Области применения и достижения генной инженерии

В 1950_х годах выяснилось, что кроме клеточных генов в природе существуют и независимые гены — вирусы. Вирус — это упакованный в белковую оболочку генетический материал, природное биологическое оружие. Оболочка — лишь приспособление, упаковка, защита и механизм впрыскивания генов в клетку-хозяина. Там вирусные гены начинают воспроизводить на себе свои РНК и белки, постепенно переполняющие клетку. Она, лопаясь, гибнет, а тысячи копий вируса освобождаются, заражая новые клетки. Болезнь и даже смерть обычно вызывают чужеродные вирусные белки. В других случаях человек не умирает, но может болеть всю жизнь. Например, вирус герпеса присутствует в организме 90% людей, он обычно заражает человека в детстве и живет в нем постоянно.

И вот, роль вирусов попробовал сыграть сам человек. В 1944 году был создан первый прецедент получения трансгенного организма на уровне бактерий, несущего один или несколько генов другого организма. Затем научились делать подобные операции с животными. Вот один первых из опытов: раковая опухоль — это мутация гена, а значит, ее можно перенести в другой организм. Выделили ДНК опухоли человека, обработали ею живые клетки здоровой мыши, и через некоторое время у мыши появлялась человеческая опухоль. Генные инженеры пошли дальше, с целью извлечь практическую пользу из открытия.

Человечество испытывает трудности с белком интерфероном, обладающим противораковой и противовирусной активностью. Интерферон вырабатывается любым животным организмом, но нечеловеческий интерферон для лечения людей непригоден. Человек же вырабатывает слишком мало интерферона для его выделения с фармакологическими целями. Поэтому ген человеческого интерферона был введен в бактерию, которая размножаясь в больших количествах, вырабатывала человеческий интерферон. Сейчас эта техника применяется во всем мире. Так же производится и инсулин. Однако есть сложности при очистке нужного белка от бактериальных примесей. Поэтому родились методы введения нужных генов в высшие организмы. Принцип таков: извлекают яйцеклетки животного и вставляют под контроль генов белков молока чужеродные гены, определяющие выработку нужных белков (интерферона, инсулина, антител, специальных пищевых белков). Затем яйцеклетки оплодотворяют и возвращают в организм. Потомство начинает давать молоко, из которого можно дешево, чисто и безопасно выделить необходимый белок. Так были выведены и коровы, дающие молоко с необходимыми человеческими белками, пригодное для искусственного вскармливания младенцев.

Человечество научилось направленно, избирательно воздействовать на генетический аппарат различных организмов, продуцируя организмы с чужеродными генами. Возникли методы, с помощью которых можно резать ДНК в нужных местах и «клеить» с любым другим кусочком ДНК, причем не только с готовыми генами, но и с рекомбинантами — комбинациями разных, в т. ч. искусственно созданных, генов. Это направление получило название генной инженерии. На ее основе родились два больших практических направления. Одно — биотехнология. Второе связано с непосредственным вмешательством в самого человека.

В 1992 г. в США впервые была произведена генно-терапевтическая операция на человеке. С 16 лет девушка страдала инфарктами. У нее оказалось наследственное заболевание: отсутствие особого белка в печени, связывающего так называемые липопротеиды низкой плотности — вещества, ответственные за сужение сосудов, образование тромбов и непроходимости сосудов. Обычное лечение не помогло, и врачи решились на генную операцию. Ей отрезали часть печени, с помощью специальных приемов ввели в клетки печени нормальный ген, и клетки вживили обратно в печень. Вырос кусочек печени, который вырабатывал нужный белок, и больная избавилась от инфарктов. Это первый успешный пример излечения человека с помощью человеческого же гена. Генная терапия развивается, хотя и встречает этические и юридические трудности. В ближайшие годы многие сердечнососудистые, раковые и наследственные заболевания будут излечиваться таким способом.

В растениеводстве путем генетического модифицирования можно добиться устойчивости культурных растений к гербицидам, вредителям и болезням. Правда попытки привить невосприимчивость к стрессам (засухе, жаре, холоду, высокому содержанию алюминия и солей в почве) оставались безрезультатными. Если это удастся, раскроется возможность использовать новые земли для сельского хозяйства и даже морскую воду для полива. Способны генные инженеры и на улучшение пищевых и вкусовых качеств: большая часть работ в области генной инженерии растений направлена на улучшение баланса питательных веществ в кормах для животных и в пище, в целях исключения из рационов дорогостоящих добавок. Кукурузе и сое вводят гены, повышающие содержание незаменимой аминокислоты метионина. Ведутся исследования по увеличению содержания сахара или крахмала в картофеле, кукурузе, горошке, томатах. Удалось увеличить содержание крахмала в некоторых сортах картофеля до 40%. Контролируемое превращение крахмала в сахар в кукурузе и горошке способствует сохранению их сладости в течение длительного периода после уборки. Получен первый, генетически измененный томат с более длительным сроком хранения и вкусом созревшего винограда, а так же сорт моркови, который содержит 300 мг каротина в 1 кг, вместо обычных 70−90 мг. Чтобы ликвидировать дефицит витамина. А, наблюдающийся в развивающихся странах, исследователи пытаются ввести механизм образования этого витамина в зернах риса. Появляется и модифицированные масличные культуры рапс, соя, лен для производства разных мaсел: с повышенным уровнем лауриновой и миристиновой кислот (для производства шампуней и мыла); затвердевающих при комнатной температуре (для производства маргарина); пищевого с пониженным содержанием насыщенных жирных кислот; заменителя кокосового масла при производстве шоколада, жидкого воска для смазочных масел и косметических средств. Из сои уже получают качественные чернила. Ведутся разработки новых генетически модифицированных растений для производства бумаги, природной резины, этанола. Проводятся опыты по получению дизельного топлива из животных и растительных жиров. Используя новые технологии, можно производить из крахмала разлагающуюся на воздухе биопластиковую упаковку, абсорбенты.

Еще в 1975 г. ученые узнали, как производить отдельные антитела (защитные белки, продуцируемые иммунными системами растений и животных в ответ на внедрение чужеродных веществ). Возможность массового производства специфических антител улучшила диагностику в сельском хозяйстве. Фермеру, чтобы поставить диагноз, достаточно размолоть растительную ткань или взять образцы крови животных и, применив специальный окрашивающийся реактив, определить наличие заболевания.

Генетический материал микроорганизмов часто изменяют для того, чтобы получить в большом количестве специальные белки, в частности, для животноводства. Один из них — гормон роста (бычий соматотропин — БСТ). Использование БСТ в молочном скотоводстве повышает продуктивность коров на 5−20%. Основная проблема, которая теперь волнует население — это влияние БСТ на здоровье людей. Разработан и свиной соматотропин (ССТ) для использования при откорме свиней. ССТ увеличивает привесы на 10−16%, при снижении кормовых затрат. Уменьшается и толщина сала в туше животных. Большое достижение — метод трансплантации эмбрионов крупного рогатого скота: эмбрион высокопродуктивной коровы пересаживают к другой и получают теленка с признаками первой матери и племенного быка-отца. Разработан и метод определения и управления полом на клеточной стадии, что позволяет получать выдающихся животных.

Ученые интенсивно работают над выявлением маркеров генов, которые контролируют важные функции у животных. Такое картирование генов помогает идентифицировать гены, отвечающие за рост, величину удоя, качество молока, соотношение жира и постного мяса, нежность мяса, устойчивость к болезням, к холоду, жаре.

Введение

генов с полезными признаками позволяет получать транс генных животных с новыми наследственными признаками. Так, козам введен ген, стимулирующий образование в их молоке фермента тромбокиназы. Фермент способствует рассасыванию тромбов в кровеносной системе человека, что позволит решить проблему профилактики тромбофлебита. Транс генные козы могут вырабатывать «Фактор VIII» (белок, контролирующий кровотечение у страдающих гемофилией) и «Фактор ТРА» (разрушает кровяные тромбы). Генетически измененные козы могут вырабатывать эти белки на порядок быстрее и дешевле, чем культуры человеческих клеток. Возможно применение биотехнологий и в технике: например, для создания диффузоров акустических систем, макромолекулярных биосенсоров. Активно разрабатывается идея о конструировании биологически возобновляемых источников энергии. С помощью биотехнологий возможно даже восстановление загрязненных бездумной деятельностью людей территорий (биоремедиация).

В 1996 году мир был потрясен: шотландскому генетику Яну Вильмуту и его коллегам впервые удалось клонировать высшее животное — овцу.

Ключевым моментом в процессе клонирования было получение в лаборатории культуры эмбриональных недифференцированных клеток организма. Они размножаются «в пробирке» неограниченно долгое время, и их в любой момент можно пересадить животному-реципиенту. Стволовые эмбриональные клетки овцы были получены в лаборатории за год до Долли. В такие клетки можно пересаживать разные гены, меняя их в нужном направлении, чтобы потом выращивать животных с запрограммированным генотипом. Далее были сделаны три серии генетических манипуляций. Вначале пересадили генетический материал недифференцированных клеток эмбриона в яйцеклетку овцы с удаленным ядром. Затем ее имплантировали овце-реципиенту и с ее участием получили потомство — 4 ягнят. Затем получили трех ягнят из дифференцированных клеток зародыша овцы, пересаженных в яйцеклетку. Наконец, используя клетку молочной железы беременной овцы, получили из нее культуру размножающихся клеток. Их генетический материал поместили в яйцеклетку, пересаженную овце-реципиенту. В результате и появилась на свет овца, названная именем Долли. Теперь Долли — пока единственное млекопитающее, у которого нет отца, но зато три матери: овца, давшая генетический материал, овца, от которой взяли яйцеклетку и овца-реципиент, которая вынашивала знаменитого ягненка.

Если техника клонирования животных будет детально разработана, специалисты научатся размножать таким способом сельскохозяйственных животных. Элитных коров, свиней, овец и других животных будут серийно производить на специальных фабриках.

Возможно, недалек час, когда клонированием удастся решить проблемы сохранения редких и исчезающих видов животных. Например, на Дальнем Востоке исчезли леопарды, а природные условия там уже таковы, что их естественное размножение практически невозможно. Очевидно, можно будет восстанавливать даже вымершие виды: ведь в ископаемых останках сохранилась их ДНК. Однако, первый кандидат в этом списке не динозавры, а исчезнувший спутник человека — мамонт. На I Международном мамонтовом совещании в Санкт-Петербурге (1995) прозвучала серия докладов отечественных и зарубежных генетиков и цитологов о перспективах восстановления мамонта, как вида путем молекулярно-генетических исследований и манипуляций с мамонтовой ДНК. Вслед за мамонтом могут вернуться на нашу планету стеллерова корова, дронт, странствующий голубь, тасманийский волк, моа, тарпан, зебра квагга — все биологические виды, варварски уничтоженные человеком в историческом прошлом.

Появление на свет овечки Долли поставило на повестку дня и этически неоднозначный вопрос о допустимости клонирования людей. Успех эксперимента с Долли говорит, что теоретическая возможность клонирования людей существует, но воспользуется ли ею человечество? Этот вопрос остается открытым. Впрочем, для чего делать свои копии в лаборатории, когда природой нам дан великолепный, апробированный миллионами лет способ производить себе подобных?

А вот выращивание «запасных органов» из человеческих стволовых клеток, способное уничтожить многотысячные очереди страждущих на трансплантацию внутренних органов — видимо вопрос почти решенный.

В настоящее время разработаны способы получения более 1000 наименований продуктов биотехнологическими способами. Все отрасли, в которых может быть использована биотехнология, перечислить практически невозможно. [7][8].