Генетическая инженерия

     Соматотропин  – гормон роста человека. Недостаток этого гормона приводит к карликовости. Если вводить соматотропин в дозах 10 мг на кг веса три раза в неделю, то за год ребенок, страдающий от его  недостатка, может подрасти на 6 см. Ранее его получали из трупного материала, из одного трупа: 4–6 мг соматотропина  в пересчете на конечный фармацевтический препарат. Таким образом, доступные  количества гормона были ограничены, кроме того, гормон, получаемый этим способом, был неоднороден и мог  содержать медленно развивающиеся  вирусы. Компания «Genentec» в 1980 году разработала  технологию производства соматотропина  с помощью бактерий, который был  лишен перечисленных недостатков. В 1982 году гормон роста человека был  получен в культуре E. coli и животных клеток в институте Пастера во Франции, а с 1984 года начато промышленное производство инсулина и в СССР.

     На  технологии рекомбинантных ДНК основано получение высокоспецифичных ДНК-зондов, с помощью которых изучают  экспрессию генов в тканях, локализацию  генов в хромосомах, выявляют гены, обладающие родственными функциями (например, у человека и курицы). ДНК-зонды  также используются в диагностике  различных заболеваний.

     Технология  рекомбинантных ДНК сделала возможным  нетрадиционный подход «белок-ген», получивший название «обратная генетика». При  таком подходе из клетки выделяют белок, клонируют ген этого белка, модифицируют его, создавая мутантный  ген, кодирующий измененную форму белка. Полученный ген вводят в клетку. Если он экспрессируется, несущая его  клетка и ее потомки будут синтезировать  измененный белок. Таким образом, можно  исправлять дефектные гены и лечить наследственные заболевания.

     Если  гибридную ДНК ввести в оплодотворенное  яйцеклетку, могут быть получены трансгенные  организмы, экспрессирующие мутантный  ген и передающие его потомками. Генетическая трансформация животных позволяет установить роль отдельных  генов и их белковых продуктов, как  в регуляции активности других генов, так и при различных патологических процессах. С помощью генетической инженерии созданы линии животных, устойчивых к вирусным заболеваниям, а также породы животных с полезными для человека признаками. Например, микроинъекция рекомбинантной ДНК, содержавшей ген соматотропина быка, в зиготу кролика позволила получить трансгенное животное с гиперпродукцией этого гормона. Сейчас даже трудно предсказать все возможности, которые будут реализованы в ближайшие несколько десятков лет.

     Области практического применения генной инженерии

     Создание  трансгенных растений.

     Еще 10 лет тому назад биотехнология  растений заметно отставала в  своем развитии, но за последние 3 года наблюдается быстрый выброс на рынок  трансгенных растений с новыми полезными  признаками. Трансгенные растения в  США в 1996 году занимали площадь 3 млн. акров, в 1997 году площадь увеличилась  до 15 млн. акров, в 1998 году – до 60 млн. акров, а в 2000 году до 80 млн. акров. Темпы  расширения площади просто поражают своей быстротой. Поскольку основные трансгенные формы кукурузы, сои, хлопчатника с устойчивостью  к гербицидам и насекомым хорошо себя зарекомендовали, то не сложно догадаться, что площадь под генноиженерные растения в 2001 году увеличилась примерно в 4–5 раз.

     В апреле 1998 года доля в процентах  трансгенных форм растений в сельском хозяйстве составила: кукуруза – 6%; соя – 12%; хлопчатник – 15%; томаты – <1%.

     Так как число жителей за последнее  столетие увеличилось с 1.5 до 6.5 млрд. человек, а к 2020 году предполагается вырост до 9 млрд., таким образом, возникает  огромная проблема, стоящая перед  человечеством. Эта проблема заключается  в огромном увеличение производства продуктов питания, несмотря на то, что за последние 40 лет производство увеличилось в 2.5 раза, все равно  этого не достаточно. Другая проблема возникла с медицинским лечением. Несмотря на огромные достижение современной медицины, производимые сегодня лекарственные препараты столь дороги, что часть населения земли полностью полагаются на традиционные донаучные методы лечения, прежде всего, на неочищенные препараты растительного происхождения.

     В развитых странах лекарственные  средства на 25% состоят из природных  веществ, выделенных из растений. Открытия последних лет свидетельствуют  о том, что растения еще долго  будут оставаться источником полезных биологически-активных веществ (БТА), и  что способности растительной клетки к синтезу сложных БТА все  еще значительно превосходят  синтетические способности инженера-химика. Вот почему ученые взялись за проблему создания трансгенных растений.

     Отсчёт  истории генетической инженерии  растений принято вести с 1982 года, когда впервые были получены генетически  трансформированные растения. Одним  из наиболее распространенных методов  трансформации является технология, основанная на обстреле ткани микрочастицами золота (или других тяжелых металлов), покрытыми раствором ДНК. Все  выращиваемые ныне коммерческие сорта  получены в основном с помощью  данного метода.

     Современный арсенал методов трансформации, однако, довольно обширен и включает такие подходы, как введение ДНК  в голые клетки (протопласты), электропорация клеток, микроинъекций ДНК в клетки, опосредованная вирусами инфекции и  так далее.

     Ученые  пошли далее. Так как множество  растений подвержены нападению и  поеданию со стороны насекомых, то ученые генетической инженерии провели  эксперимент с давно известной  бактерией Bacillus-Thiringiensis, которая продуцирует  белок. Оказалось, она является очень  токсичной для многих видов насекомых, но в то же время безопасна для  млекопитающих. Активизированный белок  специфично связывается с рецепторами  средней кишки насекомых, что  приводит к образованию пор и  лизису клеток кишечного эпителия. Взаимодействие токсинов с рецепторами строго специфично, что усложняет подбор комбинации токсин-насекомое. В природе найдено большое количество штаммов Bacillus-Thiringiensis, чьи токсины действуют только на определенные виды насекомых. Препараты Bacillus-Thiringiensis в течение десятилетий использовались для контроля насекомых на полях.

     Встраивание гена этого белка в геном растений дает возможность получить трансгенные  растения, не поедаемые насекомые. Но этот метод потребовал большой работы со стороны генетической инженерии  в плане подборов необходимых  штаммов и созданию генно-инженерных конструкций, которые дают наибольший эффект для конкретных классов насекомых. Кроме видоспецифичности по действию на насекомых встраивание прокариотических генов дельта-токсинов в геном  растений даже под контролем сильных  эукариотических промоторов не привело  к высокому уровню экспрессии. Предположительно такое явление возникло в связи  с тем, что эти бактериальные  гены содержат значительно больше адениновых и тиминовых нуклеотидных оснований, чем растительная ДНК. Эта проблема была решена путем создания модифицированных генов, где один из природного гена вырезали и добавили те или иные фрагменты с сохранением доменов, кодирующих активные части дельта-токсинов. Так, например, с помощью таких  подходов был получен картофель, устойчивый к колорадскому жуку.

     Клонирование  животных

     Клони́рование (от др.-греч. клюн – «веточка, побег, отпрыск») – в самом общем значении – точное воспроизведение какого-либо объекта любое требуемое количество раз. Объекты, полученные в результате клонирования (каждый по отдельности  и вся их совокупность) называются клоном.

     Создать животных и растения с заданными  качествами всегда было чем-то чрезвычайно  заманчивым потому, что это означало создать организмы уникальнейшие  и нужнейшие, устойчивые к болезням, климатическим условиям, дающие достаточный приплод, необходимое количество мяса, молока, плодов, овощей и прочих продуктов. Использование технологии клонирования предполагает уникальную возможность получать фенотипически и генетически идентичные организмы, которые могут быть использованы для решения различных теоретических и прикладных задач, стоящих перед биомедициной и сельским хозяйством. Благодаря технологии клонирования предполагается появление ускоренной генетической селекции и тиражирования животных с исключительными производственными показателями. В сочетании с трансгенозом клонирование животных открывает дополнительные возможности для производства ценных биологически активных белков для лечения различных заболеваний животных и человека. Клонирование животных, возможно, позволит проводить испытания медицинских препаратов на идентичных организмах.

     Первые  успешные опыты по клонированию животных были проведены в 1960-е годы английским эмбриологом Дж. Гордоном в экспериментах  на шпорцевой лягушке. В этих первых опытах для пересадки использовались ядра клеток кишечника головастиков. Они были подвергнуты критике, так  как в кишечнике головастиков могли сохраниться первичные  половые клетки. В 1970 г. удалось провести опыты, в которых замена ядра яйцеклетки на генетически помеченное ядро из соматической клетки взрослой лягушки  привела к появлению головастиков и взрослых лягушек. Это показало, что техника трансплантации ядер из соматических клеток взрослых организмов в энуклеированные (лишенные ядра) ооциты позволяет получать генетические копии  организма, послужившего донором ядер дифференцированных клеток. Результат  эксперимента стал основанием для вывода об обратимости эмбриональной дифференцировки  генома, по крайней мере, у земноводных.

     Клонирование  млекопитающих возможно с помощью  экспериментальных манипуляций  с яйцеклетками (ооцитами) и ядрами соматических клеток животных in vitro и in vivo. Клонирование взрослых животных достигается  в результате переноса ядра из дифференцированной клетки в неоплодотворённую яйцеклетку, у которой удалено собственное ядро (энуклеированная яйцеклетка) с последующей пересадкой реконструированной яйцеклетки в яйцевод приёмной матери. Однако долгое время все попытки применить описанный выше метод для клонирования млекопитающих были безуспешными. Первое успешное клонирование млекопитающего (домовой мыши) осуществили советские исследователи в 1987 г. Они использовали метод электропорации для слияния энуклеированной зиготы и клетки эмбриона мыши с ядром.

     Значительный  вклад в решение этой проблемы был сделан шотландской группой  исследователей из Рослинского института  и компании «PPL Therapeuticus» (Шотландия) под руководством Яна Вильмута. В 1996 году появились их публикации по успешному рождению ягнят в результате трансплантации ядер, полученных из фибробластов плода овцы, в энуклеированные  ооциты. В окончательном виде проблема клонирования животных была решена группой  Вильмута в 1997, когда родилась овца по кличке Долли – первое млекопитающее, полученное из ядра взрослой соматической клетки: собственное ядро ооцита было заменено на ядро клетки из культуры эпителиальных  клеток молочной железы взрослой лактирующей  овцы. В дальнейшем были проведены  успешные эксперименты по клонированию различных млекопитающих с использованием ядер, взятых из взрослых соматических клеток животных (мышь, коза, свинья, корова), а также взятых у мёртвых, замороженных на несколько лет, животных. Появление  технологии клонирования животных вызвало  не только большой научный интерес, но и привлекло внимание крупного бизнеса во многих странах. Подобные работы ведутся и в России, но целенаправленной программы исследований не существует. В целом технология клонирования животных ещё находится  в стадии развития. У большого числа  полученных таким образом организмов наблюдаются различные патологии, приводящие к внутриутробной гибели или гибели сразу после рождения, хотя при клонировании овец в 2007 году выжил каждый 5-й эмбрион (в случае в Долли – понадобилось 277).

     В 2004 году американцы начали коммерческое клонирование кошек, а в апреле 2008 года Южнокорейские таможенники  приступили к дрессировке семи щенков, клонированных из соматических клеток лучшего корейского розыскного пса  породы «канадский лабрадор-ретривер». По мнению южнокорейских ученых, 90% клонированных щенков будут удовлетворять  требованиям для работы на таможне, тогда как лишь менее 30% обычных  щенков проходят тесты на профпригодность.

     Клонирование  может быть использовано для воссоздания  естественных популяций вымерших животных. Несмотря на наличие определённых проблем  и трудностей, первые результаты в  данном направлении уже имеются.

     В Испании в 2009 г. родился клонированный  детеныш вымершего подвида пиренейского горного козла букардо (Capra pyrenaica pyrenaica). Сообщение о клонировании появилось в январском номере журнала Theriogenology. Несмотря на то, что  созданный испанскими учеными клон вымершего животного прожил всего  несколько минут, этот опыт уже признан  первым в мире успешным экспериментом  по воссозданию исчезнувшего подвида.