Генная инженерия – создание новых генетических структур и организмов с новыми наследственными свойствами. C помощью биохимических и генетических методик происходит изменение хромосомного материала – основного наследственного вещества клеток. Биоинженеры изолируют те или иные участки ДНК, соединяют их в новых комбинациях и переносят из одной клетки в другую. В результате удается осуществить такие изменения генома, которые естественным путем вряд ли могли бы возникнуть.
Генная инженерия принципиально отличается от классической (мичуринской) селекции в том, что она позволяет:
1) скрещивать неродственные виды;
2) извне управлять процессом рекомбинации в организме (постоянство своего генетического состава организм надежно охраняет);
3) предугадать, какое получится потомство.
Новый ген (или его фрагмент) должен точно располагаться в ДНК с соблюдением ряда условий, для того чтобы клетка действительно начала синтезировать новые ферменты. Надо также обойти сопротивляемость клетки-хозяина: как правило, все изменения генетического аппарата воспринимаются клеткой как «ошибки информации» и исправляются специальными механизмами. Но в природе наблюдаются случаи, когда чужеродная ДНК (вируса или бактериофага) включается в генетический аппарат клетки и с помощью её обменных механизмов начинает синтезировать «свой» белок. Учёные исследовали особенности внедрения чужеродной ДНК и использовали как принцип введения генетического материала в клетку.
Важное открытие – обнаружение в бактериальных клетках помимо главной ее хромосомы, внехромосомных кольцевых молекул ДНК – плазмид. Плазмиды можно извлечь из одной клетки и перенести в другую. Плазмиды можно разрезать, фрагменты сращивать друг с другом, а затем такие комбинированные плазмиды вводить в клетки. Поскольку плазмидная ДНК представляет собой замкнутую кольцевую молекулу, кольцо нужно сперва разорвать таким образом, чтобы свободные концы были в химическом отношении реакционноспособными, пригодными для последующего соединения. Ферменты-рестриктазы способны расщеплять ДНК в строго определенном месте с образованием «липких» концов у образуемых фрагментов. Т.е., с помощью них ген можно разрезать на кусочки – нуклеотиды, а затем с помощью лигаз их можно «склеивать», конструируя новый ген. Сначала плазмиды режут рестриктазами и получают односпиральные концы, комплементарные концам генов, проводят гибридизацию гена и плазмиды в пробирке, а затем рекомбинантную плазмиду вводят в клетку. Плазмиды содержат маркерный ген, например,сообщающий клетке устойчивость к определенному антибиотику. Поэтому легко произвести отбор нужных клеток.
В рекомбинантных клетках плазмида участвует в процессах репликации, транскрипции и трансляции нового введенного в клетку гена. Таким образом, синтезируется продукт этого гена, который в природных клетках никогда ранее не мог образоваться. Технологии генной инженерии разрабатываются относительно недавно, но имеют крупные достижения и в медицине, и в сельском хозяйстве. Методом генной инженерии получен уже ряд препаратов, в том числе инсулин человека и противовирусный препарат интерферон. Около 200 новых диагностических препаратов уже введены в медицинскую практику, и более 100 генно-инженерных лекарственных веществ находится на стадии клинического изучения.
В сельском хозяйстве с помощью рекомбинантной ДНК могут быть получены трансгенные растения, например сорта культурных растений, устойчивые к засухе, холоду, болезням, насекомым-вредителям и гербицидам.
На основе детального анализа возможностей и реальных достижений генной инженерии были составлены научные прогнозы на начало ХХI века. Высказаны, например, надежды, что в ближайшие годы будут разработаны препараты для лечения такого опасного заболевания, как СПИД, будут определены гены, связанные со злокачественными новообразованиями, будут установлены механизмы возникновения почти всех видов рака.
Не менее важна генная диагностика. Обычно молекулярная диагностика проводится по белкам, и, как правило, с помощью других белков-антител. Недостатки такой диагностики – обнаружение болезни на поздней стадии. Но теперь можно диагностировать патологии и по генам (ДНК), и по синтезированным на них РНК еще до того, как в организме начали синтезироваться и накапливаться чужеродные белки.
Кратко перечислим некоторые проблемы, которыми занимаются ученые:
1) Доставка генов к клеткам-мишеням организма и нуклеиновых кислот внутрь клеток;
2) Блокировка или разрушение вредного гена либо блокировка продуцируемой им РНК с помощью антисмысловых ДНК или РНК;
3) Введение нового активного гена или регулятора активности гена. Лечение наследственных болезней целиком зависит от успехов в этом направлении;
4) Введение генов или комплексов генов, блокирующих клеточное деление или вызывающих клеточную смерть как средство кардинальной раковой терапии.
Основными объектами генной инженерии в растительном мире являются: соя, кукуруза, картофель, хлопчатник, сахарная свекла. Создание трансгенных растений в настоящее время развиваются по следующим направлениям:
1) Получение сортов с более высокой урожайностью (на 40-50%);
2) Получение культур, дающих несколько урожаев в год (например, в России существуют ремантантные сорта клубники, дающие два урожая за лето);
3) Создание сортов, токсичных для некоторых видов вредителей (например, в России ведутся разработки, направленные на получение сортов картофеля, листья которого являются остро токсичными для колорадского жука и его личинок);
4) Создание сортов, устойчивых к неблагоприятным климатическим условиям (например, были получены устойчивые к засухе трансгенные растения, имеющие в своем геноме ген скорпиона);
5) Создание сортов, способных синтезировать некоторые белки животного происхождения (например, в Китае получен сорт табака синтезирующий лактоферрин человека).
В России, как и во многих странах Европы, генетически измененные сельхозкультуры (в мире их создано больше 30 видов) пока не распространяются такими бешеными темпами, как в США, где официально закреплена идентичность натуральных и трансгенных продуктов питания. Хотя в России зарегистрировано множество видов продуктов из модифицированной сои. Также выданы сертификаты качества одному сорту картофеля и двум сортам кукурузы.
Выяснить, содержит ли продукт измененный ген, можно только с помощью сложных лабораторных исследований. В 2002 году Минздрав России ввел обязательную маркировку продуктов, содержащих более 5% генетически модифицированного источника (ГМИ). На самом деле обязательная маркировка не означает, что данный продукт вреден для здоровья. Ее нужно рассматривать только как дополнительную информацию для покупателя, а не как предупреждение об опасности.
Ни одна новая технология не была объектом такого пристального внимания ученых всего мира. Все это обусловлено тем, что мнения ученых о безопасности ГМИ расходятся. Пока нет ни одного прямого научного факта против использования трансгенных продуктов.
В тоже время некоторые специалисты считают, что существует риск выпуска нестабильного вида растений, передача заданных свойств сорнякам, влияние на биоразнообразие планеты, и главное – потенциальная опасность для биологических объектов, для здоровья человека путем переноса встроенного гена в микрофлору кишечника или образование из модифицированных белков под воздействием нормальных ферментов, так называемых минорных компонентов, способных оказывать негативное влияние.