Генная инженерия. 
Концепции современного естествознания

Люди развивают науку не только из любопытства, но и ради улучшения благосостояния людей. В этой связи любая наука неизбежно получает инженерное продолжение. Это не означает, что наука закончилась и началась практика. Просто наука получает новое измерение. Ее поле исследования значительно расширяется. Она приобретает новое измерение, которое часто называют технологическим или инженерным. Биология, обогащенная инженерным измерением, называется биотехнологией. Во избежание недоразумения отметим, что биотехнология — это биологическая, а не техническая наука. Ее основное назначение состоит в выработке эффективных путей преобразования организмов и биологических систем ради достижения выработанных людьми специальных целей.

Биотехнологические методики используются людьми с незапамятных времен, в частности в земледелии при выращивании растений. Но, разумеется, научный характер они могли приобрести лишь в связи с развитием биологии. Каждый из ее разделов получил соответствующее технологическое продолжение. Например, биотехнологическая клеточная теория эффективно представлена использованием стволовых клеток. Что же касается революционного Монблана биотехнологий, то он представлен генной инженерией. Ясно почему, подобно тому, как генетика знаменует собой основное достижение биологии XX столетия, генная инженерия заняла ведущее место в биотехнологии. Генная инженерия, а ее расцвет начался в 1970;е гг., стала возможной благодаря развитию многочисленных экспериментальных методов. Рассмотрим в этой связи типичный путь проведения генно-инженерной модификации.

Первым шагом является изоляция гена, который впоследствии будет вставлен в генетически модифицируемый организм. Ген выделяется и разрезается на сегменты посредством специальных ферментов, рестриктаз. С помощью других ферментов, на этот раз лигаз, сегменты, если это необходимо, объединяются в ином порядке, конструируя новый ген. Посредством полимеразной цепной реакции он может быть изменен, например добавлены новые сегменты. Новый ген может быть также получен посредством его химического синтезирования.

Вторым шагом является внедрение гена в вектор, т. е. в то образование, которое исполняет роль переносчика гена. Дело в том, что клетка восприимчива именно к векторам, например к плазмидам, которые представляют собой небольшие молекулы ДНК, не входящие в хромосомы и способные реплицироваться самостоятельно.

Третьим шагом является внедрение вектора в модифицируемый механизм. Сама вставка гена состоит в том, что с использованием определенных методик образуется отверстие в плазматической мембране, через которую и поступает внутрь клетки модифицированный ген. Такое явление называется трансфекцией.

Возможно и прямое внедрение ДНК-материалов в клетку, в том числе и в ее ядро, посредством микроинъекции. Она стала возможной после изобретения микропипеток диаметром 0,1— 0,5 микрона и микроманипуляторов, способных фиксировать клетку (рис. 6.19). Процесс инъекции наблюдается в мощный микроскоп.

Puc. 6.19. Инъекция сперматозоида в яйцо Исключительно большой интерес вызывает клонирование самых сложно устроенных организмов, т. е. млекопитающих, в том числе человека. Клон — генетическая копия некоторого организма. Клонированием называется процесс получения клона естественным или же искусственным путем. Клонирование млекопитающих искусственным путем может быть выполнено с использованием как эмбриональных, так и взрослых клеток.^[1]

В первом случае ядра клеток извлекаются из очень молодых эмбрионов, во втором — из взрослых соматических клеток. Далее порядок действий один и тот же. Из недавно оплодотворенной яйцеклетки удаляют ядро, которое заменяется ранее извлеченным. Далее в пробирке модифицированная клетка выращивается до состояния эмбриона, после чего он вводится в матку самки того же вида, т. е. суррогатной матери. Далее беременность развивается естественным образом. Описанная схема клонирования представлена на рис. 6.20. Описанная схема клонирования представлена на рис. 6.20.

Рис. 6.20. Схема клонирования многоклеточного организма.

Знаменательной вехой в клонировании животных стала знаменитая овечка Долли (05.07.1996—14.02.2003), выращенная шотландскими учеными под руководством Я. Уилмута. У нее было три матери: одна стала донором ядра клетки, другая — яйцеклетки, третья родила ее. Овечка Долли прожила лишь половину того срока, который отпущен овцам ее породы, тем не менее успела трижды принести потомство: один, два и три ягненка. Овечка Долли вызвала сенсацию неслучайно, впервые клонирование животного было осуществлено с использованием не эмбриональных, а соматических клеток. Эксперимент показал, что ядро зрелой и, следовательно, дифференцированной соматической клетки, будучи помещенным в яйцеклетку, способно возвратиться к тотипотенному состоянию, являющемуся началом для производства любых специализированных клеток организма. Именно это удивительное открытие следует поставить в заслугу группе Уилмута. Оно показало, что человечество открыло необычайную перспективу выращивания генетических близнецов тех животных, которые вымерли в прошлые эпохи, например мамонтов и динозавров. Это возможно в случае, если сохранился в воспроизводимом виде генетический материал клетки любого органа животного.

Следует отметить, что клоны являются генетическими близнецами, не более того. Их идентичность имеет генетический, но не эпигенетический характер. Это означает, что факторы, сопутствующие ДНК-процессам эмбрионального и постэмбрионального развития, непременно отличаются друг от друга. Абсолютно идентичных организмов не бывает.

Важнейшим для судеб человечества методом генной инженерии является также экстракорпоральное (от лат. extra — снаружи, вне и coi’pus — тело) оплодотворение. От женщины берут зрелую яйцеклетку, от мужчины — сперматозоиды, соединяют их в стеклянной чашечке с питательной средой, ждут до тех пор, пока пройдет оплодотворение. А затем полученный эмбрион помещают в полость матки женщины, либо той, от которой была изъята яйцеклетка, либо суррогатной матери.

Все стадии процесса экстракорпорального оплодотворения контролируются компетентными биологами и медиками. Ясно, что на этом пути они встречаются с многочисленными затруднениями. Неудивительно, что первый человек in vitro, «из пробирки» (латинское выражение in vitro переводится как в стекле), был рожден лишь в 1978 г. в Англии. Однако к настоящему времени на Земле насчитывается более 5 млн людей, рожденных благодаря экстракорпоральному оплодотворению.

Метод экстракорпорального оплодотворения позволяет иметь детей многим людям, которые в противном случае оставались бы бездетными или же, если речь идет о женщинах, подвергались бы в процессе беременности и рождения ребенка чрезмерному риску. Немаловажно также, что обсуждаемый метод позволяет получить человеческие эмбрионы на их ранних стадиях развития, которые необходимы для проведения биомедицинских исследований, в частности получения эмбриональных стволовых клеток.

Изучение технологических возможностей использования не только эмбриональных, но и других типов стволовых клеток, содержащихся в различных органах человека, приобретает все большее биомедицинское технологическое значение. Как известно, замечательная особенность стволовых клеток состоит в их плюрипотентности, т. е. способности превращаться в клетки различных органов и тканей. В этой связи они могут быть использованы для избавления людей от многих болезней, например сахарного диабета.

Чем тщательнее ученые изучают особенности стволовых клеток, тем шире их биомедикотехнологические возможности. Особое значение имеет в этой связи развитие способов получения индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. За их разработку британец Дж. Гёрдон и японец С. Яманаки были награждены Нобелевской премией за 2012 г. К настоящему времени биологи и медики убедительно показали, что соматические клетки могут быть преобразованы в стволовые клетки, причем различными способами, в частности, с использованием рекомбинантных белков и микроРНК. На первый взгляд кажется, что биологическое развитие во всех отношениях является необратимым процессом. Организму невозможно из уже достигнутого состояния вернуться в предшестовавшие ему стадии. Но по крайней мере применительно к клеткам это положение ставится под сомнение. Некоторая часть дифференцированных клеток может быть преобразована в плюрипотентные клетки. По оценкам многих специалистов, использование индуцированных плюрипотентных клеток, в частности, в транспатологии, способно привести к новой биомедицинской революции.

Читателю, конечно же, известно, что биотехнологические вопросы часто вызывают острые споры этического характера.

Выводы.

• • Биотехнология — особая биологическая наука. Будучи обогащенной инженерным измерением, биология остается наукой.
• • Генная инженерия, приведшая к революционным преобразованиям в области биотехнологии, оказалась возможной благодаря многочисленным научным достижениям, в том числе экспериментального свойства.
• • История развития генной инженерии отмечена тремя Монбланами, а именно клонированием организмов, экстракорпоральным оплодотворением и производством и использованием индуцированных плюрипотентных стволовых клеток.
• • Биотехнология не является в этическом отношении нейтральной наукой.

• [1] URL: http:// www.upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/04/Microinjection_of_a_human_egg.svg/440px-Microinjection_of_a_human_egg.svg.png/