Федеральное агентство по образованию

Федеральное государственное учреждение

Высшего профессионального образования

«Сибирская академия государственной службы»

Кафедра региональной экономики

Контрольная работа

Генетическая инженерия: плюсы и минусы

Выполнил:

Студент 1 курса гр.08116

Задворнова А. В.

Старший преподаватель

Гаврилова Н. Г.

В 1972 году появилась первая публикация, в которой сообщалось о получении in vitro рекомбинантной ДНК, состоящей из фрагментов разных молекул ДНК: вирусной, бактериальной и фаговой. Работа была выполнена американским ученым Полом Бергом с сотрудниками и ознаменовала рождение новой отрасли молекулярной биологии - генетической (генной) инженерии.

С тех пор началось бурное развитие этой науки. Однако после первых успешных экспериментов с рекомбинацией молекул ДНК в пробирке появились первые сомнения и опасения, не принесет ли генная инженерия вред природе и человечеству. В июле 1974 года несколько крупных ученых обратились к научной общественности с предложением наложить мораторий на работы с рекомбинантными ДНК in vitro. В феврале 1975 года в Калифорнии на Асиломарской конференции собрались 140 ученых разных стран, работающих в области генной инженерии. Всесторонне изучив результаты и возможные последствия, ученые пришли к выводу, что потенциальные опасности невелики, так как рекомбинантные штаммы в природных условиях нежизнеспособны и их бесконтрольное распространение маловероятно. Было решено прервать мораторий и продолжить исследования с соблюдением специально разработанных правил. Сегодня мы можем отметить, что почти за четверть века своего существования генная инженерия не причинила никакого вреда самим исследователям, не принесла ущерба ни природе, ни человеку. Свершения генной инженерии как в познании механизмов функционирования организмов, так и в прикладном плане весьма внушительны, а перспективы поистине фантастичны. Этими фактами обуславливается актуальность проблемы.

Цель работы – изучив материал о генетической инженерии, сформулировать ее плюсы и минусы

Задачи работы:

1. Изучить литературу по теме

2. Выделить направления генетической инженерии

3. Проанализировать материал для формулирования «плюсов» и «минусов» науки.

Генетическая инженерия - направление исследований в молекулярной биологии и генетике, конечной целью которых является получение с помощью лабораторных приемов организмов с новыми, в том числе не встречающимися в природе, комбинациями наследственных свойств.

В основе генной инженерии лежат достижения молекулярной биологии и прежде всего установление универсальности генетического кода (у всех организмов включение одних и тех же аминокислот в строящуюся полипептидную цепь белка кодируется одними и теми же последовательностями трех нуклеотидов в цепи ДНК). Методом генной инженерии получен уже ряд препаратов, в том числе инсулин человека и противовирусный препарат интерферон. И хотя эта технология еще только разрабатывается, она сулит достижение огромных успехов и в медицине, и в сельском хозяйстве. В медицине, например, это весьма перспективный путь создания и производства вакцин. Таким путем получены продуценты ряда антибиотиков, аминокислот, витаминов, во много раз более эффективные, чем их продуценты, выведенные традиционными методами генетики и селекции. В сельском хозяйстве с помощью рекомбинантной ДНК могут быть получены сорта культурных растений, устойчивые к засухе, холоду, болезням, насекомым-вредителям и гербицидам. Из практических достижений Г. и. наиболее важными являются создание продуцентов биологически активных белков - инсулина, интерферона, гормона роста и др., а также разработка способов активизации звеньев обмена веществ, которые связаны с образованием низкомолекулярных биологически активных соединений. Таким путем получены продуценты ряда антибиотиков, аминокислот, витаминов, во много раз более эффективные, чем их продуценты, выведенные традиционными методами генетики и селекции. г и. разрабатываются способы получения чисто белковых вакцин против вирусов гепатита, гриппа, герпеса, ящура, реализована идея использования для вакцинации комбинированного вируса осповакцины, в геном которого встроены гены, кодирующие синтез белков других вирусов (например, вирусов гепатита или гриппа). В результате прививки таким вирусом организм получает возможность выработать иммунитет не только против оспы, но и против гепатита, гриппа или другого заболевания, вызываемого тем вирусом, синтез белка которого котируется встроенным геном.

Можно выделить три направления генной инженерии:

1. Генетическая трансформация клеток бактерий

2. Введение генов в клетки млекопитающих

3. Генная инженерия растений

Более подробно остановимся на пунктах 2 и 3.

Лечение заболеваний с помощью генов получило название генотерапии. Сейчас в мире насчитывается порядка 400 проектов, посвященных лечению с помощью генотеропии.

Огромные перспективы открывает использование генотерапии для лечения онкологических заболеваний. Многолетние усилия ученых привели к пониманию того, что рак - это генетическое заболевание и его развитие происходит многостадийно, в результате серии генетических нарушений, накапливающихся в клетке. Следовательно, каждый из таких отдельных генетических эффектов может стать точкой приложения генотерапевтического подхода.

Получение трансгенных животных

Если вводить ДНК в клетки многоклеточного организма, то результатом трансформации будет изменение свойств лишь небольшого числа клеток, которые приобрели новый ген или гены. Следовательно, для изменения свойств всего организма следует изменять геном половых клеток, которые перенесут новые свойства потомкам. У растений и животных целесообразно изменять такие свойства, как скорость роста, устойчивость к заболеваниям, способность адаптироваться к новым внешним условиям. В качестве маркеров в этом случае можно использовать полиморфизм длины рестрикционных фрагментов (AFLP), анализ мини-сателлитов, анализ микросателлитной ДНК (SSR), гибридизацию и т.д. Трансгенных животных можно использовать для изучения наследственных заболеваний мозга и нервной системы. Гены болезни Альцгеймера (отложение белка β-амилоида приводит к образованию характерных бляшек) и гены, отвечающие за развитие эпилепсии, болезней мозга вводятся в геном нормальных животных; при этом получают трансгенных животных-моделей, на которых можно испытывать различные терапевтические приемы.

Трансгенных животных стали использовать для исследования воспалительных и иммунологических заболеваний человека, например, ревматоидного артрита. Моделируются болезни, связанные с липидным обменом.

Генетическая инженерия растений, принадлежащая к так называемым высоким технологиям, вызывает наибольшее количество споров и дискуссий среди различных кругов общественности.

Развитие генетической инженерии растений очень актуально в настоящее время в связи с тем, что число населения мира растет, а количество пахотных земель уменьшается. С помощью генной инженерии можно повысить питательную ценность пищевых продуктов, повысить устойчивость растений к внешним условиям и многое другое. Помимо производства продуктов питания обширными областями применения генетически модифицированных растений являются создание лекарственных средств, обеспечение промышленности сырьем и прочее.

В настоящее время получением и испытанием генетически модифицированных растений занимаются сотни коммерческих фирм во всем мире с совокупным капиталом более ста миллиардов долларов. В 1999 г. трансгенные растения были высажены на общей площади порядка 40 млн. га, что превышает размеры такой страны, как Великобритания. В США генетически модифицированные растения (GM Crops) составляют сейчас около 50% посевов кукурузы и сои и более 30-40% посевов хлопчатника. Это говорит о том, что генно-инженерная биотехнология растений уже стала важной отраслью производства продовольствия и других полезных продуктов, привлекающей значительные людские ресурсы и финансовые потоки. В ближайшие годы ожидается дальнейшее быстрое увеличение площадей, занятых трансгенными формами культурных растений.

Первая волна трансгенных растений, допущенных для практического применения, содержала дополнительные гены устойчивости (к болезням, гербицидам, вредителям, порче при хранении, стрессам).

Нынешний этап развития генетической инженерии растений получил название "метаболическая инженерия". При этом ставится задача не столько улучшить те или иные имеющиеся качества растения, как при традиционной селекции, сколько научить растение производить совершенно новые соединения, используемые в медицине, химическом производстве и других областях. Этими соединениями могут быть, например, особые жирные кислоты, полезные белки с высоким содержанием незаменимых аминокислот, модифицированные полисахариды, съедобные вакцины, антитела, интерфероны и другие "лекарственные" белки, новые полимеры, не засоряющие окружающую среду и многое, многое другое. Использование трансгенных растений позволяет наладить масштабное и дешевое производство таких веществ и тем самым сделать их более доступными для широкого потребления.

Введение

Важнейшая роль биоинженерии направлена в современной селекции на устойчивость и качество продукции, создание нового поколения сортовых ресурсов страны.

Селекция это одна из важнейших наук на сегодняшний день. Эта наука выходит на первый план среди многих естественных дисциплин.

С каждым годом методы селекции совершенствуются, вводятся такие понятия как: генная инженерия, хромосомная инженерия, клеточная инженерия. Традиционные методы заменяются более новыми, привычные технологии становятся более совершенными.

Самыми значимыми и перспективными методами сегодня являются - генная инженерия, хромосомная инженерия и клеточная инженерия. Использование этих способов - это большой шаг в будущее.

По мнению ученых демографов, в ближайшие двадцать лет население земного шара увеличится вдвое.

Пользуясь современными агрокультурами и агротехнологиями, обеспечить продовольствием такое количество населения будет просто невозможно. Следовательно, уже сейчас пора подумать о том, как с наименьшими потерями поднять урожайность сельхозкультур вдвое. Поскольку для обычной селекции срок в два десятилетия крайне мал, необходимо воспользоваться новыми перспективными методами селекции.

Бурное развитие новых методов исследований в генетике, расширение и углубление наших представлений о структуре и законах организации наследственного аппарата клетки обусловили создание и разработку принципиально новых методов.

Ранее генетическое разнообразие форм растений - исходного материала для селекции - экспериментально создавалось в селекции методами гибридизации, полиплоидии, мутагенеза и др. Теперь ученые могут достигать еще большего разнообразия благодаря манипулированию отдельными клетками живого организма, отдельными хромосомами и отдельными генами.

Родились новые понятия и направления современной генетики: клеточная, хромосомная инженерия и генная инженерия. При этом принципиальное отличие данных методов от традиционно используемых в селекции, например, мутагенеза, состоит в целенаправленном, а не случайном расширении границ изменчивости генотипа, в планируемом разнообразии исходного материала для селекции. Эти современные методы большее применение пока получили в селекции растений.

ВОЗМОЖНОСТИ ГЕННОЙ ИНЖЕНЕРИИ РАСТЕНИЙ

Первые трансгенные растения (растения табака со встроенными генами из микроорганизмов) были получены в 1983 г. Первые успешные полевые испытания трансгенных растений (устойчивые к вирусной инфекции растения табака) были проведены в США уже в 1986 г.

После прохождения всех необходимых тестов на токсичность, аллергенность, мутагенность и т.д. первые трансгенные продукты появились в продаже в США в 1994 г. Это были томаты Flavr Savr с замедленным созреванием, созданные фирмой "Calgen", а также гербицид-устойчивая соя компании "Monsanto". Уже через 1-2 года биотехнологические фирмы поставили на рынок целый ряд генетически измененных растений: томатов, кукурузы, картофеля, табака, сои, рапса, кабачков, редиса, хлопчатника.

В настоящее время получением и испытанием генетически модифицированных растений занимаются сотни коммерческих фирм во всем мире с совокупным капиталом более ста миллиардов долларов. В 1999 г. трансгенные растения были высажены на общей площади порядка 40 млн. га, что превышает размеры такой страны, как Великобритания. В США генетически модифицированные растения (GM Crops) составляют сейчас около 50% посевов кукурузы и сои и более 30-40% посевов хлопчатника. Это говорит о том, что генно-инженерная биотехнология растений уже стала важной отраслью производства продовольствия и других полезных продуктов, привлекающей значительные людские ресурсы и финансовые потоки. В ближайшие годы ожидается дальнейшее быстрое увеличение площадей, занятых трансгенными формами культурных растений.

Первая волна трансгенных растений, допущенных для практического применения, содержала дополнительные гены устойчивости (к болезням, гербицидам, вредителям, порче при хранении, стрессам).

Нынешний этап развития генетической инженерии растений получил название "метаболическая инженерия". При этом ставится задача не столько улучшить те или иные имеющиеся качества растения, как при традиционной селекции, сколько научить растение производить совершенно новые соединения, используемые в медицине, химическом производстве и других областях. Этими соединениями могут быть, например, особые жирные кислоты, полезные белки с высоким содержанием незаменимых аминокислот, модифицированные полисахариды, съедобные вакцины, антитела, интерфероны и другие "лекарственные" белки, новые полимеры, не засоряющие окружающую среду и многое, многое другое. Использование трансгенных растений позволяет наладить масштабное и дешевое производство таких веществ и тем самым сделать их более доступными для широкого потребления.

Одной из основных задач селекционеров всегда было получение высокоурожайных сортов растений с повышенной пищевой ценност ью. Наибольшее внимание уделялось при этом таким зерновым культурам как кукуруза, пшеница и рис, однако были осуществлены программы и по скрещиванию других сельскохозяйственных и садовых культур. В качестве важного инструмента прямого генетического воздействия на растения применяется технология рекомбинантных ДНК, широко использующаяся в микробиологических системах. К настоящему времени разработано несколько эффективных систем переноса ДНК и экспрессирующих векторов , которые работают в ряде растительных клеток. Одним из достоинств последних является их тотипотентность : из одной клетки может быть регенерировано целое растение, так что из клеток, сконструированных генноинженерными методами, можно получить фертильные растения, все клетки которых несут чужеродный ген (трансгенные растения). Если такое растение цветет и дает жизнеспособные семена, то желаемый признак передается последующим поколениям.

Можно привести три основных аргумента в пользу получения трансгенных растений. Во-первых, введение гена (генов) часто приводит к повышению сельскохозяйственной ценности и декоративных качеств культурных растений. Во-вторых, трансгенные растения могут служить живыми биореакторами при малозатратном производстве экономически важных белков или метаболитов. В-третьих, генетическая трансформация растений (трансгеноз) позволяет изучать действие генов в ходе развития растения и других биологических процессов.

На сегодняшний день уже получены многочисленные трансгенные растения на основе как культурных, так и диких видов, которые приобрели такие ценные признаки как инсектицидная активность, устойчивость к вирусным заболеваниям и гербицидам, замедление старения, устойчивость к неблагоприятным условиям окружающей среды, измененная окраска цветков, повышенная пищевая ценность семян. Генная инженерия внесла коррективы в традиционные программы разведения растений, в рамках которых для выведения нового сорта требуется от 10 до 15 лет.

Один из главных методических приёмов генной инженерии растений основан на использовании Ti-плазмиды из Agrobacterium tumefaciens . Эта грамотрицательная почвенная бактерия - фитопатоген, который в процессе своего жизненного цикла трансформирует клетки растений. Трансформация приводит к образованию корончатого галла - опухоли, нарушающей нормальный рост растения (рисунок 1). Этой болезни, имеющей серьезные агрономические последствия, подвержены только двудольные растения, в частности виноград, косточковые фруктовые деревья, розы.

Рисунок 1 - Инфицирование растений агробактериями

Образование корончатого галла начинается с проникновения, встраивания в геном растительных клеток и экспрессии специфического фрагмента бактериальной плазмидной ДНК - так называемой Т-ДНК (от англ. transferred DNA), длина которой составляет 12-22 тыс. пар оснований. Т-ДНК - это часть плазмиды, индуцирующей раз­витие опухоли (Tumor inducing plasmid, Ti –плазмиды); ее несут большинство штаммов A . tumefaciens .

Т-ДНК содержит гены опухолеобразования , они кодируют фер­менты синтеза фитогормонов , вызывающие увеличение размеров растительных клеток (ауксин ) и их безудержную пролиферацию (цитокинин ). Кроме того, инфицированные растительные клетки начинают синтезировать специфическую аминокислоту опин , который может использоваться только бактериями A . tumefaciens .

Инфекционный процесс начинается с при­крепления A . tumefaciens к клеткам растения в месте повреждения, часто у основания стебля (у корневой шейки). Ранее предполагалось, что A . tumefaciens заражает именно поврежденные рас­тения вследствие разрушения клеточной стенки и устранения физического барьера, затрудняю­щего проникновение бактерий в клетку. Однако сейчас считается, что все дело в специфических фенольных соединениях, ацетосирингоне и гидроксиацетосирингоне , которые выде­ляет поврежденное растение; они активируют кластер генов вирулентности (vir), которые локализова­ны в участке Ti - плазмиды длиной 35 т.п.н., на­ходящемся за пределами Т-ДНК. Продукты vir -генов необходимы для транспорта и встраивания Т-ДНК в геном растительной клетки. Рядом находятся гены утилизации опинов, а также локусы, контролирующие репликацию плазмиды в бактериальной клетке и ее перенос при бактериальной конъюгации (рис. 2).

Один из пяти генов вирулентности VirD кодирует эндонуклеазу . Область Т-ДНК окружена одинаковыми повторами длиной 25 пар оснований. Эти последовательности являются сайтами узнавания VirD - эндонуклеазы, режущей точно между 3-м и 4-м основаниями 25 пар оснований повтора. Эта эндонуклеаза ответственна за вырезание Т-ДНК. Встраивание её происходит по механизму гомологичной рекомбинации; имеется гомология между растительной ДНК по обеим сторонам от места встраивания и наружными областями плазмидной ДНК агробактерий.

В геном растения могут встраиваться несколько копий Т-ДНК. После встраивания в хромосому Т-ДНК становится обычной частью генома расте ния, происходит её транскрипция РНК - полимеразой растения - хозяина, а затем – трансляция. Сама бактерия в клетку не проникает, а остается в межклеточном пространстве и использует растительные клетки со встроенной Т-ДНК как фабрику , продуцирующую для неё опины - источник азота и углерода.

Чтобы использовать природную способность A . tumefaciens проникать в растительные клетки для доставки в них клонированных генов, были созданы векторы на основе Ti -плазмиды.

Рисунок 2 - Генетическая карта Ti-плазмиды. Т-ДНК содержит гены ауксина, цитокинина и опина, которые транскрибируются только в растительных клетках. За пределами Т-ДНК находятся vir-гены, гены ферментов катаболизма опина и сайт начала репликации. Л и П – левая и правая фланкирующие последовательности

Все векторы на основе Т i - плазмид имеют следу­ющие элементы :

Селективный маркерный ген, например ген неомицинфосфотрансферазы, который обес­печивает устойчивость трансформированных растительных клеток к канамицину. Пос­кольку этот ген (как и многие другие маркер­ные гены, используемые при трансформации растений) по своей природе прокариотический, необходимо поставить его под конт­роль растительных (эукариотических) сигна­лов регуляции транскрипции, в том числе промотора и сигнала терминации-полиаденилирования. Это обеспечивает эффективную экспрессию гена в трансформированных рас­тительных клетках;

Сайт инициации репликации (ori), который поз­воляет плазмиде реплицироваться в Е.со li . Некоторые векторы содержат также и сайт инициации репликации в A . tumefaciens ;

Правая фланкирующая последовательность Т-ДНК. Этот элемент абсолютно необходим для интеграции Т-ДНК в клеточную ДНК растений. Большинство же векторов содер­жат как правую, так и левую фланкирующие последовательности;

- полилинкер (множественный сайт клониро­вания) для встраивания гена в участок между границами Т-ДНК;

Поскольку клонирующие векторы не содер­жат генов vir, они сами не способны обеспечи­вать доставку и интеграцию Т-ДНК в клетки растения-хозяина. Чтобы решить эту пробле­му, было разработано два подхода. В первом случае используют бинарную векторную систе­му.

Бинарный клонирующий век­тор содержит сайты инициации репликации и для Е.со li , и для A . tumefaciens , но не несет генов vir, т. е. это практически челночный вектор Е.со li - A . tumefaciens . Все стадии клонирования проводят в Е.со li , а затем вектор вводят в A . tumefaciens . Штамм-реципиент A . tumefaciens несет модифицированную неонкогенную («разору­женную») Тi -плазмиду; она содержит полный набор vir-генов, но из нее удалена часть (или вся) Т-ДНК (так что Т-ДНК не может быть транспортирована). Продуцируя белки, кодируемые vir -генами, неонкогенная Тi-плазмида выступает в роли помощника , способствуя встраиванию Т-ДНК из бинарного клонирующего вектора в хромо­сомную ДНК растения.

Во втором случае используют коинтегративную векторную систему. Векторная ДНК рекомбинирует в A . tumefaciens с «разоруженной» Тi-плазмидой, Т-ДНК которой не несет опухолеродных генов, таким образом, что весь клонирующий вектор встраивается в неонкогенную Тi-плазмиду.

При конструировании векторных молекул должно быть предусмотрено наличие промоторов , работающих в растениях. Промотор (участок, к которому присоединяются РНК-полимеразы) должен обладать набором свойств, а именно: силой (активной экспрессией), возможностью регуляции, ткане- и органспецифической экспрессией. Так, например, к регулируемым промоторам относится промотор генов белков теплового шока (генов, активность которых индуцируется при повышенной температуре), а тканеспецифичная экспрессия характерна для генов, контролирующих синтез запасных белков, например зеина , который обнаружен только в тканях семян злаков. Наиболее популярным является промотор гена вируса мозаики цветной капусты (CAMV). Гены, подшитые к такому промотору, активно экспрессируются во всех тканях.

Наконец, в векторе должны быть предусмотрены маркеры, с помощью которых возможен отбор трансгенных растений. В литературе маркерные гены еще называют репортерными . Их достаточно много. Например, luxA и luxB - это гены, выделенные из ДНК светлячков. Они контролируют синтез люциферазы , которая обеспечивает переход люцеферинов из окисленной формы в основную, что и обеспечивает свечение. В последнее время пользуется популярностью другой репортерный ген – ген зелёного флуоресцирующего белка GFP (green fluorescent protein). Этот ген был выделен из ДНК медузы Acquorea victoria . Трансгенные растения с этим геном светятся в ультрафиолете зеленым светом.

Традиционный способ трансформации растительных клеток с помощью Т-ДНК заключается в нанесении агробактерий, содержащих Ti-плазмиду, на специально поврежденный побег. К сожалению, эта система доставки применима не для всех видов расте­ний. Эффективным методом доставки ДНК в различные растительные клетки является также бомбардировка микрочастицами золота или вольфрама с ДНК, нанесенной на их поверхность (биобаллистика , или биолистика ). Создан даже специальный дробовик – «Shotgun», который стреляет этими шариками.

Были также разработаны методы встраивания чужерод­ных генов непосредственно в хлоропластную или митохондриальную ДНК так, чтобы кодируемый белок синтезировался прямо в этих органеллах. И наконец, для того чтобы успокоить обществен­ность, были разработаны методы удаления мар­керных генов из трансгенных растений.

5596 0

Метаболическая инженерия растений направлена на проведение трансгенной клеткой новых биохимических реакций путем введения чужеродных генов или модификацией генов клетки-хозяина. Растения представляют один из наиболее привлекательных объектов для метаболической инженерии. Имея одинаковые пути синтеза основных биологических соединений, растения отличаются поразительным разнообразием своих конечных продуктов: сахаров, ароматических соединений, жирных кислот, стероидных соединений и других биологически активных веществ. Растения дают человечеству десятки тысяч природных продуктов, многие из которых представляют большую ценность для фармакологии и промышленности.

Иногда такими продуцентами важных лекарственных веществ являются уникальные тропические и эндемические растения, недоступные для их агротехнического производства в умеренных климатических зонах большинства развитых стран мира. Выделение из таких растений генов, определяющих направленный синтез специфических органических соединений, и их перенос в подобранные соответствующие растения превращают их в новые продуценты важных биологически активных веществ.

Многие растения содержат предшественников биосинтеза ценных биологических соединений, однако они не имеют ферментов для их превращений в эти соединения. Часто для метаболической инженерии достаточно переноса в клетку только одного гена. Примером такого типа метаболической инженерии является получение новых растений-продуцентов резвератрола, ценного лекарственного препарата широкого спектра действия, замедляющего старение. Резвератрол был обнаружен в винограде, где фермент стилбенсинтаза катализирует реакцию синтеза резвератрола из трех молекул малонил-СоА и одной молекулы 4-кумарил-СоА (рис. 2.15). Переносом гена стилбенсинтазы были получены другие растения, синтезирующие резвератрол.

Рис. 2.15. Схема синтез резвератрола, найденного в винограде ценного препарата антиоксидантного типа с широким спектром действия. Исходные соединения присутствуют в клетках любых растений

Этот фермент участвует в конденсации двух молекул геранил-геранил дифосфата. Ген фитоен-синтетазы из нарцисса был введен в рис и экспрессирован в эндосперме риса. Таким образом, получен «золотой рис», который может помочь 2 млрд чел., страдающих от дефицита витамина А, для них рис - основная пища. Получены трансгенные растения рапса, экспрессирующие ген фитоен-синтетазы, в семенах которых значительно повысилось содержание каротиноидов. Показана экспрессия этого же фермента в клубнях картофеля, что приводило к повышенному синтезу каротиноидов и лютеина.

Недавно получены трансгенные растения земляники с повышенным синтезом L-аскорбиновой кислоты. Эти растения отличались суперэкспрессией гена НАДФ-зависимой Д-галактуронат-редуктазы (GalUR). Созданы растения сои с повышенным в пять раз содержанием витамина Е в семенах. Получены растения арабидопсиса с повышенным содержанием фолатов за счет экспрессии в них бактериального гена ГТФ-циклогидролазы-1 (EcGCH).

Уже существует салат с увеличенным содержанием железа, обогащенная лизином кукуруза. Ждет своего запуска в практику сорт сои с повышенным содержанием ненасыщенных жирных кислот (омега-3, омега-6 НЖК и др.), которые не синтезируются в организме человека, а попадают по пищевым цепям в основном через морепродукты из водорослей. Гены, встраиваемые в геном соевых бобов, были выделены из клеток водорослей (разработчик -компания Monsanto).

Разработаны в лабораториях и другие разнообразные трансгенные формы растений с улучшенными лечебно-диетическими свойствами.

Самый первый коммерческий успех получили растения, устойчивые к гербицидам, поскольку позволили очень успешно бороться с сорняками. Самыми распространенными являются трансгенные растения, устойчивые к глифосату (Раундап) - самому популярному гербициду, разлагающемуся в почве на нетоксичные составляющие и потому безопасному для окружающей среды. Ген был выделен из глифосат-устойчивого штамма E. coli.

Выведение растений, устойчивых к вредителям и болезням, поможет резко сократить применение химических средств защиты растений и уменьшить стоимость культивирования. Одними из первых в широкую практику вошли инсектицидные хлопок и кукуруза - так называемые Bt-сорта, которые были получены введением в них гена дельта-эндотоксина из Bacillus. thuringiensis (Bt или Cry-белок).

Bt-белок высокотоксичен для насекомых, но безопасен для других видов животных и человека. Он является протоксином, который расщепляется в кишечнике личинок насекомых, образуя активированный токсин.

Активированный токсин, в свою очередь, специфично связывается с рецепторами в средней кишке насекомых, что приводит к лизису клеток кишечного эпителия. Данный энтомотоксин - смертельный яд для ряда насекомых (в том числе и колорадского жука), но в то же время вполне безопасен для человека и животных, поскольку в организме млекопитающих нет ферментов для его расщепления и усвоения. Взаимодействие Bt-токсина с рецепторами насекомых строго специфично. В природе найдено большое количество штаммов B. thuringiensis, чьи токсины действуют на строго определенные виды насекомых.

Ранее препараты бактерий B. thuringiensis, содержащие Bt-белок, с успехом применяли для борьбы с насекомыми-вредителями, хотя использование таких препаратов достаточно дорого и не всегда эффективно. Введение гена протоксина в растения привело к тому, что Bt-растения перестали поедаться насекомыми. Этим путем был получен трансгенный картофель, устойчивый к колорадскому жуку.

Устойчивость к вирусам может обладать исключительной важностью для повышения сельскохозяйственной продуктивности. В настоящее время в различных странах мира проводят полевые испытания устойчивых к вирусам сортов батата (вирус SPFMV, sweet potato feathery mottle virus), кукурузы (MSV, maize streak virus) и африканской маниоки (мозаичный вирус). Возможно, эти культуры будут коммерциализованы в течение ближайших 3-5 лет.

Из-за сложности генома пшеницы, работа над созданием сортов, устойчивых к вирусу желтой карликовости ячменя (barley yellow-dwarf virus), продвигается очень медленно и до сих пор находится на стадии лабораторных экспериментов. Разработан также устойчивый к нематодам (корневым червям) ГМ-картофель.

Генно-инженерная биотехнология растений для фармакологии делает свои первые успешные практические шаги.

Растения являются удобной, безопасной и экономически выгодной альтернативой для получения различных белков, вакцин и антител по сравнению с системами экспрессии на основе микроорганизмов, культур животных клеток или трансгенных животных. За последние 20 лет множество ценных белков эффективно экпрессировано в растениях. Это белки человеческой сыворотки, регуляторы роста, антитела, вакцины, промышленные ферменты, биополимеры и реагенты для молекулярной биологии. Следует отметить перспективность получения ГМ-растений, синтезирующих новые формы антимикробных пептидов.

Растительные системы имеют все перспективы успешного использования для производства рекомбинантных белков в промышленном масштабе. Некоторые белки, синтезируемые трансгенными растениями, уже производятся западными компаниями или будут выпущены на рынок в ближайшие годы. Например, авидин, трипсин ив -глюкуронидаза, выделяемые из трансгенной кукурузы, производятся фирмой Sigma-Aldrich (США). В скором времени должны быть подготовлены к промышленному производству коллаген, липаза, лактоферрин, лизоцим, синтезируемые трансгенными растениями.

Синтез субъединичных вакцин в трансгенных растениях. Выявленно, что при экспрессии различных антигенов в растениях сохраняется их структурная идентичность и иммуногенность. Антигены, синтезируемые растениями, вызывали иммунный ответ при введении, например, HBs-антиген, синтезируемый растениями картофеля, вызывал у мышей более сильный иммунный ответ, чем дрожжевой. В настоящее время более пятидесяти различных антигенов были экспрессированы в ГМ-растениях, для некоторых из них показана иммуногенность при оральном введении.

Интенсивно разрабатывается концепция «съедобных вакцин» на основе трансгенных растений, чьи плоды, листья и семена годятся в пищу. В случае успеха исчезнет потребность в дорогостоящей очистке антигенов, которая необходима при создании вакцин для парентерального введения. Антигены, экспрессируемые в растениях, защищены растительными клеточными стенками от протеолиза при прохождении пищеварительного тракта и могут быть легко доставлены к клеткам слизистой оболочки кишечника, ответственным за мукозную систему иммунитета.

Таким образом, непрерывно разрабатываются все новые виды пищевых и технических растений с измененными свойствами - с улучшенным составом жиров, повышенным содержанием белков и витаминов, сладкие без сахара и накапливающие меньше вредных для здоровья нитратов, с повышенными декоративными свойствами. Опытные испытания проходят сотни пород деревьев, у которых часть ненужного человеку лигнина заменена полезной целлюлозой. При этом растут ГМ-деревья вдвое быстрее обычных. Трансгенные растения вырабатывают вакцины и лекарства, очищают почву от химического и радиоактивного загрязнения, синтезируют биодеградируемые полимеры для производства упаковки и белок паутины, из которого можно делать колготки и бронежилеты повышенной прочности.

Н.А. Воинов, Т.Г. Волова

1 В 1972 г. Пол Берг с сотрудниками опубликовали первую работу о получении in vitro (вне организма) рекомбинантной (гибридной) молекулы ДНК, состоящей из фрагментов фаговой, бактериальной и вирусной ДНК. Так родилась новая отрасль молекулярной биологии, получившая название «генетическая (генная) инженерия». Своей целью она имеет создание новых генетических структур и, в конечном счете, создание организмов с новыми наследственными свойствами.

В том же году появилась первая публикация, в которой сообщалось о получении in vitro рекомбинантной ДНК, состоящей из фрагментов разных молекул ДНК: вирусной, бактериальной и фаговой. Работа была выполнена американским ученым Полем Бергом с сотрудниками и ознаменовала рождение новой отрасли молекулярной биологии генетической (генной) инженерии.

А.А. Баев был первым в нашей стране ученым, который поверил в перспективность генной инженерии и возглавил исследования в этой области. Генетическая (генная) инженерия, по его определению, это конструирование in vitro функционально активных генетических структур (рекомбинантных ДНК), или создание искусственных генетических программ. Генная инженерия имеет целью изучение механизмов функционирования генетического аппарата.

Интроны – это участки ДНК, разбивающие экспрессируемую, то есть кодирующую часть гена на участки, называемые экзонами. Впервые феномен существования прерывистых генов был открыт при изучении аденовируса и подтвердился в 1977 г. при исследовании гена глобина мыши и рибосомных генов плодовой мушки Drosophilla melanogaster. В одном гене может находиться довольно много интронов.

В процессе транскрипции РНК-полимераза снимает копию со всего гена. Затем специальные сплайсинг-ферменты осуществляют «монтаж» (сплайсинг) транскрипта, вырезают интроны и «склеивают» экзоны друг с другом. В результате чего образуется зрелая, но еще модифицированная мРНК.

Рисунок 13. Сегмент генома в процессе транскрипции

Эукариот, включая человека, что другими приемами сделать невозможно. Вместе с тем, генная инженерия ставит перед собой обширные практические задачи, немало из которых уже решено. Прежде всего это получение путем бактериального синтеза ряда лекарственных средств, например, инсулина, интерферонов. Важнейшим достижением является создание диагностических препаратов. Получение так называемых трансгенных растений открывает принципиально новые возможности для растениеводства в создании сельскохозяйственных культур, устойчивых к экстремальным воздействиям и инфекционным поражениям. Это далеко не полный перечень практических свершений генной инженерии.

После первых успешных экспериментов с рекомбинацией молекул ДНК в пробирке появились первые сомнения и опасения, не принесет ли генная инженерия вред природе и человечеству. В июле 1974 года несколько крупных ученых обратились к научной общественности с предложением наложить мораторий на работы с рекомбинантными ДНК in vitro. В феврале 1975 года в Калифорнии на Асиломарской конференции собрались 140 ученых разных стран, работающих в области генной инженерии. Всесторонне изучив результаты и возможные последствия, ученые пришли к выводу, что потенциальные опасности невелики, так как рекомбинантные штаммы в природных условиях нежизнеспособны и их бесконтрольное распространение маловероятно. Было решено

прервать мораторий и продолжить исследования с соблюдением специально разработанных правил. Сегодня мы можем отметить, что почти за четверть века своего существования генная инженерия не причинила никакого вреда самим исследователям, не принесла ущерба ни природе, ни человеку. Свершения генной инженерии как в познании механизмов функционирования организмов, так и в прикладном плане весьма внушительны, а перспективы поистине фантастичны.

Молекулярная биология заявила о себе в качестве самостоятельной науки в 1953 году, когда Джеймс Уотсон и Френсис Крик открыли знаменитую двойную спираль ДНК и постулировали матричный механизм ее синтеза.

В соответствии с этим механизмом двойная спираль ДНК при репликации разделяется и каждая цепь служит матрицей для синтеза дочерней цепи, которая по своей первичной структуре является зеркальным отражением матрицы (рис. 14). В результате такого матричного синтеза образуются две совершенно идентичные двуспиральные молекулы ДНК, каждая из которых передается в дочерние клетки. Последние получают всю генетическую программу от родительской клетки. По такому же матричному механизму осуществляется синтез РНК, только РНК синтезируется в виде односпиральной цепи, которая комплементарна ДНК – матрице.

Рисунок 14. Транскрипция ДНК

Этот процесс получил название транскрипции. А процесс и синтеза белка на РНК-матрице (м-РНК) происходит на рибосомах, и структура белка соответствует структуре м-РНК. Это очень сложный процесс, он называется трансляцией (рис. 14), и в нем участвует транспортная РНК (т-РНК). Она доставляет в рибосому аминоксилоты и адаптирует язык м-РНК к языку белка. Таким образом, процесс матричного синтеза ДНК определяет передачу наследственной информации от родительской клетки в дочернюю. В процессе матричного синтеза РНК происходит передача информации (генетического кода данного белка)от ДНК на м-РНК, а м-РНК переносит информацию на рибосому, где она реализуется в виде конкретной структуры белка.

При половом процессе может происходить обмен участками между двумя хромосомами (молекулами ДНК) от двух скрещиваемых индивидуумов. Этот процесс получил название рекомбинация, и в клетке чаще всего он может происходить только между гомологичными хромосомами, так как комплементарные по своей структуре молекулы ДНК притягиваются друг к другу и обмениваются генетическими детерминантами, в результате чего образуется дочерняя хромосома, содержащая элементы структуры от двух родительских хромосом. Открытый недавно процесс негомологичной рекомбинации осуществляется только в том случае, если в одной из взаимодействующих молекул ДНК есть гены, кодирующие специальные ферменты разрезания ДНК.

Рисунок 15. Схема организации хромосомного материала

Следующее важное открытие, предопределившее возникновение генной инженерии, обнаружение в бактериальных клетках внехромосомных маленьких кольцевых молекул ДНК. Эти минихромосомы впервые были обнаружены в начале 50-х годов и получили название плазмид. Плазмиды обладают способностью к автономной от хромосомы репликации, поэтому плазмиды содрежатся в клетке в виде нескольких копий. Различаются плазмиды по генетическим детерминантам. Очень важно, что плазмиды из-за своих малых размеров могут быть выделены из клетки в неповрежденном, нативном состоянии.

В 1970 году американцы Келли и Смит с сотрудниками выделили первую рестриктазу фермент, который вызывает гидролиз ДНК в строго определенных местах с образованием так называемых липких концов. Существование таких ферментов-рестриктаз было доказано в опытах швейцарцев Линна и Арбера в конце 60-х годов. В настоящее время описано множество таких ферментов, которые применяются в генной инженерии.

Таким образом, к началу 70-х годов были сформулированы основные принципы функционирования нуклеиновых кислот и белков в живом организме и созданы теоретические предпосылки генной инженерии.

2 Как уже указывалось, процесс рекомбинации в организме (in vivo) возможен в большинстве случаев между гомологичными молекулами ДНК. Однако оказалось, что in vitro притягивание и взаимодействие (гибридизация) молекул ДНК возможно, если они будут иметь небольшие комплементарные односпиральные участки из четырех и более нуклеотидов на концах молекул (в настоящее время описаны двенадцатинуклеотидные липкие концы). Такие комплементарные односпиральные последовательности получили название липких концов, так как две молекулы ДНК могут соединиться (слипнуться) этими концами. Таким образом, если в пробирку поместить самые разные молекулы ДНК с одинаковыми липкими концами, то будет происходить рекомбинация, даже если вся их структура очень различается.

Как же получить гетерогенные молекулы ДНК с одинаковыми липкими концами? Для этого используются ферменты-рестриктазы, которые «умеют» разрезать молекулы ДНК так, что у них образуются одинаковые (комплементарные) липкие концы. Происходит такое разрезание в участках, несущих особым образом повторяющиеся последовательности нуклеотидов. Рестриктазы узнают эти последовательности и разрезают ДНК в точках повтора: в результате односпиральный конец одной молекулы оказывается комплементарным (липким) концу другой молекулы.

Теперь, чтобы полученные в пробирке генные конструкции заработали, необходимо их ввести в подходящую бактериальную клетку. Вот тут –то и пригодятся плазмиды. В генной инженерии их называют векторами (повозки, которые доставляют в клетку клонируемый ген). Для этого плазмиды тоже режут рестриктазами, чтобы получить односпиральные концы, комплементраные концам генов, проводят гибридизацию гена и плазмиды в пробирке, а затем рекомбинантную плазмиду (ее называют еще химерной) вводят в клетку. Плазмиды, которые используются в генной инженерии, имеют очень важное свойство: они содержат так называемый маркерный ген, например ген, сообщающий клетке устойчивость к определенному антибиотику. Благодаря этому клетки, несущие рекомбинантную плазмиду, легко отделить от клеток, не имеющих такой плазмиды. Для этого бактерии высевают на среду с антибиотиком, на которой будут расти только клетки с плазмидой – так называемые рекомбинантные клетки, а процедура их отбора получила название молекулярного клонирования, так как рекомбинантные клетки представляют собой потомство одной молекулы ДНК.

В рекомбинантных клетках химерная плазмида, несущая чужеродный ген, начинает функционировать, то есть совершаются процессы репликации, транскрипции и трансляции нового введенного в клетку гена и синтезируется продукт этого гена, который в природных клетках никогда ранее не мог образоваться. Таким образом, in vitro проводится только рекомбинация, а все остальные превращения с химерной плазмидой происходят в клетке так же, как и со своими собственными генами. Иными словами, теперь можно ввести в бактериальную клетку ген, полученный из любого организма, и заставить чужеродный ген там функционировать.

Итак, основные процедуры в генной инженерии сводятся к следующему (рис. 16):

1) рекомбинация in vitro ДНК-вектора и ДНК – гена;

2) введение рекомбинантной плазмиды в клетку;

3) молекулярное клонирование.

Рисунок 16. Принципиальная схема манипуляции генной инженерии