Генетически модифицированные организмы. Принципы получения, применение

Ученый Нейл Форбс сообщил о принципиально новом способе борьбы с раковыми заболеваниями при помощи бактерий.  Дело в том, что для большинства человеческих опухолей характерно наличие центральной зоны со сниженным содержанием кислорода (область гипоксии). Раковые клетки в такой области не способны к патологической пролиферации и не поддаются действию химиопрепаратов, «мишенью» которых являются быстро растущие клетки. В качестве альтернативной терапии раковых заболеваний ученые предлагают использовать почвенную бактерию Clostridium novyi-NT. При помощи генетических манипуляций ученым удалось удалить ген токсина и сделать микроорганизм совершенно безвредным.

Суть метода лечения заключается в следующем. Споры бактерий после внутривенного введения разносятся с током крови к органам и тканям организма, локализуясь впоследствии в зонах гипоксии опухоли. Оказавшись в благоприятных условиях, споры прорастают, бактерии начинают конкурировать с клетками опухоли за пищевые ресурсы, тем самым постепенно убивая раковые клетки. Clostridium novyi-NT не могут долго сохраняться в кислородсодержащей среде, но именно поэтому они наиболее эффективно поражают опухоли, прорастая и проявляя наибольшую активность в зонах гипоксии. Было также показано, что у бактерий, локализовавшихся в опухоли, активизируются гены метаболизма жирных кислот и липидов, позволяя им развиваться в некротических опухолях, богатых разрушенными липидными мембранами. Процесс разрушения «сердцевины» опухоли будет продолжать до тех пор, пока бактерии не достигнут зон опухоли с некоторым содержанием кислорода. Было установлено, что опухоли и метастазы менее 200 мкм не имеют областей гипоксии, характерных для крупных новообразований, что затрудняет использование в борьбе с ними строгих анаэробов, таких как Clostridium. Однако, для факультативных анаэробов, таких как Salmonella, Esherichia кислород не является препятствием. Дополнительным преимуществом факультативных анаэробов является то, что они могут активно перемещаться и неспецифически поражать небольшие опухоли и метастазы.

Тем не менее, автор статьи отмечает, что только при помощи бактерий излечить человека от опухоли вряд ли удастся, однако комбинированная терапия, включающая бактериальную и традиционную химиотерапию, вероятно, позволит значительно повысить эффективность лечения. [14]

Ученые из Южной Кореи придумали новый способ борьбы с раком. Специалисты университета Йонсей (Yonsei University) генетически модифицировали аденовирус, вызывающий у человека острые респираторные заболевания. В геном вируса «встроен» ген, отвечающий у человека за выработку гормона релаксина. Препарат, содержащий ГМ-вирусы вводят в злокачественную опухоль. В раковой ткани вирус быстро размножается, поражая только раковые клетки, не затрагивая здоровые. Эксперименты на мышах показали, что после трехкратных инъекций препарата в течение двух месяцев (60 дней) погибает более 90% раковых клеток в мозгу, печени, почках и матке подопытных животных. [15]

2.2.2. Химическая промышленность

Общеизвестно, что микроорганизмы синтезируют целый ряд ценных веществ. Сегодня, благодаря направленным генетическим манипуляциям, удается не только увеличить продуктивность биосинтеза, но и получать вещества, химическое производство которых ранее было невозможно. Пищевые добавки, аминокислоты, витамины, ароматизаторы, ферменты – вот далеко не полный перечень веществ, которые получают при помощи генетически модифицированных микроорганизмов. В ряде случаев, биотехнологические методы производства этих соединений уже заменили традиционный химический синтез.

Преимущества биотехнологического производства с использованием генетически модифицированных микроорганизмов очевидны: микроорганизмы быстро растут и, в большинстве случаев, легко культивируются. В отличие от традиционного химического синтеза, биосинтез протекает при нормальных условиях, а значит, для него не требуется создание таких дополнительных условий как повышенная температура, давление, или применение агрессивных химикатов. Очевидна экологическая привлекательность биосинтеза, основанного на использовании возобновляемых природных ресурсов, а также того факта, что неиспользованная продукция легко подвергается биодеградации и оказывает минимальное загрязняющее воздействие на сточные воды. [3]

Генетически модифицированные микроорганизмы используются в настоящее время для производства фармацевтических препаратов, вакцин, продуктов тонкого органического синтеза, пищевых добавок и других сопутствующих соединений пищевой промышленности. Вот только некоторые примеры продуктов микробного синтеза:

• Витамин B2 (краситель, рибофлавин E 101), витамин C (консервант, аскорбиновая кислота E 300);
• Загуститель ксантан (E 415), регулятор кислотности лимонная кислота (E 330);
• Консервант, натамицин (E 235), низин (E 234), лизоцим (E 1105);
• Аминокислоты: глутамат – усилитель вкуса и запаха (E621), аспартам - подсластитель (E 951) или цистеин (E 921), используются для улучшения качества пищевых продуктов и кормов;
• Ферменты, необходимые для производства сыров, хлеба, выпечки, алкогольных напитков, соков, сиропов, глюкозы, и других продуктов также во многих случаях получают при помощи генетически модифицированных микроорганизмов. [12]

Генетическая инженерия позволяет существенно расширить возможности микробиологического производства, повысить микробную продуктивность и сделать биосинтез экономически более выгодным по сравнению с химическим производством. Клонирование в микробную клетку генов определенных метаболических путей позволяет не только существенно увеличить количество конечного целевого продукта, но и добиться синтеза таких несвойственных для микробного метаболизма веществ. Генная инженерия позволяет перевести т.н. «индуцибельные» гены (экспрессируются при наличии в среде определенного соединения), в «конститутивные» (экспрессируются постоянно на высоком уровне). В том случае, если необходимое вещество синтезируется микроорганизмом неприспособленным для роста в культуре, достаточно клонировать гены, отвечающие за синтез этого соединения в другой, хорошо адаптированный для роста в биореакторе штамм. [12]

2.2.3. Другие варианты  применения ГММ

Студенческая исследовательская группа из Университета Ньюкасла вырастила весьма полезных микробов, которые способны «заштопать» мелкие трещины в бетоне с помощью вырабатываемого ими связывающего вещества. Bacillus subtilis или BacillaFilla, как окрестили эту бактерию молодые ученые, проникает в трещины и «расползается» внутри. Достигнув дна трещины, BacillaFilla начинает производить смесь карбоната кальция и бактериального клея. Этот «строительный раствор», заполненный нитеобразными бактериальными клетками, связывает стенки трещины, увеличивая прочность конструкции и продлевая срок её эксплуатации. [Приложение 4, рис.1]. Руководитель проекта, доктор Дженнифер Холлинен (Jennifer Hallinan) говорит, что «бактериальный» способ ремонта будет более благоприятным для окружающей среды, чем производство бетона и возведение новых конструкций. «Это может быть особенно полезным в сейсмоопасных районах, где сотни зданий идут на снос только потому, что в настоящее время нет простого способа их ремонта». Споры BacillaFilla начинают прорастать только при контакте с бетоном, реагируя на специфический рН материала. В геном бактерии встроен ген «самоуничтожения», поэтому она не способна выжить в условиях окружающей среды. Сформировавшиеся на поверхности бетона бактериальные клетки начинают проникать в трещины на его поверхности. В районе дна трещины бактериям становится «тесно» и клетки начинают слипаться друг с другом. Это служит сигналом к началу дифференциации бактериальных клеток. Одни из них начинают вырабатывать карбонат кальция, другие – бактериальный клей, а третьи выступают в роли «армирующего волокна». В результате такого разделения труда трещина заполняется связывающим веществом и перестает представлять угрозу прочности конструкции. [13]

Американские ученые из Калифорнийского университета в Сан-Франциско создали некое подобие фотопленки из генетически модифицированных бактерий. Как сообщает New Scientist, в ходе экспериментов команда Криса Войта, применяла кишечные палочки E.coli, которые в процессе жизнедеятельности не используют свет. Для того чтобы придать E.coli нужные свойства, ученые поместили в клеточную мембрану бактерии гены сине-зеленой морской водоросли. В результате кишечная палочка «научилась» реагировать на красный свет. Далее колония бактерий с генетически модифицированным кодом была помещена в среду со специальными молекулами-индикаторами. При облучении полученной «фотопленки» красным светом происходит отключение одного из генов E.сoli, что, в свою очередь, приводит к изменению цвета индикатора. Таким образом, меняя состояние бактерий на определенных участках «биопленки», можно формировать монохромный рисунок. Причем благодаря микроскопическим размерам бактерий изображения, если их можно так назвать, имеют рекордное разрешение - до 100 миллионов пикселей на квадратный дюйм. Правда, на получение каждого «кадра» уходит порядка четырех часов. Исследователи отмечают, что их разработка вряд ли когда-либо найдет применение в сфере традиционной фотографии. Однако новая методика может привести к появлению «нанофабрик», способных синтезировать определенные вещества точно в тех местах, на которые попадает свет. В настоящее время команда Криса Войта продолжает исследования и пытается создать живую фотопленку, способную воспроизводить несколько цветов. [12]

2.3. Использование трансгенных  растений

Несмотря на впечатляющие достижения генетической инженерии в области медицины, наибольший резонанс в обществе, однако, вызвало применение генетически модифицированных организмов для производства сельскохозяйственной продукции. Сейчас в мире уже существуют множество растений (кукуруза, соя, хлопок, рапс, томат, картофель и т.д.) устойчивых к гербицидам, насекомым, вирусам, с улучшенными качественными характеристиками.

Одной из основных проблем сельскохозяйственного производства является борьба с сорняками. Генетическая инженерия решает эту проблему довольно просто. Достаточно перенести в генетический материал растения нужный ген от устойчивых к гербицидам микроорганизмов. Среди всех трансгенных культур гербицидустойчивые формы составляют подавляющее большинство, т.к. это позволяет существенно снизить издержки производства за счет эффективного контроля над сорными растениями. [5]

Безусловным лидером среди всех трансгенных культур является соя, устойчивая к гербициду глифосфату. Гербицид глифосфат (Раундап) относится к гербицидам тотального действия. Его «мишенью» в растении является фермент 5-энолпирувилшикимат-3-фосфат синтаза (EPSPS), который играет важную роль в синтезе ароматических аминокислот (тирозина, фенилаланина, триптофана). Под действием гербицида у неустойчивых к нему растений наблюдаются симптомы азотного голодания, и они погибают в течение 2 недель. В выращиваемых во всем мире трансгенных коммерческих сортах сои встроен мутантный ген cp4 от почвенной бактерии Agrobacterium tumefaciens CP4. Генетическая конструкция, созданная с помощью технологии рекомбинантных ДНК для переноса этого гена в растения, содержит также промотор CaMV35S от вируса мозаики цветной капусты, терминальную последовательность от гена nos нопалинсинтазы Agrobacterium tumefaciens и небольшую последовательность, кодирующую хлоропластный транзитный пептид от петунии, необходимый для доставки мутантного EPSPS к хлоропластам – месту синтеза ароматических аминокислот в клетке. Для переноса этой конструкции в генетический материал сои использован метод «бомбардировки» клеток  с помощью «генной пушки». [3]

Второй ключевой проблемой растениеводства является повышение эффективности контроля численности насекомых-вредителей сельскохозяйственных культур. Среди биопестицидов широко используется так называемый Bt-токсин, получаемый из Bacillus thuringiensis. Токсин, как утверждают специалисты губителен для насекомых и совершенно безвреден для млекопитающих. Так, Bt-ген регулируется фоточувствительным промотором, он экспрессируется на свету в 100 раз сильнее, чем в темноте. Соответственно в клубнях Bt-протеина образуется в 100 раз меньше, чем в листьях. [4]

Еще одно важное направление генетической инженерии – селекция сортов, устойчивых к стрессовым факторам среды: засухе, жаре, холоду, повышенному засолению почвы. Идет работа над выделением, клонированием и переносом в растения трансгенов, кодирующих образование различных осмопротекторов (ионов, протеинов, аминокислот, сахаров), регулирующие содержание ненасыщенных жирных кислот в мембранах клеток. С помощью генной инженерии повышают урожайность сельскохозяйственных растений. Например, встраивание в геном картофеля гена фитохрома В от арабидопсиса приводит к повышению интенсивности фотосинтеза и увеличению урожая клубней. [3]

Сейчас ведутся работы и получены обнадеживающие результаты по созданию кофе без кофеина, табака без никотина, арахиса, не содержащего характерных для него аллергенов. Создан «золотой» рис: в него перенесли 3 гена от разных организмов, необходимых для биосинтеза каротина (гены фитоендесатуразы и ликопин β-циклазы от нарцисса и ген каротиндесатуразы от бактерий). [1]

Японским исследователям удалось получить растения картофеля и табака с встроенным геном человеческого интерферона альфа, который применяют для лечения человека от гепатита С и некоторых форм рака. Созданы растения табака с человеческим интерлейкином 10 (стимулятор иммунитета). Преимущества таких «биофабрик» очевидны. Можно производить вещества, являвшиеся ранее очень редкими и дорогими, практически в неограниченных количествах. При этом не стоит проблема их тщательной очистки, как в случае с генетически модифицированными микроорганизмами. [3]

Большой интерес представляет использование трансгенных растений в целях получения съедобных вакцин для повышения устойчивости организма человека к опасным заболеваниям. Стенки клеток растений обеспечивают эффективную защиту находящегося в них антигена в ротовой полости и в желудке. «Упакованный» антиген эффективно достигает кишечника, где индуцирует иммунный ответ на уровне слизистых оболочек. Важной особенностью съедобных вакцин является их потенциальная дешевизна, биологическая биобезопасность, простота хранения и применения. Концепция производства вакцин в трансгенных растениях впервые сформулировали Х.Мэйсон с соавторами (1992 г.). Они получили картофель, экспрессирующий поверхностный антиген вируса гепатита В. Также сравнительно недавно удалось получить растения бананов, поедание плодов которых индуцирует образование антител к вирусам папилломы. [5]

Направления использования трансгенных растений могут быть совершенно неожиданными. Так, предполагается применять их для очистки почвы от загрязнений нефтью и тяжелыми металлами наряду с микроорганизмами. Самое удивительное, что растения табака с подобными свойствами уже получены. Предполагается использование трансгенных растений для дешевого и гуманного регулирования численности популяций некоторых диких животных. Для этого в геном растения встраивают гены, кодирующие антигены половых клеток (сперматозоидов) или половых гормонов. [6]