Генная инженерия

Генная инженерия - это является биотехнологическим приемом направленного конструирования рекомбинантных молекул ДНК на основе ДНК, взятой из различных источников.

Методы

Генная инженерия основывается на молекулярной биологии, которая дает возможность вносить изменения в молекулярную взаимодействие основных биологических молекул в клетке и вне ее.

Биологи овладели методами, которые дают возможность манипулировать биологическими молекулами, исследовать и изменять их структуру. За счет изменений в основных биологических молекулах ДНК является возможность создавать варианты живых систем, которые не возникают в результате естественной эволюции.

Технологии получения рекомбинантных молекул ДНК и клонирования (размножения) генов предшествовали методы, с помощью которых молекулу ДНК расщепляют на фрагменты, модифицировать и снова реконструируют в одно целое. При этом имеют много копий этой молекулы. Затем, используя эту рекомбинантную молекулу, можно синтезировать молекулы РНК и получить белок с определенными качествами и свойствами.

История

Следует отметить, что четкого различия между молекулярной биологией и генной инженерией нет. Объясняется это тем, что биотехнология (в данном случае генная инженерия) использует методы, разработанные молекулярной биологией.

Изучение общих биохимических свойств клеточной ДНК не давало возможности определить особенности ее генетической структуры. Решению этого вопроса способствовали два метода молекулярной биологии. Первый метод - открытие гидролитических ферментов (рестриктаз рестрикционных эндонуклеаз), которые в определенных местах расщепляют ДНК на фрагменты, имеющие специфическую нуклеотидную последовательность молекулы ДНК. Рестриктазы получают из бактериальных клеток.

Ферменты рестриктазы гидролизуют нуклеотидные последовательности, в результате чего должны фрагменты ДНК. их может быть от нескольких сотен до нескольких тысяч и более пар, они различаются по молекулярной массе. Фрагменты выделяют в изолированном виде с помощью электрофореза в геле, а затем анализируют.

Вторым методическим приемом является определение нуклеотидной последовательности фрагментов ДНК, которые получают с помощью рестриктаз в макромолекуле ДНК.

Около 50 лет назад было экспериментально установлено, что молекула ДНК является носителем наследственности. Изучение наследственности на молекулярном уровне позволило установить, что в ДНК запрограммирована «инструкция» по синтезу необходимых белков организма.

Позже было обнаружено, что «инструкция» записана в соответствии с последовательностью размещения нуклеотидов в ДНК и соответственно с этой записью синтезируется белок веществ, участвующих в синтезе.

При определении последовательности нуклеотидов или полном считывании генетической информации в ДНК было много проблем. Для небольшой молекулы - транспортной РНК (тРНК), задачей которой является транспортировать части белков - аминокислоты к месту сборки белка, проблема нуклеотидной последовательности была решена еще в 1965 г. группой американских ученых. Они проработали принципы и методы, с помощью которых можно определить последовательность размещения нуклеотидов в тРНК.

Молекулы ДНК содержат много нуклеотидов. Даже маленькие молекулы включают их более 5000. Так, в одной из наименьших вирусной ДНК фага ФХ174 является 5375 нуклеотидов. В тРНК их примерно 80. В 1975 г. была опубликована статья английских ученых Ф. Сэнгера и А. Коулсон, где говорилось о новом методе анализа ДНК. После этой статьи менее чем через два года были опубликованы результаты определения полной последовательности нуклеотидов ДНК фага ФХ174.

Последовательность размещения нуклеотидов в ДНК обозначают начальными буквами названия нуклеотида: аденин - А, цитозин - Ц, гуанин - Г, тиамин - Т. Так, даже для записи последовательности нуклеотидов маленькой ДНК фага ФХ174, которая имеет 5375 нуклеотидов, требуется около трех страниц машинописи.

Пары азотистых оснований формируют различные информационные блоки, количество которых в геноме (совокупности всех генов хромосомы организма) составляет 50-100 тыс.

Одновременно с определением последовательности размещения нуклеотидов в молекуле ДНК на примере вирусов были определены участки, которые не входят в структуру гена, не кодирующие белки, но участвуют в регуляции экспрессии генов и самовоссоздании (репликации) вирусной ДНК.

В молекулярной биологии разработаны методы выделения генов донорских организмов, ввод их в векторную молекулу и получения гибридных (рекомбинантных) ДНК, обеспечение их самовоспроизведения (репликации), переноса в организм реципиента (клетку-хозяина) и обеспечения осязаемости действия (экспрессии) чужих генов.

Для переноса генов, которых нет в клетке-реципиенте, используют переносчики (векторы) генов - плазмиды (эписомы) - небольшие кольцевые молекулы ДНК, способные к стабильному, не связанного с хромосомами существования и репликации. Плазмиды могут также быть в геноме клетки-хозяина, в хромосоме. Они есть в цитоплазме бактериальных клеток некоторых дрожжей. Автономное существование их обусловлено тем, что их размножения не зависит от размножения хромосом. Размер их различен, и поэтому размер генетической информации у них тоже неодинаков. За счет репликации количество копий плазмид регулярно увеличивается и они равномерно распределяются между потомством клетки, которая делится.

Рекомбинантные молекулы ДНК используются и будут использоваться в работе с микроорганизмами для производства различных ценных веществ в медицине, биохимической промышленности, сельском хозяйстве. Большое значение при этом имеет метод клонирования генов.

Технология конструирования рекомбинантных ДНК является одним из важнейших достижений биотехнологии. Относительно растениеводства она имеет большое будущее в создании сортов и гибридов полезных биологическими и экологическими свойствами. Это - высокие урожайность и качество урожая, устойчивость против болезней, вредителей, сорняков, способность к активной азотфиксации, одновременность созревания, засухоустойчивость, высокий коэффициент усвоения ФАР (высокая производительность) и др.

Генная инженерия и сельское хозяйство

На сегодняшний день генетическая инженерия сельскохозяйственных растений развивается преимущественно в русле классической селекции. Основные усилия ученых сосредоточены на защите растений от неблагоприятных (биотических и абиотических) факторов, улучшении качества и уменьшении потерь при хранении продукции растениеводства. В частности, это повышение устойчивости против болезней, вредителей, заморозков, солонцеватости почвы и т.п., удаление нежелательных компонентов из растительных масел, изменение свойств белка и крахмала в пшеничной муке, улучшения лежкости и вкусовых качеств овощей и др. Сравнению с традиционной селекцией, основными инструментами которой являются скрещивания и отбор, генная инженерия позволяет использование принципиально новых генов, определяющих агрономически важные признаки, и новых молекулярно-генетических методов мониторинга трансгенов (молекулярные маркеры генов), во много раз ускоряют процесс создания трансгенных растений. Селекционеров привлекает возможность целенаправленного генетического "ремонта" растений. Важным направлением является создание генетически модифицированных растений (ГМР) с признаком мужской стерильности. Кроме того, благодаря генетической модификации растения могут выполнять не свойственную им ранее функцию. Примером является корнеплоды сахарной свеклы, которые накапливают вместо сахарозы низкомолекулярные фруктами, бананы, которые используют как съедобную вакцину. Благодаря введению генов бактерий высшие растения приобретают свойства разрушать чужеродные органические соединения (ксенобиотики), загрязняющих окружающую среду. Выращивание ГМР, устойчивых к широкому спектру болезней и насекомых-вредителей, может существенно снизить, а в дальнейшем свести к минимуму пестицидную нагрузки на окружающую среду.