: изменения могут быть внесены не там, где нужно. Если это произойдет в ходе экспериментов на мышах, то трагедии особой нет, но редактирование генома человека может обернуться катастрофой.

Этим объясняется озабоченность западных ученых экспериментами, которые проводятся в Китае. Азиатские исследователи прибегли к генным модификациям человеческих эмбрионов с помощью технологии CRISPR. Подобные опыты были запрещены в Европе и США, но недавно Великобритания разрешила их — исключительно в исследовательских целях. Такие эмбрионы должны будут уничтожаться через пару недель после получения, что исключает «выведение» ГМ-людей.

Однако CRISPR/Cas9 не была бы такой замечательной, если бы ее невозможно было усовершенствовать. Так, ученые научили Cas9 разрезать не две цепочки сразу, а только одну. Разрез вносится в двух различных местах ДНК-последовательности на разных цепях, поэтому система должна уметь распознавать в два раза больше нуклеотидов, чем обычно, что делает ее более точной.

Ученые из университета Западного Онтарио нашли еще один способ усовершенствовать эту технологию. Они пытались решить проблему репарации разрезанной ДНК. Быстрое восстановление нуклеиновой цепочки приводит к тому, что ученые не успевают внести в геном свои исправления. Таким образом создается порочный круг: отремонтированную нежелательным образом цепочку вновь приходится разрезать белком Cas9.

Чтобы предотвратить такую ситуацию, исследователи модифицировали «белковые ножницы», создав белок TevCas9. Он разрезает цепочку ДНК в двух местах, что затрудняет восстановление участка. Для синтеза нового фермента к Cas 9 присоединили фермент I-Tevl, который также является эндонуклеазой, то есть белком, расщепляющим молекулу ДНК в середине, а не отщепляющим концы последовательности, как это делают экзонуклеазы. Полученный гибридный белок оказался более точен в связывании со специфичными участками и с меньшей вероятностью может ошибиться и разрезать не тот участок.

Повышать точность CRISPR-систем можно и другим способом. «Гонка вооружений» между бактериями и вирусами привела не только к развитию защитных систем у микроорганизмов, но и способов их обезвреживания. Так, бактериофаги быстро мутируют, лишаясь участков, по которым бактериальный иммунитет их распознает. Однако некоторые кодируют анти-CRISPR-белки, мешая работе комплекса crРНК и Cas9.

8 декабря в журнале Cell была опубликована статья ученых из Торонтского университета, которые создали «анти-CRISPR» — систему, которая позволяет выключить механизм при определенных условиях. Она позволяет предотвратить нежелательные ошибки, подавляя активность Cas9 в том случае, если направляющая РНК свяжется не с тем фрагментом. «Анти-CRISPR» состоит из трех белков, которые ингибируют нуклеазу и кодируются генами одного из бактериальных вирусов.

Уже сейчас технологию CRISPR используют для лечения таких серьезных заболеваний, как лейкоз и рак легких, а также испытывают для очистки иммунных клеток от ВИЧ. По мере того как ученые находят все новые способы совершенствования этого метода, будет открываться все больше возможностей его применения.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: