Які методи та досягнення генної Інженерії?

Методи перебудови геномів організмів передбачають видалення або введення в геном клітини окремих генів чи їхніх груп. Як вектори синтезованих або виділених генів використовують віруси та плазміди. З геному, який містить певний ген, виділяють молекулу іРНК, на якій синтезують комплементарну нитку ДНК. Так виникає ДНК-РНК-комплекс, з якого іРНК видаляють, а на нитці ДНК, що залишилася, за принципом комплементарності синтезують другу. Її вбудовують у молекулу ДНК плазміди, яка слугує переносником.

За іншої методики молекулу ДНК розділяють на окремі ділянки (фрагменти). Далі ці фрагменти сполучають із заздалегідь переведеною у лінійну форму молекулою векторної ДНК. У такому вигляді вони потрапляють усередину клітини, відділяються від вектора та приєднуються до ДНК хазяїна. При перенесенні із клітини в клітину еукаріотів метафазних хромосом, які звичайно розпадаються на фрагменти, одні з цих ділянок зникають, інші вбудовуються в хромосому клітини-хазяїна.

У клітини еукаріотів, наприклад рослин, молекули ДНК можна вводити і без векторів, наприклад, за допомогою скляної голки (мікроін’єкції ДНК). Молекули ДНК та цілі хромосоми також вводять за допомогою ліпосом. Це оточені подвійним ліпідним шаром порожнисті кульки діаметром близько 100 нм. Молекулу ДНК вносять всередину ліпосоми, яку потім вводять у клітину. Ліпідний шар захищає ДНК від розкладу ферментами клітини.

Об’єктами досліджень генної інженерії слугують переважно прокаріоти. Наприклад, у геном бактерій введено гени пацюка і людини, які відповідають за синтез гормону інсуліну, необхідного хворим на цукровий діабет (мал. 18.4).

Від генетично змінених бактеріальних клітин отримано білки-інтерферони (захищають організми людини і тварин від вірусних захворювань, наприклад грипу, пригнічуючи розмноження вірусів), гормон росту (дає можливість лікувати деякі форми карликовості), вакцини проти збудників дифтерії, гепатиту В та ін. Слід зазначити, що перелік медичних препаратів, отриманих за допомогою методів генної інженерії, щорічно зростає.

Мал. 18.4. Перенесення генів у бактеріальну клітину: 1 - людська клітина; 2 - молекула ДНК людської клітини; 3 - клітина бактерії; 4 - бактеріальна плазміда; 5 - ген, який кодує гормон інсулін; 6 - за допомогою ферменту бактеріальну плазміду «розшивають»; 7 - за допомогою іншого ферменту «вшивають» ген гормону інсуліну у бактеріальну плазміду, отримуючи рекомбінантну ДНК; 8 - плазміду-вектор вводять у клітину бактерії; 9 - при розмноженні бактеріальної клітини відбувається клонування гену інсуліну; 10 - молекули синтезованого інсуліну

Крім вирішення практичних питань (підвищення продуктивності штамів мікроорганізмів, внесення до прокаріотичних клітин генів, які відповідають за синтез вітамінів, гормонів, ферментів тощо), в майбутньому генна інженерія буде здатна замінювати дефектні алелі певних генів нормальними на ранніх етапах онтогенезу; поєднувати в одному геномі спадкову інформацію різних організмів тощо. Технологія перенесення від прокаріотів генів, які відповідають за фіксацію атмосферного азоту, до клітин вищих рослин, дала б змогу скоротити витрати на виробництво і внесення в ґрунт азотних добрив. Результати генної інженерії важливі для розвитку теоретичної біології. Завдяки їм були зроблені важливі відкриття про будову та функціонування генів, структуру геномів та ін. Для генної інженерії важливе створення банків генів, тобто колекцій генів і геномів різних організмів.

Унаслідок накопичення величезної маси даних у різних галузях біології, зокрема розшифрування послідовностей нуклеотидів у ДНК окремих хромосом і геномів різних видів, виникла окрема галузь знань - біоінформатика. Одним з її напрямів є застосування математичних методів і комп’ютерної техніки для збереження та аналізу цієї інформації.

Нині багато уваги приділяють генетично зміненим, або трансгенним, організмам (генетично модифіковані організми - ГМО). Наприклад, методами генної інженерії в геном рослин вводять певні гени, які забезпечують стійкість до дії пестицидів, шкідників, збудників захворювань, інших несприятливих факторів довкілля. Зокрема, до геному певних сортів картоплі вбудовано гени бактерій, що робить цю рослину неїстівною для колорадського жука. Генетично модифіковані організми часто мають підвищені показники продуктивності та плодючості, що важливо для розв’язання проблеми забезпечення людства продуктами харчування.

З 1996 р. у США, Канаді, Аргентині та інших країнах розпочали масово вирощувати генетично змінені рослини. Але до таких організмів, доки вони не пройдуть належної всебічної перевірки, слід ставитись обережно.

Мал. 18.5. Метод отримання трансгенних тварин

Є дані, що споживання генетично змінених рослин в їжу може спричиняти у людини харчові алергії та отруєння, погіршення стану здоров’я тощо. Невідомо також, впливатиме чи ні їхнє споживання на генотип людей та як генетично змінені організми впливатимуть на природні екосистеми, їхнє біологічне різноманіття. Дискусії щодо трансгенних організмів зумовили прийняття в Україні закону «Про державну систему біобезпеки1 під час здійснення генетично-інженерної діяльності». Він передбачає обов’язкову наукову оцінку ризику застосування генетично змінених організмів.

Процес створення трансгенних тварин складніший, ніж рослин. Після народження нащадків сурогатною матір’ю їх перевіряють на наявність введених генів. Для цього ймовірних трансгенних істот схрещують зі звичайними. У разі підтвердження наявності введених генів у нащадків їх схрещують між собою для отримання чистих трансгенних ліній.

Штучне втручання в геноми, крім технічних труднощів, пов’язане також із проблемами етичного плану. Зміни генотипів організмів, особливо людини, може призвести до непередбачених наслідків незалежно від намірів експериментаторів.

Що собою становить клітинна (тканинна) інженерія?

Клітинна (тканинна) інженерія - галузь біотехнології, в якій використовують методи виділення клітин з організму, трансформування їх і вирощування на поживних середовищах. Такі культури дають змогу отримати важливі сполуки: вітаміни, гормони, фітогормони, цілющі препарати (наприклад, женьшеню) в потрібних кількостях, що значно знижує їх собівартість. Вони слугують для різноманітних експериментів, наприклад, вивчення дії лікарських препаратів та інших речовин тощо. Культури клітин застосовують і для культивування вірусів, які згодом можуть бути використані як вектори у генній інженерії, для діагностики вірусних захворювань чи отримання вакцин.

Методами клітинної інженерії здійснюють віддалену гібридизацію соматичних клітин організмів, яку неможливо здійснити іншим способом (людини і миші, людини і моркви, курки і дріжджів тощо). Це дає змогу створювати препарати, які підвищують стійкість проти різних захворювань тощо. Так, культури гібридів нормальних клітин з раковими на штучних поживних середовищах виробляють антитіла, що знищують клітини злоякісних пухлин, не діючи на здорові.

1 Біологічна безпека (біобезпека) - збереження живими організмами своєї біологічної сутності, біологічних якостей та запобігання масштабних втрат біологічної цілісності унаслідок впливу генної або клітинної інженерії на органи, тканини та організми; проникнення в екосистеми невластивих для них видів; забруднення природних ресурсів (ґрунту, води, харчових ресурсів) тощо.