Г

Генная инженерия

Генная инженерия — это биотехнологический прием, направленный на конструирование рекомбинантных молекул ДНК на основе ДНК, взятой из различных источников.

Методы

Генная инженерия основывается на молекулярной биологии, которая дает возможность вносить изменения в молекулярную взаимодействие основных биологических молекул в клетке и вне ее.

Биологи овладели методами, которые дают возможность манипулировать биологическими молекулами, исследовать и изменять их структуру. За счет изменений в основных биологических молекулах ДНК является возможность создавать варианты живых систем, которые не возникают в результате естественной эволюции.

Технологии получения рекомбинантных молекул ДНК и клонирование (размножение) генов предшествовали методы, с помощью которых молекулу ДНК расщепляют на фрагменты, модифицируют и снова реконструируют в одно целое. При этом имеют много копий этой молекулы. Затем, используя эту рекомбинантную молекулу, можно синтезировать молекулы РНК и получить белок с определенными качествами и свойствами.

История

Следует отметить, что четкой разницы между молекулярной биологией и генной инженерией нет. Объясняется это тем, что биотехнология (в данном случае генная инженерия) использует методы, разработанные молекулярной биологией.

Изучение общих биохимических свойств клеточной ДНК не давало возможности определить особенности ее генетической структуры. Решению этого вопроса способствовали два метода молекулярной биологии. Первый метод — открытие гидролитических ферментов (рестриктаз рестрикционных эндонуклеаз), которые в определенных местах расщепляют ДНК на фрагменты, имеющие специфическую нуклеотидную последовательность молекулы ДНК. Рестриктазы получают из бактериальных клеток.

Ферменты рестриктаз гидролизуют нуклеотидные последовательности, в результате чего имеют фрагменты ДНК. их может быть от нескольких сотен до нескольких тысяч и более пар, они различаются по молекулярной массе. Фрагменты выделяют в изолированном виде с помощью электрофореза в геле, а затем анализируют.

Вторым методическим приемом является определение нуклеотидной последовательности фрагментов ДНК, которые получают с помощью рестриктаз в макромолекуле ДНК.

Около 50 лет назад было экспериментально установлено, что молекула ДНК является носителем наследственности. Изучение наследственности на молекулярном уровне позволило установить, что в ДНК запрограммирована «инструкция» по синтезу необходимых белков организма.

Позже было обнаружено, что «инструкция» записана в соответствии с последовательностью размещения нуклеотидов в ДНК и согласно этой записью синтезируется белок веществ, которые участвуют в синтезе.

При определении последовательности нуклеотидов или полном считывании генетической информации в ДНК было много проблем. Для небольшой молекулы — транспортной РНК (тРНК), задачей которой является транспортировать части белков — аминокислоты к месту сборки белка, проблема нуклеотидной последовательности была решена еще в 1965 г.. Группой американских ученых. Они проработали принципы и методы, с помощью которых можно определить последовательность размещения нуклеотидов в тРНК.

Молекулы ДНК содержат много нуклеотидов. Даже маленькие молекулы включают их более 5000. Так, в одной из самых маленьких вирусной ДНК фага ФХ174 есть 5 375 нуклеотидов. В тРНК их примерно 80. В 1975 г.. Была опубликована статья английских ученых Ф. Сэнгера и А. Коулсон, где говорилось о новом методе анализа ДНК. После этой статьи менее чем через два года были опубликованы результаты определения полной последовательности нуклеотидов ДНК фага ФХ174.

Последовательность размещения нуклеотидов в ДНК обозначают начальными буквами названия нуклеотида: аденин — А, цитозин — Ц, гуанин — Г, тиамин — Т. Так, даже для записи последовательности нуклеотидов маленькой ДНК фага ФХ174, которая имеет 5 375 нуклеотидов, требуется около трех страниц машинописи.

Пары азотистых оснований формируют различные информационные блоки, количество которых в геноме (совокупности всех генов хромосомы организма) составляет 50-100 тыс.

Одновременно с определением последовательности размещения нуклеотидов в молекуле ДНК на примере вирусов были определены участки, которые не входят в структуру гена, не кодируют белки, но участвуют в регуляции экспрессии генов и самовоспроизводстве (репликации) вирусной ДНК.

В молекулярной биологии разработаны методы выделения генов донорских организмов, ввод их в векторную молекулу и получения гибридных (рекомбинантных) ДНК, обеспечение их самовоспроизведения (репликации), переноса в организм реципиента (клетку-хозяина) и обеспечения осязаемости действия (экспрессии) чужих генов.

Для переноса генов, которых нет в клетке-реципиенте, используют переносчики (векторы) генов — плазмиды (эписомы) — небольшие кольцевые молекулы ДНК, способные к стабильному, не связанного с хромосомами существования и репликации. Плазмиды могут также быть в геноме клетки-хозяина, в хромосоме. Они есть в цитоплазме бактериальных клеток некоторых дрожжей. Автономное существование их обусловлено тем, что их размножения не зависит от размножения хромосом. Размер их разный, и поэтому размер генетической информации у них тоже неодинаков. За счет репликации количество копий плазмид регулярно увеличивается и они равномерно распределяются между потомством клетки, которая делится.

Рекомбинантные молекулы ДНК используются и будут использоваться в работе с микроорганизмами для производства различных ценных веществ в медицине, биохимической промышленности сельском хозяйстве. В частности произведения генной инженерии использовании для создания новых типов вакцин — рекомбинантных и ДНК-вакцин, а также лечения генетических дефектов, которые ранее невозможно было исправить. Большое значение при этом имеет метод клонирования генов.

Технология конструирования рекомбинантных ДНК является одним из важнейших достижений биотехнологии. Относительно растениеводства она имеет большое будущее в создании сортов и гибридов полезных биологическими и экологическими свойствами. Это — высокие урожайность и качество урожая, устойчивость к болезням, вредителям, сорняков, способность к активной азотфиксации, одновременность созревания, засухоустойчивость, высокий коэффициент усвоения ФАР (высокая производительность) и др.

Генная инженерия и медицина

Сгенерированные с помощью генной инженерии онколитических вирусы в опытах способны убивать клетки рака. Первый медицинский препарат на основе генно-модифицированного вируса Talimogene laherparepvec (T-VEC) был утвержден FDA в октябре 2015 для лечения пациентов с меланомой, не операбельна, то есть не может быть вырезана хирургическим путем.

Генная инженерия и сельское хозяйство

На сегодняшний день генетическая инженерия сельскохозяйственных растений развивается преимущественно в русле классической селекции. Основные усилия ученых сосредоточены на защите растений от неблагоприятных (биотических и абиотических) факторов, улучшении качества и уменьшении потерь при хранении продукции растениеводства. В частности, это повышение устойчивости к болезням, вредителям, заморозков, солонцюватости грунта и т.п., удаление нежелательных компонентов из растительных масел, изменение свойств белка и крахмала в пшеничной муке, улучшения лежкости и вкусовых качеств овощей и др. По сравнению с традиционной селекцией, основными инструментами которой являются скрещивания и отбор, генная инженерия дает возможность использования принципиально новых генов, которые определяют агрономически важные признаки, и новых молекулярно-генетических методов мониторинга трансгенов (молекулярные маркеры генов), что во много раз ускоряют процесс создания трансгенных растений. Селекционеров привлекает возможность целенаправленного генетического «ремонта» растений. Важным направлением является создание генетически модифицированных растений (ГМР) с признаком мужской стерильности. Кроме того, благодаря генетической модификации растения могут выполнять не свойственную им ранее функцию. Примером является корнеплоды сахарной свеклы, которые накапливают вместо сахарозы низкомолекулярные фруктами, бананы, которые используют как съедобную вакцину. Благодаря введению генов бактерий высшие растения приобретают свойства разрушать чужеродные органические соединения (ксенобиотики), загрязняющих окружающую среду. Выращивание ГМР, устойчивых к широкому спектру болезней и насекомых-вредителей, может существенно снизить, а в дальнейшем свести к минимуму пестицидную нагрузки на окружающую среду.

Генетически модифицированные растения в Украине

Рост площадей под трансгенными культурами в развитых странах идет значительно интенсивнее по сравнению с развивающимися странами. Сейчас в Украине испытываются трансгенные сорта кукурузы, сахарной свеклы и рапса, устойчивые против гербицидов; кукурузы, устойчивой кукурузного мотылька, а также картофеля, устойчивого против колорадского жука. Создана система органов, которые с привлечением специалистов (генетиков, селекционеров, генных инженеров, экологов, медиков, токсикологов) оценивают трансгенные сорта для определения потенциального воздействия на человека, животных и окружающую среду. Только после таких экспертиз сорт допускается к испытанию с соблюдением всех соответствующих требований, принятых в Европейском Союзе.

При рассмотрении проблемы возможного влияния трансгенных растений на окружающую среду обсуждаются в основном такие основные аспекты:

  • сконструированы гены будут переданы с пыльцой близкородственными диким видам, и их гибридное потомство приобретет свойства повышенной семенной продуктивности и способность конкурировать с другими растениями;
  • трансгенные сельскохозяйственные растения станут сорняками и вытеснят растения, которые растут рядом;
  • трансгенные растения станут прямой угрозой для человека, домашних и диких животных (например из-за их токсичности или аллергенности).

Еще одним важным аспектом является получение трансгенных растений с лучшей способностью использовать минеральные вещества, что, кроме усиления их роста, будет препятствовать смыва таких соединений в грунтовые воды и попадание в источники водоснабжения.

Гарантией против нежелательных последствий генетической модификации растений является законодательное регулирование распространения ГМР и разработка связанных с этим методов оценки экологического риска. Кроме того, значительное внимание уделяется достаточное информированности агрономов, селекционеров, СЕМЕНОВОД, потенциальных покупателей об особенностях продуктов из генетически модифицированных растений. В Украине и ряде других стран приняты законы, которые предупреждают несанкционированное распространение трансгенных семенного материала, обеспечивающего мониторинг в посевах, а также маркировки пищевых продуктов, изготовленных из продуктов ГМР или их добавлением.

Изображения по теме

  • Генная инженерия
  • Генная инженерия
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Проверьте также
Закрыть
Кнопка «Наверх»
Закрыть
Закрыть