Генная инженерия образование. Генная инженерия

Генетическая инженерия и современная биотехнология возникли в результате развития микробиологии, генетики и биохимии. Достижения молекулярной биологии, молекулярной генетики, биологии клетки, а также вновь открытые эксперимен-тальные методы и новое оборудование обеспечили немыслимые темпы развития генетической инженерии и биотехнологии.

Цель генной инженерии

Целью генной инженерии является изменение строения генов, их расположения в хромосоме и регулирование их деятельности в со-ответствии с потребностями человека. Для достижения этой цели применяются различные методы, позволяющие осуществлять в про-мышленных масштабах производство белков, создавать новые сорта растений и породы животных, наиболее отвечающие требованиям, диагностировать и лечить различные инфекционные и наследствен-ные болезни человека.

Объектами исследования генетической инженерии являются вирусы, бактерии, грибы , животные (в том числе организм человека) и растительные клетки. После очищения молекулы ДНК этих живых существ от других веществ клетки материальные различия между ними исчезают. Очищенная молекула ДНК может быть расщеплена с помощью энзимов на специфические отрезки, которые затем при необходимости можно с помощью сшивающих энзимов соединить между собой. Современные методы генетической инженерии позволяют размножать любой отрезок ДНК или заменять любой нуклеотид в цепи ДНК другим. Разумеется, эти успехи достигнуты в результате последовательного изучения закономерностей наследственности.

Генетическая инженерия (генная инженерия) возникла в результате открытия энзимов, специфическим образом разделяющих материальную основу наследственности — молекулу ДНК на отрезки и соединяющих эти отрезки концами друг с другом, а также электрофоретического метода, позволяющего с высокой точностью разделять по длине отрезки ДНК. Создание методов и оборудования для определения специфической последовательности нуклеотидов, образующих молекулу ДНК, а также для автоматического синтеза любого желаемого отрезка ДНК обеспечило развитие генетической инженерии быстрыми темпами.

Развитию у учёных стремления управлять наследст-венностью способствовали доказательства, свидетельствующие о том, что основу наследственности всех растений и животных составляет молекула ДНК, что бактерии и фаги также подчиняются законам наследст-венности, что мутационный процесс является общим для всех живых существ и может регулироваться экспериментальными методами.

Луи Пас-тер

Вели-кий французский учёный Луи Пас-тер, разработав метод получения клонов, первым показал, что бак-терии разнообразны, обладают нас-ледственностью и их свойства тесно связаны с последней (рис. 1, 2).

Туорт и Д’Эррель

В 1915 г. Туорт и Д’Эррель доказали, что фаги (фаги — вирусы, размножающиеся в бактериях), самопроизвольно размножаясь внутри бактерий, могут их уничтожить. Микробиологи возлагали надежды на использование фагов против микробов — возбудителей опасных инфекционных заболеваний. Однако бактерии обладают устойчивостью к фагам вследствие само-произвольных спонтанных мутаций. Наследование этих мутаций предохраняет бактерии от уничтожения со стороны фагов.

Размножаясь внутри клетки, вирусы и фаги могут погубить её или, внедрившись в геном клетки, изменить её наследственность. Для изменения наследственности организма широко используются процессы трансформации и трансдукции .

Джошуа и Эстер Ледерберги

В 1952 г. Джошуа и Эстер Ледерберги, используя метод копирования (репликации) колоний бактерий, до-казали существование самопроиз-вольных мутаций в бактериях (рис. 3). Они разработали метод, позволяющий выделять мутантные клетки с помощью репликации. Под влиянием внешней среды частота мутаций возрастает. Специальные методы позволяют увидеть невооружённым глазом клоны новых штаммов , образовавшихся в результате мутаций.

Метод репликации колоний бактерий осуществляется следующим образом. Стерилизованную бархатную ткань натягивают на поверхность деревянного приспособления и прик-ладывают к колонии бактерий, рас-тущих на поверхности чашки Петри, предназначенной для пересадки реп-лик. Затем колонии переносят в чистую чашку Петри с искусствен-ной питательной средой . Материал с сайта

Этапы генной инженерии

Генная инженерия осуществляется в несколько этапов.

• Определяют ген, представляющий интерес по его функциям, затем его выделяют, клонируют и изучают его структуру.
• Выделенный ген соединяют (рекомбинируют) с ДНК какого-нибудь фага, транспозона или плазмиды , имеющей способность рекомбинироваться с хромосомой, и таким путём создают век-торную конструкцию.
• Векторную конструкцию встраивают в клетку (транс¬формация) и получают трансгенную клетку.
• Из трансгенной клетки в искусственных условиях можно полу¬чить зрелые организмы.

Экономическое значение

Генная инженерия служит для получения желаемых качеств изменяемого или генетически модифицированного организма . В отличие от традиционной селекции , в ходе которой генотип подвергается изменениям лишь косвенно, генная инженерия позволяет непосредственно вмешиваться в генетический аппарат, применяя технику молекулярного клонирования . Примерами применения генной инженерии являются получение новых генетически модифицированных сортов зерновых культур, производство человеческого инсулина путём использования генномодифицированных бактерий, производство эритропоэтина в культуре клеток или новых пород экспериментальных мышей для научных исследований.

Основой микробиологической, биосинтетической промышленности является бактериальная клетка. Необходимые для промышленного производства клетки подбираются по определённым признакам, самый главный из которых - способность производить, синтезировать, при этом в максимально возможных количествах, определённое соединение - аминокислоту или антибиотик, стероидный гормон или органическую кислоту. Иногда надо иметь микроорганизм, способный, например, использовать в качестве «пищи» нефть или сточные воды и перерабатывать их в биомассу или даже вполне пригодный для кормовых добавок белок. Иногда нужны организмы, способные развиваться при повышенных температурах или в присутствии веществ, безусловно смертельных для других видов микроорганизмов.

Задача получения таких промышленных штаммов очень важна, для их видоизменения и отбора разработаны многочисленные приёмы активного воздействия на клетку - от обработки сильнодействующими ядами, до радиоактивного облучения. Цель этих приёмов одна - добиться изменения наследственного, генетического аппарата клетки. Их результат - получение многочисленных микробов-мутантов, из сотен и тысяч которых учёные потом стараются отобрать наиболее подходящие для той или иной цели. Создание приёмов химического или радиационного мутагенеза было выдающимся достижением биологии и широко применяется в современной биотехнологии .

Но их возможности ограничиваются природой самих микроорганизмов. Они не способны синтезировать ряд ценных веществ, которые накапливаются в растениях, прежде всего в лекарственных и эфирномасличных. Не могут синтезировать вещества, очень важные для жизнедеятельности животных и человека, ряд ферментов, пептидные гормоны, иммунные белки, интерфероны да и многие более просто устроенные соединения, которые синтезируются в организмах животных и человека. Разумеется, возможности микроорганизмов далеко не исчерпаны. Из всего изобилия микроорганизмов использована наукой, и особенно промышленностью, лишь ничтожная доля. Для целей селекции микроорганизмов большой интерес представляют, например, бактерии анаэробы , способные жить в отсутствие кислорода, фототрофы, использующие энергию света подобно растениям, хемоавтотрофы, термофильные бактерии, способные жить при температуре, как обнаружилось недавно, около 110 °C, и др.

И всё же ограниченность «природного материала» очевидна. Обойти ограничения пытались и пытаются с помощью культур клеток и тканей растений и животных. Это очень важный и перспективный путь, который также реализуется в биотехнологии . За последние несколько десятилетий учёные создали методы, благодаря которым отдельные клетки тканей растения или животного можно заставить расти и размножаться отдельно от организма, как клетки бактерий. Это было важное достижение - полученные культуры клеток используют для экспериментов и для промышленного получения некоторых веществ, которые с помощью бактериальных культур получить невозможно.

История развития и достигнутый уровень технологии

Во второй половине XX века было сделано несколько важных открытий и изобретений, лежащих в основе генной инженерии . Успешно завершились многолетние попытки «прочитать» ту биологическую информацию, которая «записана» в генах. Эта работа была начата английским учёным Ф. Сенгером и американским учёным У. Гилбертом (Нобелевская премия по химии г.). Как известно, в генах содержится информация-инструкция для синтеза в организме молекул РНК и белков, в том числе ферментов. Чтобы заставить клетку синтезировать новые, необычные для неё вещества, надо чтобы в ней синтезировались соответствующие наборы ферментов. А для этого необходимо или целенаправленно изменить находящиеся в ней гены, или ввести в неё новые, ранее отсутствовавшие гены. Изменения генов в живых клетках - это мутации. Они происходят под действием, например, мутагенов - химических ядов или излучений. Но такие изменения нельзя контролировать или направлять. Поэтому учёные сосредоточили усилия на попытках разработать методы введения в клетку новых, совершенно определённых генов, нужных человеку.

Основные этапы решения генноинженерной задачи следующие:

1. Получение изолированного гена. 2. Введение гена в вектор для переноса в организм. 3. Перенос вектора с геном в модифицируемый организм. 4. Преобразование клеток организма. 5. Отбор генетически модифицированных организмов (ГМО ) и устранение тех, которые не были успешно модифицированы.

Процесс синтеза генов в настоящее время разработан очень хорошо и даже в значительной степени автоматизирован. Существуют специальные аппараты, снабжённые ЭВМ, в памяти которых закладывают программы синтеза различных нуклеотидных последовательностей. Такой аппарат синтезирует отрезки ДНК длиной до 100-120 азотистых оснований (олигонуклеотиды). Получила распространение техника, позволяющая использовать для синтеза ДНК , в том числе мутантной, полимеразную цепную реакцию . Термостабильный фермент, ДНК-полимераза, используется в ней для матричного синтеза ДНК , в качестве затравки которого применяют искусственно синтезированные кусочки нуклеиновой кислоты - олигонуклеотиды. Фермент обратная транскриптаза позволяет с использованием таких затравок (праймеров) синтезировать ДНК на матрице выделенной из клеток РНК . Синтезированная таким способом ДНК называется комплементарной (РНК) или кДНК. Изолированный, «химически чистый» ген может быть также получен из фаговой библиотеки. Так называется препарат бактериофага , в геном которого встроены случайные фрагменты из генома или кДНК, воспроизводимые фагом вместе со всей своей ДНК .

Техника введения генов в бактерии была разработана после того, как Фредерик Гриффит открыл явление бактериальной трансформации . В основе этого явления лежит примитивный половой процесс, который у бактерий сопровождается обменом небольшими фрагментами нехромосомной ДНК , плазмидами . Плазмидные технологии легли в основу введения искусственных генов в бактериальные клетки.

Значительные трудности были связаны с введением готового гена в наследственный аппарат клеток растений и животных. Однако 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. Такой процесс получил название трансфекция .

Если модификации подвергаются одноклеточные организмы или культуры клеток многоклеточных, то на этом этапе начинается клонирование , то есть отбор тех организмов и их потомков (клонов), которые подверглись модификации. Когда же поставлена задача получить многоклеточные организмы, то клетки с изменённым генотипом используют для вегетативного размножения растений или вводят в бластоцисты суррогатной матери, когда речь идёт о животных. В результате рождаются детеныши с изменённым или неизменным генотипом , среди которых отбирают и скрещивают между собой только те, которые проявляют ожидаемые изменения.

Применение в научных исследованиях

Хотя и в небольшом масштабе, генная инженерия уже используется для того, чтобы дать шанс забеременеть женщинам с некоторыми разновидностями бесплодия. Для этого используют яйцеклетки здоровой женщины. Ребёнок в результате наследует генотип от одного отца и двух матерей.

Однако возможность внесения более значительных изменений в геном человека сталкивается с рядом серьёзных этических проблем

Генная инженерия является совокупностью способов, приемов и технологий выделения из клеток или организма генов, получения рекомбинантных РНК и ДНК, осуществления различных манипуляций с генами, а также введения их и в другие организмы. Эта дисциплина способствует получению желаемых характеристик изменяемого организма.

Наукой в широком смысле генная инженерия не является, однако считается биотехнологическим инструментом. В ней применяются исследования таких наук, как генетика, молекулярная микробиология.

Созданные методы генной инженерии, связанные с управлением наследственностью, явились одним из самых ярких событий в развитии науки.

Ученые, молекулярные биологи, биохимики научились изменять, модифицировать гены и создавать абсолютно новые, сочетая гены от разных организмов. Также они научились и синтезировать материал в соответствии с заданными схемами. Искусственный материал ученые начали вводить в организмы, заставляя их работать. На всей этой работе основывается генная инженерия.

Однако существует некоторая ограниченность «биологического материала». Данную проблему ученые пытаются решить при помощи и Специалисты отмечают, что этот путь достаточно перспективен. В течение последних нескольких десятилетий учеными были созданы приемы, при помощи которых определенные клетки из растительных или можно заставить развиваться и размножаться независимо, отдельно от организма.

Достижения генной инженерии имеют большое значение. применяются в экспериментах, а также при промышленном производстве определенных веществ, которые невозможно получить при использовании бактериальных культур. Однако и в этой области имеют место трудности. Так, например, проблемой является отсутствие способности у клеток животных делиться такое же бесконечное количество раз, как

В ходе экспериментов были сделаны фундаментальные открытия. Так, впервые был выведен «химически чистый», изолированный ген. Впоследствии ученые открыли ферменты лигазы и рестриктазы. При помощи последних стало возможно разрезать ген на кусочки - нуклеотиды. А при помощи лигаз можно наоборот соединять, «склеивать» эти кусочки, но уже в новой комбинации, создавая, конструируя иной ген.

Значительных успехов добились ученые и в процессе «чтения» биологической информации. На протяжении многих лет расшифровкой заложенных в генах данных занимались У. Гилберт и Ф. Сенгер, американский и английский ученые.

Специалисты отмечают, что генная инженерия за весь период своего существования не оказала негативного воздействия на самих исследователей, не причинила вреда человеку и не принесла ущерба природе. Ученые отмечают, что достигнутые результаты как в процессе изучения функционирования механизмов, обеспечивающих жизнедеятельность организмов, так и в прикладной отрасли являются весьма внушительными. При этом перспективы представляются поистине фантастичными.

Несмотря на большое значение генетики и генной инженерии в сельском хозяйстве и медицине, главные ее результаты еще не достигнуты.

Перед учеными стоит достаточно много задач. Следует определить не только функции и назначение каждого гена, но и условия, при которых происходит его активация, в какие именно периоды жизни, под воздействием каких факторов, в каких именно участках организма он включается и провоцирует синтез соответствующего белка. Кроме того, немаловажно выяснить роль этого белка в жизни организма, какие реакции он запускает, выходит ли за клеточные пределы, какую несет информацию. Достаточно сложной является проблема сворачивания белков. Решение этих и многих других задач осуществляется учеными в рамках генной инженерии.

ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ (син. генетическая инженерия ) - направление исследований в молекулярной биологии и генетике, конечной целью которых является получение с помощью лабораторных приемов организмов с новыми, в т. ч. и не встречающимися в природе, комбинациями наследственных свойств. В основе Г. и. лежит обусловленная последними достижениями молекулярной биологии и генетики возможность целенаправленного манипулирования с фрагментами нуклеиновых к-т. К этим достижениям следует отнести установление универсальности генетического кода (см.), т. е. факта, что у всех живых организмов включение одних и тех же аминокислот в белковую молекулу кодируется одними и теми же последовательностями нуклеотидов в цепи ДНК; успехи генетической энзимологии, предоставившей в распоряжение исследователя набор ферментов, позволяющих получать в изолированном виде отдельные гены или фрагменты нуклеиновой к-ты, осуществлять in vitro синтез фрагментов нуклеиновых к-т, объединить в единое целое полученные фрагменты. Т. о., изменение наследственных свойств организма с помощью Г. и. сводится к конструированию из различных фрагментов нового генетического материала, введению этого материала в реципиентный организм, созданию условий для его функционирования и стабильного наследования.

Один из способов получения генов - хим. синтез. После того как Холли (A. Holli) в США, А. А. Баеву в СССР и другим исследователям удалось расшифровать структуру различных транспортных РБГК (тРНК), X. Корана с соавт, осуществил хим. синтез ДНК, кодирующей аланиновую тРНК пекарских дрожжей.

Но наиболее эффективный метод искусственного синтеза генов связан с использованием фермента РНК-зависимой ДНК-полимеразы (обратная транскриптаза), обнаруженного Балтимором (D. Baltimore) и Темином (H. Temin) в онкогенных вирусах (см.). Этот фермент выделен и очищен из клеток, зараженных некоторыми РНК-содержащими онкогенными вирусами, в т. ч. вирусом птичьего миелобластоза, саркомы Рауса, мышиной лейкемии. Обратная транскриптаза обеспечивает синтез ДНК на матрице информационной РНК (иРНК). Использование молекул иРНК как матриц для синтеза ДНК в значительной степени облегчает искусственный синтез отдельных структурных генов высших организмов, поскольку последовательность азотистых оснований в молекуле иРНК является точной копией последовательности азотистых оснований соответствующих структурных генов, а методика выделения различных молекул иРНК достаточно хорошо разработана. Успехи в выделении иРНК белка глобина, входящего в состав гемоглобина человека, животных и птиц, иРНК белка хрусталика глаза, иРНК иммуноглобина, иРНК специфического белка злокачественной опухоли (миеломы) позволили с помощью обратной транскриптазы осуществить синтез структурной части генов, кодирующих некоторые из этих белков.

Однако в организме структурные гены функционируют совместно с регуляторными, нуклеотидная последовательность которых не воспроизводится молекулой иРНК. Поэтому ни один из указанных способов не позволяет осуществить синтез совокупности структурного и регуляторного гена. Решение этой проблемы стало возможным после разработки методов выделения отдельных генов. Для выделения бактериальных генов используют небольшие ДНК-содержащие цитоплазматические структуры, способные реплицироваться (см. Репликация) независимо от бактериальной хромосомы. Эти структуры образуют единую группу внехромосомных генетических элементов бактерий - плазмид (см. Плазмиды). Некоторые из них могут внедряться в бактериальную хромосому, а затем спонтанно либо под воздействием индуцирующих агентов, напр. УФ-облучения, переходить из хромосомы в цитоплазму, захватывая с собой и прилегающие хромосомные гены-клетки хозяина. Внехромосомные генетические элементы бактерий, обладающие такими свойствами, называют эписомами [Ф. Жакоб, Волльман (E. Wollman)]. К эписомам (см.) относят умеренные фаги (см. Бактериофаг), половой фактор бактерий, факторы лекарственной устойчивости микроорганизмов (см.), бактериоциногенные факторы (см.). В цитоплазме гены, захваченные эписомами, реплицируются в их составе и часто образуют множество копий. Разработка эффективного метода выделения плазмид, в частности умеренных фагов, несущих генетический материал бактериальной хромосомы, и выделения включенного в геном бактериофага фрагмента хромосомы бактериальной клетки позволила в 1969 г. Беквиту (J. Beckwith) с соавт, выделить лактозный оперон - группу генов, контролирующих синтез ферментов, необходимых для усвоения кишечной палочкой лактозы. Аналогичная техника была использована для выделения и очистки гена, контролирующего синтез тирозиновой транспортной РНК кишечной палочки (см. Рибонуклеиновые кислоты).

Использование плазмид дает возможность получить в изолированном виде практически любые бактериальные гены, а следовательно, и возможность конструировать молекулы ДНК из различных источников. Такие гибридные структуры можно накопить в клетках в значительных количествах, поскольку многие плазмиды в определенных условиях интенсивно реплицируются в цитоплазме бактерий, образуя десятки, сотни и даже тысячи копий.

Успехи Г. и. связаны с разработкой техники объединения генетических структур из различных источ-i ников в одной молекуле ДНК. Решающим в конструировании гибридных молекул in vitro явилось использование эндонуклеаз рестрикции - особых ферментов, способных разрезать молекулы ДНК в строго определенных участках. Такие ферменты обнаружены в клетках Escherichia coli, несущих плазмиды типа R, обусловливающие устойчивость бактерий к нек-рым лекарственным препаратам, в клетках Haemophilus influenzae, Serratia marcescens и других микроорганизмов. Один из наиболее часто используемых ферментов этого типа - эндонуклеаза рестрикции EcoRI, синтезируемая плазмидой RI в клетках E. coli. Фермент распознает участок ДНК с уникальной последовательностью из шести пар нуклеотидов и разрезает двунитчатую структуру ДНК на этом участке т. о., что с обеих сторон образуются однонитевые концы из четырех нуклеотидов (так наз. липкие концы). Поскольку фермент разрезает молекулы ДНК независимо от их происхождения строго определенным образом, все образовавшиеся в результате действия фермента фрагменты ДНК будут иметь одни и те же липкие концы. Комплементарные липкие концы любых фрагментов ДНК объединяются водородными связями, образуя гибридную кольцевую ДНК (рис.). Для стабилизации гибридной молекулы ДНК используют другой фермент - полинуклеотидлигазу, восстанавливающую ковалентные связи, разорванные ферментом рестрикции. Последовательность, специфично распознаваемая EcoRI, встречается в ДНК не чаще, чем через 4000-16 000 пар нуклеотидов. Следовательно, фрагмент ДНК, образовавшийся под действием EcoRI, может включать по крайней мере один неповрежденный ферментом ген (один ген в среднем содержит 1000-1500 пар нуклеотидов).

Применение эндонуклеаз рестрикции и ряда других ферментов дает возможность получать сложные рекомбинантные ДНК. Группа исследователей в США под руководством Берга (P. Berg) сумела объединить в составе одной молекулы ДНК генетическую информацию из трех источников: полный геном (см.) онкогенного вируса обезьян SV40, часть генома умеренного бактериофага λ и группу генов кишечной палочки, ответственных за усвоение галактозы. Сконструированная рекомбинантная молекула не была исследована на функциональную активность, поскольку авторы этой работы остановились перед потенциальной опасностью распространения онкогенных вирусов животных в популяции бактерий, обитающих в кишечнике человека. Известно, что очищенная ДНК вирусов может проникать в различные клетки млекопитающих и стабильно наследоваться ими.

Впервые функционально активные молекулы гибридной ДНК удалось сконструировать в США Коэну (S. Cohen) с соавт. Группа Коэна последовательно решала проблему объединения и клонирования (избирательного накопления) молекул ДНК, выделенных из видов, все более удаленных друг от друга в филогенетическом отношении. Процедура клонирования обычно заключается в том, что ДНК из различных источников фрагментируют с помощью эндонуклеаз рестрикции, затем эти фрагменты объединяют in vitro в общую структуру и вводят в реципиентный организм, к-рым в опытах Коэна служит кишечная палочка. Установлено, что клетки нескольких видов бактерий (в т. ч. Escherichia coli, Salmonella typhimurium, Staphylococcus aureus) могут быть трансформированы (см. Трансформация) с помощью рекомбинантных молекул ДНК. При этом плазмидная часть гибридной молекулы (либо одна из плазмид, если в составе гибридной молекулы объединены две плазмиды из различных источников) служит вектором, т. е. обеспечивает перенос в реципиентные клетки филогенетически чужеродного генетического материала и его размножение в них. Первой плазмидой, использованной Коэном с соавт, в качестве вектора, была полученная им in vitro плазмида pSC101, контролирующая устойчивость бактерий к тетрациклину. Эта небольшая плазмида состоит всего из 8000 пар нуклеотидов. Она атакуется ферментом EcoRI лишь в одном участке, причем фермент не повреждает способность плазмиды к последующей репликации в клетках E. coli и контролировать устойчивость к тетрациклину. Эти особенности позволили использовать ее для конструирования in vitro гибридных молекул ДНК. На первых этапах к pSC101 присоединили плазмидную ДНК, выделенную из различных видов бактерий, а затем и из высших организмов. Так были созданы «химерные» плазмиды (т. е. не способные возникать в природных условиях), объединившие в своем составе генетический материал кишечной палочки, участок ДНК из ооцитов шпорцевой лягушки Xenopus laevis, контролирующий синтез рибосомных РНК, и участок ДНК морского ежа, контролирующий синтез белков- гистонов, либо ДНК митохондрий мыши. В клетках кишечной палочки, в которые вводили такие гибридные, «химерные», плазмиды, была зарегистрирована работа генов высших организмов.

В отличие от pSC101, присутствующей в клетке лишь в 4-6-й копиях, некоторые другие плазмиды, используемые в качестве векторов, в определенных условиях могут многократно реплицироваться, образовывая несколько тысяч копий в одной клетке. Такими свойствами обладает, напр., плазмида ColEI, контролирующая синтез колицина (см. Бактериоциногения). Подобно pSC101, ColEI разрезается ферментом EcoRl лишь в одном участке, а к образовавшейся линейной молекуле с липкими концами легко присоединяется чужеродная ДНК, также обработанная EcoRI. Т. о., к ColEI удалось «подшить» гены триптофанового оперона кишечной палочки. В клетках, несущих множество копий сконструированной гибридной плазмиды, резко увеличилась продукция белков-ферментов, контролируемых генами биосинтеза триптофана. В системе in vitro удалось присоединить плазмиду ColEI к нек-рым R-факто-рам и умеренному фагу. Подобные работы впервые выполнены в СССР под руководством академика А. А. Баева и профессора С. И. Алиханяна. Комбинированные векторные плазмиды, образованные ColEI и R-факторами, способны интенсивно размножаться в бактериальных клетках, подобно ColEI, и в то же время обусловливают устойчивость клеток к антибиотикам, что значительно упрощает отбор бактерий - носителей гибридных плазмид.

В качестве векторов используют и умеренные фаги. В системе in vitro сконструированы гибридные частицы бактериофага, включившие в свою структуру бактериальные гены, ДНК других фагов либо высших организмов (напр., ДНК плодовой мушки-дрозофилы).

Функциональную активность гибридных ДНК определяют возможностью их переноса в клетки реципиентных организмов и последующего умножения (амплификации) в этих клетках. В качестве реципиентов уже сейчас эффективно используют не только бактерии, о чем упоминалось выше, но и клетки высших организмов, пока, однако, лишь в виде культуры ткани, культивируемой вне организма. Имеются указания на возможность проникновения ДНК фагов, несущих бактериальные гены, в клетки соединительной ткани (фибробласты) человека, в протопласты либо в недифференцированную культуру (каллус) клеток растений. В 1971 г. амер. исследователь Меррил (С. R. Merril) с соавт, сообщил об опытах по исправлению наследственного дефекта - галактоземии (см.) путем введения в «больные» клетки галактозных генов бактерий, включенных в состав ДНК трансдуцирующего фага. В результате клетки больного галактоземией, дефектные по ферменту бета-D-галактозо-1-фосфатуридилтрансферазе, не способные усваивать галактозу, восстанавливали нормальную способность к росту в присутствии галактозы, а в их экстрактах была зарегистрирована ранее отсутствовавшая ферментативная активность. Сходный результат был получен Хорстом (J. Horst) с соавт, при введении бактериального гена, контролирующего синтез бета-галактозидазы в фибробласты больного с генерализованным ганглиозидозом, характеризующимся резкой недостаточностью этого фермента. Маньон (W. Munyon) и его сотр. с помощью вируса герпеса перенесли ген, контролирующий синтез тимидинкиназы, из клеток человека в клетки мыши, восстановив способность дефектных мышиных фибробластов синтезировать этот фермент.

Одним из путей передачи генетической информации в культуре клеток человека, животных и растений является гибридизация соматических клеток, разработанная Эфрусси (В. Ephrussi) и Барски (G. Barski). Эффективность этого метода значительно повысилась после того, как было обнаружено, что частицы инактивированного вируса парагриппа типа Сендай увеличивают частоту слияния клеток из самых различных источников. Продемонстрирована возможность передачи отдельных генов из изолированных хромосом китайского хомячка в клетки соединительной ткани мыши. Описаны гибриды клеток человека и мыши, в которых часть хромосом человека удаляется, а часть остается функционально активной. Развитие методов микрохирургии клеток позволило пересаживать клеточные ядра из соматических клеток в оплодотворенные яйцеклетки и получать в результате абсолютно идентичные организмы. Гибридизация клеток дала возможность индуцировать синтез глобина человека в зародышевых клетках лягушки. Все эти примеры демонстрируют потенциальные возможности Г. и.

Практическое значение Г. и. для медицины связано с перспективами исправления наследственных дефектов обмена у человека (см. Генотерапия), создания микроорганизмов, потерявших свою патогенность, но сохранивших способность к формированию иммунитета, синтеза антибиотиков, аминокислот, гормонов, витаминов, ферментов, иммуноглобулинов и т. д., основанного на использовании микроорганизмов, включивших соответствующие гены. Исключительные результаты могут быть получены в ближайшее время Г. и. растений. С помощью методов Г. и. пытаются создать растения, способные усваивать атмосферный азот, и улучшить белковый состав растительной пищи. Успешное решение этих задач позволит резко повысить продуктивность растений, сократить производство и потребление минерального азота, а тем самым значительно оздоровить окружающую среду (см.). Изучается возможность создания совершенно новых форм животных и растений за счет преодоления межвидовых барьеров скрещиваемости. Однако при оценке Г. и. как новой формы освоения живой природы следует учитывать не только ее возможную революционизирующую роль в биологии, медицине и сельском хозяйстве, но и возникающие в связи с ее развитием возможности появления новых форм патогенных микроорганизмов, опасность распространения в популяциях бактерий, обитающих у человека, гибридных ДНК, несущих Онкогенные вирусы, и т. д. Конечно, преднамеренное использование достижений науки, и в т. ч. Г. и., в антигуманных, человеконенавистнических целях возможно лишь в обществе, в к-ром благо человека приносится в жертву наживе и агрессии.

Из дополнительных материалов

Генетическая инженерия продолжает оставаться быстро прогрессирующим методом исследования в молекулярной биологии и генетике. Необходимо отметить, что понятия «генетическая инженерия» и «генная инженерия» не являются полными синонимами, т. к. исследования, относящиеся к генетической инженерии, не ограничиваются только манипуляциями с генами как таковыми. В настоящее время методы генетической инженерии позволяют проводить наиболее глубокий и детальный анализ природных нуклеиновых к-т - веществ, ответственных за хранение, передачу и реализацию генетической информации (см. Нуклеиновые кислоты.), а также создавать модифицированные или абсолютно новые, не встречающиеся в природе гены (см. Ген), комбинации генов и с высокой эффективностью экспрессировать их в живой клетке (см. Экспрессивность гена). Из конкретных практических достижений генетической инженерии в последнее десятилетие наиболее важным следует признать создание продуцентов биологически активных белков - инсулина (см.), интерферона (см.), гормона роста (см. Соматотропный гормон) и др., а также разработку генно-инженерных способов активизации тех звеньев обмена веществ, к-рые связаны с образованием низкомолекулярных биологически активных веществ. Таким путем получены продуценты нек-рых антибиотиков, аминокислот и витаминов, во много раз более эффективные, чем продуценты этих веществ, выведенные традиционными методами генетики и селекции. Разрабатываются способы получения чисто белковых вакцин против вирусов гепатита, гриппа, герпеса, ящура, реализована идея использования вакцинации вирусом осповак-цины, в геном к-рого встроены гены, кодирующие синтез белков других вирусов (напр., вирусов гепатита или гриппа): в результате прививки сконструированным таким образом вирусом организм вырабатывает иммунитет не только против оспы, но и против гепатита, гриппа или другого заболевания, вызываемого тем вирусом, белок к-рого кодируется встроенным геном.

Существенно выросла мировая коллекция рестрикционных эндонуклеаз - рестриктаз, основных «инструментов» генно-инженерных манипуляций. Выделено более 400 рестриктаз, «узнающих» ок. 100 различных по структуре специфических участков (сайтов) в молекулах ДНК (см. Дезоксирибонуклеиновые кислоты) и расщепляющих полинуклео-тидную цепь ДНК по этим участкам. С помощью одного такого фермента или комбинации нескольких рестриктаз можно выделить практически любой ген в составе одного или нескольких фрагментов ДНК (так наз. рестрикционных фрагментов). Это расширило возможности генетической инженерии не только в отношении выделения генов, но и в отношении активизации их работы, анализа структуры генов и их молекулярного окружения. Разработаны методы синтеза целых генов с заданной последовательностью нуклеотидов, появилась возможность снабжать синтезированные и природные гены различными регуляторными нуклеотидными последовательностями, заменять, вставлять, удалять единичные нуклеотиды в строго заданных участках гена, укорачивать или достраивать его нуклеотидную цепь с точностью до одного нуклеотида.

Достижением генетической инженерии явилось ее проникновение в организацию и функционирование механизмов наследственности клеток высших организмов, в т. ч. и человека. Именно на высших эукариотах с помощью методов генетической инженерии получены наиболее интересные данные. Успехи генетической инженерии во многом связаны с получением новых специализированных векторов, позволяющих эффективно клонировать (размножать) индивидуальные фрагменты ДНК (гены) и синтезировать белки, кодируемые этими генами.

Рестрикционные фрагменты, соединенные с ДНК-векторами, клонируют в живой клетке, используя способность таких векторов воспроизводиться (реплицироваться) в клетке во множестве копий. В зависимости от размеров фрагментов, подлежащих клонированию, и цели исследования используют векторы одного из четырех типов - плазмиды (см.), фаги (см. Бактериофаг), космиды или производные фагов с однонитевой ДНК.

Для клонирования сравнительно небольших фрагментов ДНК (до 10 тыс. пар нуклеотидов) применяют плазмидные векторы (pBR322, рАТ 153, pUR250, pUC19 и др.). Достижением генетической инженерии последних лет было получение векторов на основе фага X (Харон 4А, gtwes-B), в к-ром часть генома замещена фрагментом чужеродной ДНК. Гибридный геном искусственным путем «упаковывают» в белковую оболочку и этим реконструированным фагом заражают бактерии. Образуя при размножении в клетке несколько тысяч копий, реконструированный фаг лизирует ее и выделяется в культуральную среду. С помощью таких векторов клонируют фрагменты ДНК длиной 10-25 тыс. пар нуклеотидов.

Космидные векторы (pIB8, MUA-3) представляют собой гибрид фага X и плазмиды. Они содержат так наз. COS-последовательности ДНК фага, необходимые для упаковки геномов фага в белковую оболочку, и участок ДНК плазмиды, позволяющий кос-мидным векторам реплицироваться в бактериях так же, как это делают плазмиды. Таким образом, полученный рекомбинантный геном с высокой эффективностью заражает бактерии подобно бактериофагу, но размножается в них как плазмида, не вызывая гибели бактериальной клетки. Космиды применяют для клонирования фрагментов ДНК длиной до 35-45 тыс. пар нуклеотидов.

Векторы, представляющие собой производные фагов с однонитевой ДНК (М13 mp8, М13, тр73 и др.), сконструированы на основе кольцевой молекулы ДНК бактериофага М13. Для встраивания чужеродной ДНК используют репликативную двуспиральную молекулу ДНК фага. Вектор, несущий чужеродную ДИК, вводят в бактериальные клетки, где рекомбинантные молекулы размножаются, не лизируя эту клетку, и «отпочковываются» в культуральную среду как вирусная частица с однонитевой молекулой ДНК. Эти векторы используют для клонирования фрагментов ДНК (до 300-400 пар нуклеотидов).

Ген, необходимый для генно-инженерных манипуляций, получают путем клонирования соответствующих рекомбинантных молекул ДНК и отбора таких клонов. В тех случаях, когда клонируют гены высших организмов и человека/ экспрессия к-рых в E. coli (чаще всего используемой для таких целей) невозможна, процедуру клонирования и отбора проводят в несколько этапов. На первом этапе создают так наз. библиотеку генов из фрагментов ДНК (клонированных непосредственно из генома клетки) или из клонированных ДНК-копий (кДНК) соответствующей матричной РНК. Сравнивая структуру фрагментов геномной ДНК и соответствующих кДНК, получают важную информацию об организации генетического материала, а в случае наследственных болезней - о характере аномалий в генетическом материале, следствием к-рых и является это заболевание. Из библиотеки генов, пользуясь современными приемами, можно извлечь необходимый ген с окружающими его участками генома. В настоящее время созданы полные библиотеки генов многих микроорганизмов, растений и животных (вплоть до млекопитающих и человека). Уже клонировано и в той или иной мере изучено несколько сот генов и других последовательностей нуклеотидов в ДНК человека.

Возможности генно-инженерных исследований не ограничиваются клонированием гена и получением большого числа его копий. Часто необходимо не только клонировать ген, но и обеспечить его экспрессию в клетке, т. е. реализовать заключенную в нем информацию в аминокислотную последовательность полипеп-тидной цепи белка, кодируемого этим геном. Если вводимый в бактериальную клетку ген получен из бактерий той же (или близкой) видовой принадлежности, то бывает достаточно выделить ген с регуляторными элементами, контролирующими его экспрессию. Однако, если не считать нескольких исключений, регуляторные нуклеотидные последовательности эволюционно далеких друг от друга организмов не являются взаимозаменяемыми. Поэтому, чтобы добиться, напр., экспрессии эукариотического гена в клетках Е. coli, у него удаляют регуляторную область, а структурную часть такого гена присоединяют (на определенном расстоянии) к регуляторной области бактериального гена. Существенный прогресс в разработке этой методики был достигнут после открытия фермента нуклеазы Ва131, к-рая обладает уникальным свойством гидролизовать обе цепи двуспиральной линейной молекулы ДНК начиная с конца молекулы, т. е. этот фермент удаляет с конца фрагмента ДНК «лишние» последовательности нуклеотидов любой протяженности. В настоящее время структурную и регуляторную области выделяют порознь с помощью тех рестриктаз, участки «узнавания» к-рых расположены наиболее удачно на полинуклеотидной цепи, затем убирают «лишние» нуклеотидные последовательности и соединяют структурную область эукариотического гена с регуляторной областью бактериального гена. Таким путем удается добиться не только экспрессии генов эукариотов в бактериальных клетках, но и, наоборот, бактериальных генов в клетках высших и низших эукариотов.

Успехи генетической инженерии тесно связаны с развитием и совершенствованием методов определения последовательности нуклеотидов (секвенирования) в молекулах ДНК. Значительное число рестриктаз, имеющихся в распоряжении исследователей, позволяет с абсолютной специфичностью выделять определенные фрагменты ДНК, а разработка и совершенствование методов клонирования дает возможность получать фрагменты даже уникальных генов в количествах, необходимых для анализа. Методы секвенирова-ния ДНК оказались настолько эффективными, что часто через определение последовательности нуклеотидов ДНК получают данные о последовательности нуклеотидов в молекулах соответствующих РНК и о последовательности аминокислотных остатков в синтезирующейся молекуле белка. При обработке результатов секвенирования ДНК широко используют ЭВМ. Для более полной и быстрой интерпретации полученных экспериментальных данных создаются национальные и международные компьютерные «банки» нуклеотидных последовательностей. В настоящее время определены полные последовательности нуклеотидов геномов ряда бактериальных плазмид и вирусов, уже решается проблема определения полных нуклеотидных последовательностей сначала отдельных хромосом, а затем и всего генома высших организмов, в т. ч. и человека.

С помощью методов генетической инженерии были обнаружены отклонения в строении определенных участков генов человека, что являлось причиной наследственных болезней. Чаще всего таким методом служит так наз. б лот-анализ. Выделенную клеточную ДНК подвергают гидролизу рестриктазой, полученные фрагменты разделяют по величине с помощью электрофореза в агарозе или полиакриламидном геле. Разделенные фрагменты переносят («перепечатывают») на специально обработанную хроматографическую бумагу, нитроцеллюлозу или нейлоновый фильтр и снова подвергают электрофоретическому разделению. Вырезают места электрофореграмм, соответствующие отдельным фракциям и содержащие однотипные фрагменты ДНК; вырезанные участки электрофореграмм инкубируют с ранее клонированным геном или его частью либо с полученной путем хим. синтеза последовательностью нуклеотидов, содержащими радиоактивную метку. Меченая ДНК связывается только с теми фрагментами анализируемой клеточной ДНК, к-рые имеют комплементарные ей последовательности нуклеотидов. Изменение распределения и количества фиксированной метки по сравнению с нормой позволяет судить о перестройках в анализируемом гене или близлежащих к нему последовательностях нуклеотидов.

Участки «узнавания» определенных рестриктаз в молекуле ДНК располагаются неравномерно, поэтому при гидролизе этими ферментами молекула ДНК расщепляется на ряд фрагментов различной длины. Перестройка структуры ДНК, в результате к-рой исчезают имевшиеся или появляются новые участки «узнавания», приводит к изменению набора этих фрагментов (так наз. рестрикционных фрагментов), т. е. к появлению полиморфизма длин рестрикционных фрагментов(ГВДРФ). Перестройки в молекуле ДНК могут вызывать или не вызывать изменения в процессе синтеза или в структуре кодируемого белка; перестроек, не вызывающих изменений, большинство, и они служат причиной нормального ПДРФ. Выяснилось, что ПДРФ является четким генетическим признаком. В настоящее время анализ ПДРФ стал одним из наиболее точных методов, используемых в генетике человека и медицинской генетике. Для ряда наследственных болезней описаны формы ПДРФ, прямо свидетельствующие о наличии заболевания или о носительстве патологически измененного гена.

Генетическая инженерия положила начало новому направлению исследований, получившему название «генетика наоборот». Традиционный генетический анализ (см.) проводится в следующей последовательности: выбирается признак, устанавливается связь признака с генетической детерминантой и локализация этой детерминанты по отношению к уже известным. В «генетике наоборот» все происходит в обратном порядке: выбирают фрагмент ДНК с неизвестной функцией, устанавливают сцепление этого фрагмента ДНК с другими областями генома и его связь с определенными признаками. Этот подход позволил разработать методы ранней диагностики и выявления носителей таких заболеваний, как хорея Гентингтона, болезнь Дюшен-на, муковисцидоз, биохимическая природа наследственных дефектов при к-рых пока не известна. При генеалогическом методе установления закономерностей наследственной передачи хореи Гентингтона было показано, что выделенный из генома человека фрагмент ДНК G8 тесно сцеплен с геном, определяющим заболевание, и по форме ПДРФ фрагмента G8 в данной популяции можно диагностировать это заболевание и выявлять носителей дефектных генов.

На пути внедрения в медицинскую практику методов, используемых в генетической инженерии, еще много трудностей технического порядка. Во многих лабораториях мира активно ведется разработка практически пригодных генно-инженерных диагностических методов, и можно надеяться, что такого рода методы уже в ближайшем будущем найдут применение, если и не для массового генетического просеивания (скрининга) при диспансеризации населения, то, но крайней мере, для выборочного обследования групп повышенного риска в отношении наследственных болезней.

Генетическая инженерия позволяет не только копировать природные соединения и процессы, но и модифицировать их, делать их более эффективными. Примером этого может служить новое направление исследований, названное белковой инженерией. Расчеты, производимые на основании данных об аминокислотной последовательности и пространственной организации молекул белков, показывают, что при определенных заменах нек-рых аминокислотных остатков в молекулах ряда ферментов возможно значительное усиление их ферментативной активности. В изолированном гене, кодирующем синтез конкретного фермента, методами генетической инженерии проводят строго контролируемую замену определенных нуклеотидов. При синтезе ферментного белка под контролем такого модифицированного гена происходит заранее спланированная замена строго определенных аминокислотных остатков в полипептидной цепи, что вызывает повышение ферментативной активности во много раз по сравнению с активностью природного прототипа.

В области сельского хозяйства от генетической инженерии ожидают большого вклада в селекцию новых высокоурожайных сортов растений, устойчивых к засухе, болезням и вредителям, а также в выведение новых высокопродуктивных пород с.-х. животных.

Как и любое достижение науки, успехи генетической инженерии могут быть использованы не только на благо, но и во вред человечеству. Специально проведенные исследования показали, что опасность неконтролируемого распространения рекомбинантных ДНК не так велика, как представлялось ранее. Рекомбинантные ДНК и несущие их бактерии оказались очень неустойчивыми к влияниям окружающей среды, нежизнеспособными в организме человека и животных. Известно, что в природе и без вмешательства человека имеются условия, к-рые обеспечивают активный обмен генетической информацией, это так наз. поток генов. Однако на пути проникновения в организм чужеродной генетической информации природа создала много эффективных барьеров. В настоящее время очевидно, что при работе с большинством рекомбинантных молекул ДНК вполне достаточно обычных мер предосторожности, к-рые применяют, напр., микробиологи при работе с инфекционным материалом. Для особых случаев разработаны эффективные способы как биологической защиты, так и физической изоляции экспериментальных объектов от человека и окружающей среды. Поэтому весьма жесткие первые варианты правил работы с рекомбинантными ДНК были переработаны и значительно смягчены. Что касается преднамеренного использования достижений генетической инженерии во вред человеку, то и ученые, и общественность должны активно бороться за то, чтобы эта опасность так и осталась возможной лишь теоретически.

См. также Биотехнология.

Библиография: Алиханян С. И. Успехи и перспективы генной инженерии, Генетика, т. 12, Jvft 7, с. 150, 1976, библиогр.; АлиханянС. И. и др. Получение функционирующих рекомбинантов (гибридных) молекул ДНК, in vitro, там же, т. И, № 11, с. 34, 1975, библиогр.; Баев А. А. Генетическая инженерия, Природа, М1,с. 8, 1976; Тихомирова Л. П. и д р. Гибридные молекулы ДНК фага X и плазмиды ColEl, Докл. АН СССР, т. 223, №4, с. 995, 1975, библиогр.; Brown D. D. a. S t e r n R. Methods of gene isolation, Ann. Rev. Biochem., v. 43, p. 667, 1974, bibliogr.; C h a n g A. C. Y. a. o. Studies of mouse mitochondrial DNA in Escherichia coli, Cell, v. 6, p. 231,1975, bibliogr.; Hedgpeth J., Goodman H. M. a. B o y e r H. W. DNA nucleotide sequence restricted by the R1 endonuclease, Proc. nat. Acad. Sci. (Wash.), v. 69, p. 3448, 1972, bibliogr.; Hershfield V. a. o. Plasmid ColEl as a molecular vehicle for cloning and amplification of DNA, ibid., v. 71, p. 3455, 1974; Morrow J. F. a. o. Replication and transcription of eukaryotic DNA in Escherichia coli, ibid., p. 1743; T e m i n H. M. a. Mizu-t ani S. RNA-dependent DNA polymerase in virions of Rous sarcoma virus, Nature (Lond.), v. 226, p. 1211, 1970.

Биотехнология, под ред. А. А. Баева, М., 1984; Б о ч к о в Н. П., Захаров А. Ф. и Иванов В. И. Медицинская генетика, М., 1984; М а н и а-тис Г., ФричЭ. и Сэмбрук Д ж. Методы генетической инженерии. Молекулярное клонирование, пер. с англ., М., 1984; A n t о n a r a k i s S. E. a. o. DNA polymorphism and molecular pathology of human globin gene clusters, Hum. Genet., v. 69, p. 1, 1985; Beaudet A. L. Bibliography of cloned human and other selected DNAs, Amer. J. hum. Genet., v. 37, p. 386, 1985; В o t s t e i n D. a. o. Construction of a genetic linkage map in man using restriction fragment length polymorphisms, ibid., v. 32, p. 314, 1980; G u s e 1 1 a J. E. a. o. DNA markers for nervous system diseases, Science, v. 225, p. 1320, 1984; Motulsky A. G. Impact of genetic manipulation on society and medicine, ibid., v. 219, p. 135, 1983; White R. a. o. A closely linked genetic marker for cystic fibrosis, Nature (Lond.), v. 318, p. 382, 1985; Wo о S. L. C., L i d s к у A. S. a. Guttler F. Prenatal diagnosis of classical phenylketonuria by gene mapping, J. Amer. med. Ass., v. 251, p. 1998, 1984.

Л. С. Чернин, В. H. Калинин.