Технологии биотехнологии: генная инженерия и клонирование

Начало брошюры см. здесь.

Метод рекомбинантных ДНК для многих специалистов является краеугольным камнем здания биотехнологии. Создание рекомбинантной ДНК буквально означает объединение (рекомбинирование) двух отрезков ДНК разных видов.

Люди начали избирательно комбинировать генетический материал одомашненных растений и животных одного вида (или, реже, близкородственных видов) уже тысячи лет назад. Для этого они производили отбор особей, обладающих полезными качествами и пригодных для выведения потомства. С помощью скрещивания таких наиболее ценных особей и и отбора (селекции) для дальнейшего размножения лучших из их потомков человек изменил изначальный набор генетического материала одомашненных животных и растений. В настоящее время к методу селективного скрещивания добавился метод комбинирования генов на молекулярном уровне с помощью точнейших методов генной инженерии.

Независимо от того, каким методом она достигается, принцип генетической модификации остается неизменным, однако существует принципиальное различие:

– при селективном скрещивании происходит перенос больших наборов неизвестных генов между родственными организмами;

– в отличие от этого, генная инженерия позволяет перемещать единичные гены, обладающие известными функциями, из одного организма в любой другой, например, от животных к растениям или от микроорганизмов к животным.

Чем более точными становятся проделываемые нами операции и более предсказуемыми получаемые результаты, тем сильнее снижается риск появления организмов с неожиданными и нежелательными характеристиками. Кроме того, при этом отпадает необходимость в трудоемком и длительном методе проб и ошибок, используемом традиционной селекцией. Постепенное увеличение спектра живых оргазмов – источников полезных генов – со временем позволит нам использовать весь потенциал природного многообразия.

Методики повышения предсказуемости и точности селективного скрещивания с течением времени постоянно совершенствуются. В начале 90-хх Гуго де Фриз (Hugo DeVries) в Голандии, Карл Корренс (Karl Correns) в Германии и Эрик Чермарк (Eric Tshermark) в Австрии заново открыли законы наследственности Менделя. В 1953 году Джеймс Уотсон (James Watson) и Френсис Крик (Francis Crick), исходя из результатов экспериментов и построения моделей, создали двухцепочечную модель ДНК. В 1972 году Пол Берг (Paul Berg) с коллегами с помощью рестрикционных ферментов синтезировали первую рекомбинантную молекулу ДНК. Десять лет спустя первый рекомбинантный лекарственный препарат (человеческий инсулин), синтезированный с помощью рекомбинантной ДНК, появился на фармацевтическом рынке. В 2000 году человеческий геном был полностью секвенирован и в настоящее время метод рекомбинантных ДНК в совокупности с методом молекулярного клонирования используется для достижения следующих целей:

– производство новых лекарственных препаратов и безопасных вакцин;
– лечение некоторых генетических заболеваний;
– создание биоконтролирующих агентов для сельского хозяйства;
– повышение урожайности и снижение стоимости продукции;
– снижение аллергенности некоторых продуктов;
– улучшений питательных свойств продуктов;
– разработка биодеградирующих пластмасс;
– снижение уровня загрязненности воды и воздуха;
– замедление скорости порчи пищевых продуктов;
– контроль над вирусными заболеваниями;
– снижение воспалительных реакций.

Клонирование

Технология клонирования позволяет нам получать популяцию генетически идентичных молекул, клеток, растений или животных. Область применения клонирования чрезвычайно широка. При разработке и осуществлении любого законодательного или распорядительного акта, регулирующего работы в области клонирования, необходимо уделять пристальное внимание точному определению употребляемого термина. Это позволит пресечь осуществление определенных видов деятельности, в то время как другие не будут необоснованно запрещены.

Молекулярное, или генетическое клонирование

Молекулярное, или генетическое клонирование – процесс создания генетически идентичных молекул ДНК – является основой молекулярной биологии, фундаментальным методом биотехнологических исследований, а также основой развития и коммерциализации биотехнологии. Подавляющее большинство практических приложений биотехнологии, начиная с разработки лекарственных препаратов и заканчивая созданием трансгенных культур, основывается на методах генетического клонирования.

К открытиям, сделанным с помощью молекулярного клонирования, относятся:

– идентификация, локализация и описание генов;
– создание генетических карт и секвенирование целых геномов;
– проведение параллелей между генами и ассоциированными с ними признаками;
– установление молекулярной основы проявления признаков.

Более подробно о молекулярном клонировании вы узнаете в одной из следующих глав.

Клонирование животных

Уже в 50-х годах клонирование животных стало важным исследовательским приемом, а за последние два десятилетия позволило существенно улучшить характеристики поголовья крупного рогатого скота. Не всем известно, что получившая широкую огласку клонированная в 1997 году овца Долли была не первым клонированным животным. Создание Долли было признано научным прорывом не потому, что она была клоном, а потому, что в качестве генетического материала для ее создания была использована не эмбриональная клетка, а клетка взрослого организма.

Метод рекомбинантных ДНК, совместно с методом клонирования животных, обеспечивает нас превосходными животными моделями для изучения заболеваний человека, процессов старения и формирования злокачественных новообразований. В будущем эти приемы могут быть использованы для разработки новых лекарственных средств и оценки эффективности таких методов лечения как генная и клеточная терапии. Клонирование животных также предоставляет возможность спасения видов, находящихся под угрозой вымирания.

Существует два различных способа создания идентичных генетических копий таких животных как овца или лабораторная мышь.

Искусственное разделение эмбриона является устаревшим методом клонирования. Этот метод как бы повторяет в лабораторных условиях естественный процесс образования идентичных однояйцовых близнецов в материнской матке. Исследователи производят физическое разделение эмбриона на отдельные клетки, в результате чего каждая из них начинает развиваться отдельно. Образующиеся в результате этого эмбрионы внедряются в матку суррогатной матери, которая обеспечивает их вынашивание и рождение. Так как эмбрионы происходят из одной зиготы (оплодотворенной яйцеклетки), они являются генетически абсолютно идентичными.

Перенос ядра соматической клетки начинается с выделения из организма соматической клетки – любой клетки, не участвующей в процессе репродукции (т.е. любой, кроме половых клеток: сперматозоидов и яйцеклеток). У млекопитающих любая соматическая клетка содержит полный, двойной набор хромосом (в каждой паре одна хромосома получена от материнской яйцеклетки, вторая – от отцовского сперматозоида). Геном любой половой клетки состоит только из одного хромосомного набора. Для создания овцы Долли исследователи переместили ядро соматической клетки, полученной от взрослой овцы, в яйцеклетку, ядро которой было предварительно удалено. После проведения определенных химических манипуляций яйцеклетка с подмененным ядром начала вести себя как свежеоплодотворенная яйцеклетка. В результате ее деления сформировался эмбрион, который был имплантирован суррогатной матери и выношен в течение полного срока беременности.