Генная инженерия и проблемы безопасности

ВКонтакте: http://vk.com/tigrenok_tgu; http://vk.com/school_tgu

На сайте ТюмГУ:www.utmn.ru; www.dar.utmn.ru

Трансгенные продукты

Генная инженерия и проблемы безопасности

 

Достижения генной инжене- рии совсем недавно казались фан- тастикой, но реальные воплоще- ния ее результатов в практическую деятельность человека превзошли все ожидания. Очевидные резуль- таты использования генно - инже- нерных решений в медицине, сельском хозяйстве и в пищевой промышленности доказали огром- ные возможности улучшения, пре- образования и создания новых объектов человеческой деятельно- сти, но еще больше они открыли перспектив для реализации этой деятельности.

Это молодая, но уже окрепшая область научных изысканий создала мощный фундамент развития отраслей народного хозяйства.

 

 

Первоначально к генетической инженерии относили работы только с отдельными молекулами ДНК или генами. В настоящее время понятие «гене- тическая инженерия» расширено и в ней выделено два раздела: генная инже- нерия и геномная инженерия.

Генная инженерия (или трансгеноз) методами in vivo и in vitro решает

задачи введения в геном реципиентной клетки одного или нескольких чуже- родных генов либо создания в геноме новых типов регуляторных связей. При этом видовая принадлежность реципиентных организмов не меняется, но по- являются не свойственные им признаки.

Геномная инженерия связана со всей генетической программой орга- низма, и перед ней стоят задачи более глубокого вмешательства в геном, вплоть до создания новых видов организмов.

Остановимся лишь на общих подходах в получении и применении ген-

но-модифицированных объектов в технологии пищевых продуктов.

 

Общие подходы. Генная инженерия в самом широком смысле слова - это рекомбинация in vitro, и суть ее заключается в конструировании организ- мов с заданными свойствами путем целенаправленных операций над молеку- лами или структурами, несущими генетическую информацию. При этом ви- довая принадлежность организмов не меняется, но появляются не свойствен- ные им признаки.

Генная инженерия возникла не вдруг, а имеет богатую предысторию. Своими корнями она уходит в период развития методов классической гене- тики (1900-1940). В этот период с помощью количественного анализа, вве- денного Г. Менделем, и работ по изучению законов поведения наследствен- ных признаков удалось сформулировать основное понятие об единице на- следственности - гене. Однако материальная природа генов оставалась до се- редины столетия неизвестной, а генетические методы в этот период носили чисто формальный характер.

С введением микроорганизмов в практику генетики (начало 40-х годов XX в.) увеличилась разрешающая способность генетического анализа и поя- вилась возможность взглянуть на наследственность и изменчивость с хими- ческой точки зрения.

В этот период были заложены основы для возникновения генной инже-

нерии как науки, было показано, что материальной основой наследственно- сти и изменчивости являются молекулы ДНК, постулирована двухцепочеч- ная структура ДНК, доказано, что наследственная информация, содержащая- ся в ДНК, кодируется последовательностью пар оснований. Открыта и - РНК и доказано, что она содержит информацию, определяющую порядок распо- ложения аминокислотных остатков в белках, установлено, что ген не только кодирует структуру определенного продукта, но и регулирует процесс его синтеза. Полностью расшифрован генетический код и обнаружены элементы, управляющие действием генов, промоторы, операторы, терминаторы транс- крипции и трансляции. Энзимологи обнаружили разнообразные ферменты матричного синтеза.

 

В конце 60-70-х годов XX в. получили распространение исследования нуклеиновых кислот методами in vitro, позволившие синтезировать, выделять и перемещать гены. Так, в 1969 г. Дж. Беквиту с сотрудниками удалось выде- лить лактозный оперон Е. coli в чистом виде. В эти же годы Г. Корана впер- вые химическим путем синтезировал ген аланиновой т- РНК дрожжей. В свою очередь, значительных успехов достигли эмбриологи при работе с за- родышевыми клетками животных.

Стало понятным, что если есть эмбриональные клетки и «чистые» ге- ны, то появляется возможность заменить определенные дефектные гены пол- ноценными, т. е. осуществить генную терапию. На рубеже 70-х годов были созданы условия для перехода от анализа генов к их синтезу, от изучения ге- нетической природы организмов к их переделке. Вскоре ученые пришли к выводу, что наиболее реальной является задача конструирования бактерий с не свойственными им признаками, в том числе высокоэффективных штаммов промышленных микроорганизмов.

В 1973 г. С. Коэном было обнаружено, что фрагменты ДНК с «липкими концами» можно получить обработкой ДНК рестрикционными эндонуклеа- зами. В плазмиду ДНК были встроены фрагменты чужеродной ДНК, в ре- зультате чего получены химерные плазмиды. В результате проведенных ис- следований было доказано, что их можно ввести обратно в клетки бактерий в функционально активном состоянии, т. е. клонировать. В последующие годы была продемонстрирована принципиальная возможность клонирования фрагментов ДНК в бактериях любого гена, было сформулировано представ- ление о векторных молекулах, разработаны новые методы объединения фрагментов ДНК in vitro, выявлены основные закономерности экспрессии генов в чужеродном окружении.

Генная инженерия позволяет решать важнейшие для человека задачи:

• повышать эффективность отдельных генов у продуцентов, изменив или

интенсифицировав их функции, что улучшает биосинтетическую дея-

тельность штамма, например без введения новой генетической инфор-

мации, а модифицируя его собственную;

• выделять конкретный ген, отвечающий за синтез того или иного белка, и

получать мутации;

• получать мутации промоторов, от которых зависит активность генов;

вводить усилители активности промоторов (энхансеры);

• создавать штаммы микроорганизмов, утилизирующие отходы различных

производств; продукты переработки нефти, биологически активные ве-

щества (ксенобионты), создаваемые человеком; другие загрязнители ок- ружающей среды, стимулируя тем самым развитие безотходных техно- логий;

• улучшать свойства штаммов, внося в неспаривающиеся микроорганизмы

половые плазмиды, обеспечивающие спаривание и обмен генетической

информацией;

 

• вносить в клетки микробов гены других групп организмов и получать

продукты этих генов;

• создавать новые белки, конструируя новые гены путем их синтеза или

клонирования.

Генная инженерия достигла существенных результатов при решении прикладных задач. Например, в лаборатории Г. Бойера (США, 1977 г.) впер- вые удалось заставить бактериальную клетку производить животный гормон

- соматостатин, выход которого составил 10 тыс. молекул на клетку. Из 100 г биомассы бактерий, выращенных в 8 дм3 среды, удалось выделить 5 мг сома- тостатина - столько же, сколько выделяют из 100 овечьих мозгов. Так, в США была создана первая генно-инженерная компания (Genentech) для про-

изводства медицинских препаратов с использованием методов рекомбинант- ных ДНК, а с 1980 г. начато строительство первого предприятия (в г. Стренг- несе) для промышленного производства генно-инженерного инсулина.

К настоящему моменту в клетках Escherichia coli клонировано большое многообразие генов различных организмов, в том числе генов человека. Для

многих из них осуществлена экспрессия. Эта возможность использована для

получения видоспецифических продуктов (инсулина, интерферонов, гормона роста), а также белков - антигенов тех вирусов, которые слабо размножаются или не размножаются совсем в клеточных культурах (вирус гепатита В, гриппа, ящура, SV40).

Генная инженерия и возникшее на ее основе новое направление био- технологии, несомненно, стали мощным средством воздействия человека на окружающую среду и самого себя.

Открытие ферментов - рестриктаз, «разрезающих» молекулу ДНК тол- щиной в одну миллионную миллиметра на маленькие кусочки, словно нож- ницы, было сделано швейцарским биохимиком Вернером Арбером в 60-х го- дах XX в. Спустя десятилетие американцы Герберт и Бойер установили спо-

собность рестриктаз разрезать ДНК только в определенных местах. В этот же

период стали известны ферменты лигазы, склеивающие «разрезанные» уча- стки. Вооружившись багажом знаний своих предшественников, С. Коэн и Г. Бойер в 1973 г. приступили к первым опытам с рекомбинантной ДНК. В

1978 г. был получен первый результат: «сконструированный» в пробирке из фрагментов ДНК ген инсулина человека был встроен в разрезанные кольца

плазмид бактерий, после чего плазмиды вернули обратно в бактерию, кото-

рая начала интенсивно синтезировать инсулин человека.

 

Получение рекомбинантных ДНК. Генетическая инженерия сводится по существу к процессу получения рекомбинантных ДНК, содержащих, помимо набора природных генов, присущего «хозяйской» ДНК, «чужой» ген или гены, взятые из другой ДНК. Метод получения рекомбинантных ДНК состоит из нескольких этапов:

а) выделение ДНК из клеток организма (получение генетического ма-

териала);

 

б) получение гибридных (рекомбинантных) молекул ДНК путем встройки в исходную ДНК «чужого» гена, выделенного из другой ДНК или полученного химическим синтезом;

в) введение рекомбинантной ДНК в живую клетку (бактерий, дрожжей,

растительных или животных клеток, клеток человека);

г) создание условий для проявления (экспрессии) генов рекомбинант- ной ДНК в живой клетке и секреции нового продуцента, кодируемого «чу- жим» геном.

На рис. 2.1 показана схема получения рекомбинантных ДНК и реком-

бинантных штаммов микробов. Из рис. 2.1 видно, что клонированный (т.е. выделенный из ДНК клетки) природный или химически синтезированный ген целевого продукта (например, инсулина, интерферона) встраивается в ДНК (на- пример, в плазмиду какой-либо бактерии или в ДНК вируса) после расщепле- ния ДНК с помощью ферментов рестриктаз. Вставленный в расщепленную ДНК ген «сшивается» с этой ДНК с помощью ферментов лигаз. Полученная реком- бинантная ДНК бактерий или вируса затем вводится в эту же микробную клетку или вирусную частицу, из которой была взята, и таким образом получают ре- комбинантный штамм бактерий или вирусов.

 

ДНК 2

плазмида

 

 

ДНК 1

 

Фаг

 

 

Вирус

 

Клетка с рекомбинантной

ДНК

 

Целевой ген

 

Рестриктаза

Введение

в клетку

 

+

 

Рестриктаза

 

 

Лигаза

 

 

Клонированный или химически синтезированный целевой ген

Расщепленная

ДНК 2 (вектор)

Рекомбинантная ДНК

(плазмида с целевым геном)

 

Рис. 2.1. Получение рекомбинантных ДНК и рекомбинантных штаммов микроорганизмов (генетическая инженерия)

 

При культивировании рекомбинантного штамма в процессе роста и раз- множения этот штамм синтезирует не свойственный ему продукт, кодируемый встроенным чужеродным геном (например, инсулин, интерферон). На этом принципе в настоящее время получены сотни рекомбинантных штаммов бакте- рий, дрожжей, вирусов, способных продуцировать разнообразные биологически активные вещества: антигены, антитела, ферменты, гормоны, иммуномодулято-

 

ры и др. Технология получения биологически активных веществ, основанная на применении рекомбинантных штаммов, по существу не отличается от типовой биотехнологической схемы. Она сводится к культивированию рекомбинантного штамма, выделению синтезируемого штаммом целевого продукта, его очистке и концентрированию и созданию конечной формы препарата.

В настоящее время уже разработаны сотни медицинских препаратов, полученных на основе генетической инженерии. Многие из них внедрены в практику и применяются в медицине. Это гормоны (инсулин и гормон роста человека), антикоагулянты и тромболитики (тканевой активатор плазминогена, факторы VIII и IX), вакцины («дрожжевая» вакцина против гепатита В), им- муномодуляторы (интерфероны а, р и у, интерлейкины 1, 2 и др., фактор нек- роза опухолей, пептиды тимуса, миелопептиды), ферменты (уреаза), ангиоге- нин, диагностические препараты (на ВИЧ-инфекцию, вирусные гепатиты и др.), моноклопальные антитела, колониестимулирующие факторы (макрофагальный, гранулоцитарный и др.), а также многие биологически активные пептиды.

Применение генетической инженерии в биотехнологии оправдано в тех случаях, когда: а) нужное вещество невозможно получить никаким другим спо- собом; б) если технология эффективнее и экономичнее традиционной или в) если она более безопасна для человека и окружающей среды. Например, антиге- ны для создания вакцин против некультивируемых микроорганизмов (плазмо- дий малярии, возбудитель сифилиса) можно получить только генно-инженерным способом. Генно-инженерный интерферон превосходит по активности интер- ферон, полученный из лейкоцитов крови, и значительно дешевле последнего. Приготовление препаратов из антигенов возбудителей особо опасных инфекций (чума, холера) можно заменить биосинтезом их рекомбинантными штаммами непатогенных бактерий.

 

Практические аспекты генной инженерии. Цель генной инженерии -

получение клеток (в основном бактериальных), об- ладающих высокой генеративной и биосинтетиче- ской способностями, которые в промышленном масштабе могут продуцировать вещества, необхо- димые человеку.

Развитие генной инженерии создало принци-

пиально новую основу для конструирования после-

довательности ДНК, необходимой для практической

деятельности человека. Рис. 2.2. Опухоли на стеблях табака

 

Для внедрения чужеродной ДНК в геном расте-

ний существуют следующие методы:

• агробактериальная трансформация;

• электропорация;

• микроинъекция ДНК;

• агроинфильтрация;

• бомбардировка микрочастицами;

• использование вирусных векторов.

Весьма широко применяется метод, основан-

ный на способности агробактерии Agrobacterium turnefaciens (пищевая бактерия, вызывающая опухо- ли) встраивать участки своей ДНК в растения, после чего пораженные участки начинают очень быстро

 

Рис. 2.3. Опухоли растений, вызваемые агробактериями

делиться, и образуется опухоль (рис. 2.2, 2.3). Сначала ученые получили штамм этой бактерии, не вызывающей опухолей, но не лишенной возможно- сти вносить свою ДНК в клетку. В дальнейшем нужный ген сначала клони- ровали в агробактерии, а затем заражали уже этой бактерией растение. В ре- зультате инфицированные клетки растения приобретали нужные свойства, а вырастить целое растение из одной его клетки сейчас не проблема.

Используя успехи в области экспериментальной эмбриологии, был раз-

работан метод введения искусственно созданных генов в ядра яйцеклеток или сперматозоидов. В результате появилась возможность получения транс- генных животных, т. е. животных, несущих в своем геноме чужеродные ге- ны.

Эксперименты по клонированию животных впервые осуществили в 50-х годах XX в. американские эмбриологи Р. Бриге и Т. Кинг, которые пересади- ли в яйцеклетку лягушки ядро зрелой клетки, предварительно удалив из яй- цеклетки собственное ядро. В России подобные опыты несколько ранее про- водил Г. Лопашев, но результаты их не были опубликованы, так как генетика считалась в то время в СССР лженаукой.

Термин «клонирование» (от греч. «klon» - ветвь, побег) означает точное воспроизведение живого объекта в одной или нескольких копиях, притом это может быть:

• получение идентичных копий фрагментов ДНК (клонирование фрагмен-

тов ДНК);

• получение группы клеток с одинаковым генотипом (клонирование кле-

ток взрослого организма).

Исследователи работают над созданием растений, устойчивых к раз- личного рода заболеваниям благодаря введенному в их генотип специфиче- скому гену; стремятся избавить человечество от неизлечимых генетических болезней.

Из бактерий Escherichia coli получают соматотропин - гормон роста че- ловека. До 1980 г. его получали из гипофизов, выделенных из трупов. Сома- тотропин представляет собой полипептидную цепь, состоящую из 191 ами-

 

 

нокислоты. Недостаток гормона роста в организме приводит к карликовости. Полученный из клеток бактерии соматотропин свободен от вирусных загряз- нений, чист биохимически, экономически доступен, и его можно получать в любых количествах.

Способы модификации ДНК и перенос ее из одного организма в другой

позволили осуществить биосинтез инсулина человека в клетках Escherichia coli, получить интерферон (против вирусной инфекции, опухолей), создать новые виды вакцин (против гепатита, сифилиса, ящура животных).

Голландские ученые заявили, что они могут создать искусственное мя-

со в лабораторных условиях. При этом не придется убивать ни одного живо- го существа. Ученые планируют использовать тот же метод, которым поль- зуются при производстве искусственной кожи. По их мнению, можно полу- чить мясо массой 50 кг в больших контейнерах.

Мясо можно производить, используя коллагены и клетки мышечной ткани, полученные от доноров (животных). При этом последним не будет причинен какой-либо вред. Мышечная ткань затем будет выращиваться на коллагене.

Вместимость контейнеров при этом должна быть более 5000 л, где мя- со будет расти в специальном растворе, который состоит из 62 ингредиентов, включая 20 аминокислот, 12 витаминов и разнообразные ферменты. Конеч- ный продукт будет иметь структуру и вкус постного мяса, но, самое главное, по словам исследователей, не будут страдать животные. Голландские ученые заявляют, что свинина, говядина и мясо цыпленка могут быть получены ис- кусственным путем, для любителей мяса экзотических животных без про- блем можно вырастить мясо кенгуру, кита или различных моллюсков.