Основные этапы развития генетики. Генетическая инженерия

В результате интенсивного развития методов генетической инженерии получены клоны множества генов рибосомальной, транспортной РНК, гистонов, глобина мыши, кролика, человека, коллагена, овальбумина, инсулина человека и других пептидных гормонов, интерферона человека и т.д. Это позволило создавать штаммы бактерий, производящих многие биологически активные вещества, используемые в медицине, сельском хозяйстве и микробиологической промышленности.

Триумфом генетики явилась разработка технологии получения искусственного инсулина. Применявшийся ранее для лечения больных сахарным диабетом животный инсулин получали из поджелудочной железы свиней и телят, он был дорог и количество его было недостаточным. Отличаясь от человеческого всего одной аминокислотой, животный инсулин вызывал много побочных явлений, в т.ч. нарушение работы почек, нарушение зрения, аллергию; сохранялась возможность вероятного переноса вирусов от животных к людям.

С помощью методов генетической инженерии в клетках E.coli был осуществлен синтез молекулы проинсулина. Используя матричную РНК проинсулина, с помощью ферментов синтезировали комплементарную ей молекулу ДНК, которая представляла собой практически точную копию гена инсулина; к ней «пришили» несколько регуляторных составляющих и перенесли конструкцию в генетический материал E. сoli. Теперь рекомбинантный инсулин в неограниченном количестве производится на микробиологических предприятиях. Он дешев для производителя и безопасен для пациентов.

Аналогичным образом получен и ряд других гормонов, в частности, гормон роста – соматотропин, вырабатывающейся у человека в гипофизе и регулирующий рост, развитие организма. Нехватка этого гормона теперь замещается продуктом генной инженерии.

По технологии рекомбинантных ДНК в настоящее время получают безопасные и дешевые вакцины против вирусных заболеваний (гепатита, полиомиелита, краснухи, гриппа и пр.). Разрабатываются также вакцины для лечения онкозаболеваний, шизофрении, болезни Альцгеймера, наследственных болезней.

Наиболее значимы достижения генетической инженерии в производстве сельскохозяйственной продукции. Учитывая нехватку пищевых ресурсов на Земле, а также экологические проблемы, возникающие при интенсивном земледелии, продукты генетической инженерии имеют большую перспективу.

В настоящее время свыше 55% площадей под соей (источником доступного полноценного белка) занято генно-инженерными сортами, а также – свыше 20% хлопка, свыше 20% кукурузы и т.д.

При выращивании генно-инженерных сортов  снижаются издержки производства и значительно увеличивается продуктивность растений. Также появляются ощутимые социальные и экологические выгоды: сокращение  обработки полей пестицидами, использование более щадящих гербицидов, отказ от вспашки уменьшают как химическую нагрузку на почву, воду, организмы, живущие в почве, так и уменьшение интенсивности использования сельскохозяйственной техники уменьшают выбросы CO2 в атмосферу.

Для борьбы с сорняками используют гербициды двумя способами: 1) внося в почву перед посадкой  (посевом) растений  и 2) обработкой вегетирующих растений в течение всего сезона. Но создается угроза культурным растениям, не устойчивым к этим гербицидом.

Генетическая инженерия решает эту проблему по-своему и довольно просто. В генетический материал растения переносят нужный ген от устойчивых к гербициду микроорганизмов.

Лидером среди трансгенных культур является соя. Сздано свыше 1000 ее сортов, устойчивых к гербициду глифосфату (раундапу). Гербицид глифосфат влияет в растениях на фермент EPSPS, ингибирование которого ведет к азотному голоданию и гибели чувствительных растений. В генетически модифицированных сортах сои образуется два типа одного и того же фермента EPSPS. Первый, свой собственный, чувствительный к гербициду и второй, привнесенный от бактерии, который не связывается с гербицидом глифосфатом; наличие второго  типа фермента обеспечивает выживание растений сои после обрабртки поля глифосфатом.

Борьба с насекомыми-вредителями актуальна для сельхозпроизводтства. Для борьбы с вредителями чаще всего используют пестициды. Химические пестициды являются очень агрессивными химическими веществами, загрязняющими природу, опасными для человека. Биологические – малоэффективны.

Среди биопестицидов известен Bt-токсин, который выделяют почвенные бактерии Bacilius  thurigiensis. Они способны вырабатывать токсичные для определенных видлв насекомых продукты. Т.е. Bt-токсин (он же – Bt – протеин, т.к. токсины являются белками), выделенный от одного определенного штамма бактерий, способен убивать определенный вид насекомых, например, жуков, и не действовать на другие виды (например, бабочек, пчел). Попадая в пищеварительный тракт чувствительного к нему насекомого, Bt-пептид расщепляется под действием пищеварительных ферментов и вызывает лизис (растворение) клеток, который приводит к образованию пор. Насекомое перестает питаться, обезвоживается и погибает. У нечувствительных к конкретному Bt-протеину насекомых  происходит его переваривание в пищеварительном тракте, как и любой другой пищи.

Разные  виды трансгенных  Bt-протеинов  введены  в сорта кукурузы, хлопка, картофеля и других культур. При этом растения становятся защищенными от опасных вредителей, упрощается уход за посадками,  увеличивается  урожайность, улучшается качество продукции.

Вирусные болезни поражают растения, размножающиеся вегетативным путем (черенками, клубнями, луковицами и т.д.). Защита от вирусных болезней растений производится путем переноса в их генетический материал гена, кодирующего протеины вирусов – ферментов репликазы, РНКазы.

Большой интерес представляет использование трансгенных растений в целях получения съедобных вакцин для повышения устойчивости организма к опасным заболеваниям. Для этого в генетический материал растения переносят небольшой фрагмент ДНК какого-либо патогена (чаще всего вируса). В результате в плодах такого трансгенного растения образуется определенный протеин, характерный для патогена. При поедании этот протеин  достигает тонкого кишечника, где всасывается в кровь. Здесь он выступает в качестве чужеродного агента – антигена, к которому организм, благодаря естественному иммунитету, начинает вырабатывать антитела. Теперь, в случае попадания в организм активных вирусов, в организме уже имеется система обороны. Таким способом получены растения бананов, при употреблении их плодов в пищу индуцируется образование антител к вирусам  папилломы человека.

Ряд проектов направлен на улучшение потребительских свойств продуктов, вырабатываемых животными или из животных. Например, улучшение качества шерсти овец; выведение с помощью технологии генной инженерии  пород крупного рогатого скота, в молоке которого снижена концентрация p-лактоглобулина (основного аллергена коровьего молока), или повышено содержание кальция, или  изменен белковый состав и т.д.

Примеров использования трансгенных организмов можно приводить очень много. Очевидно, за этими технологиями будущее.

Но прогресс генетической науки порождает целый спектр проблем требующих серьезного осмысления. В первую очередь, этических. Насколько допустимо вмешиваться в генетическую базу растений, животных и главное, человека? Появившиеся возможности клонирования индивидуальных генов, создания подробных генетических карт человека, животных, идентификации генов, мутации которых сопряжены с тяжелыми наследственными недугами, разработки методов биотехнологии и генной инженерии, позволяющих получать организмы  с заданными наследственными признаками, а также проводить генотерапию наследственных заболеваний существенно увеличивают степень ответственности ученых за судьбы человечества.