Генетична та клітинна інженерія

Генетична (генна) інженерія - це прикладна галузь молекулярної генетики та біохімії, яка розробляє методи перебудови геномів організмів вилученням або введенням окремих генів чи їхніх груп: синтез генів поза організмом; виділення з клітин та перебудову окремих генів або їхніх частин; копіювання та розмноження виділених або синтезованих генів; введення генів чи їхніх груп у геном інших організмів; експериментальне поєднання різних геномів в одній клітині.

Об'єктами досліджень цієї галузі є переважно прокаріоти, хоча вчені працюють і з генами еукаріот. Так, тривають експерименти із перенесенням генів еукаріот у клітини бактерій. У геном бактерій було введено гени, які кодують інсулін пацюка та людини, гени рРНК дрозофіли та жаби тощо. Вбудовані гени нормально зчитуються в клітині бактерії, завдяки чому вона синтезує відповідні сполуки (гормон інсулін, рРНК). Подібні методи застосовують у біотехнології. Наприклад, у клітинах бактерії - кишкової палички - синтезовано інсулін людини, необхідний у лікуванні цукрового діабету. Методами генетичної інженерії одержано білки-інтерферони, які захищають організм людини і тварин від вірусних захворювань (припиняють розмноження вірусів), гормон росту, що дає можливість лікувати деякі форми карликовості. Перелік медичних препаратів, вироблених за допомогою методів генетичної інженерії, щорічно зростає.

Синтез генів поза організмом уперше здійснив у 1969 році в США індійський учений Г.Хорана (ген аланінової тРНК дріжджів, який складається з 77 пар нуклеотидів). Згодом дослідникові вдалося синтезувати функціонально активні гени бактеріофагів. Але штучний синтез генів - досить складний процес, особливо якщо вони складаються з великої кількості нуклеотидів. Тому гени простіше виділяти з геному організмів. Наприклад, у 1969 році вперше вдалося за допомогою бактеріофагів виділити в чистому вигляді гени кишкової палички.

Як переносників синтезованих або виділених генів, крім вірусів, використовують плазміди (отримані головним чином з бактерій). Плазміди - позахромосомні фактори спадковості, генетичні елементи, здатні існувати у клітині в стані, не пов'язаному з хромосомами. Вони (наприклад, генетичний апарат мітохондрій, хлоропластів) найчастіше являють собою кільцеві дволанцюгові молекули ДНК.

Із клітин, які містять у своєму геномі певний ген, виділяють іРНК, на якій, як на матриці, синтезують нитку комплементарної ДНК. Унаслідок цього виникає ДНК-РНК-комплекс, з якого вилучають іРНК, а на нитці ДНК, що залишилася, синтезують за принципом комплементарності другу нитку. Створену таким чином молекулу ДНК вбудовують у кільцеву молекулу ДНК плазміди, яка слугує переносником.

Іншим способом є дробіння молекули ДНК, що підлягає перенесенню, з наступним сполученням утворених фрагментів з молекулою ДНК переносника, яку для цього переводять у лінійну форму. Перенесення метафазних хромосом з однієї еукаріотичної клітини в іншу - ще один напрям генної інженерії. Такі хромосоми звичайно розпадаються на фрагменти, одні з яких втрачаються, а інші вбудовуються у хромосому клітини-хазяїна і можуть у них функціонувати.

У клітини еукаріотів, наприклад рослин, молекули ДНК можна вводити за допомогою скляної голки (мікроін'єкції ДНК). Молекули ДНК та цілі хромосоми також вводять за допомогою лізосом. Це оточені подвійним ліпідним шаром порожнисті кульки діаметром близько 100нм. Молекулу ДНК вносять всередину лізосоми, яку потім вводять в клітину. Ліпідний шар захищає ДНК від розкладу ферментами клітини.

Перед генетичною інженерією, незважаючи на її відносну молодість, відкриваються значні перспективи. Крім вирішення практичних питань (підвищення продуктивності штамів мікроорганізмів, перенесення в клітини прокаріот генів еукаріот, які відповідають за синтез важливих сполук - вітамінів, гормонів, ферментів тощо), у майбутньому генетична інженерія буде здатна вирішувати більш глобальні завдання. Серед них: видалення дефектних алелів певних генів на ранішніх етапах онтогенезу і заміна їх нормальними алелями; поєднання в одному геномі генів різних організмів тощо. Наприклад, перспективним є напрям, пов'язаний із перенесенням генів, які визначають здатність до фіксування атмосферного азоту, з клітин бульбочкових бактерій у клітини вищих рослин. Розв'язання цієї проблеми сприяло б економії коштів, які витрачаються на виробництво і внесення азотних добрив.

Результати досліджень генетичної інженерії мають винятково важливе значення і для теоретичної біології. Завдяки їм зроблено важливі відкриття щодо тонкої будови генів, їхнього функціонування, структури геномів різноманітних організмів. Для подальшого розвитку генетичної інженерії необхідним є створення банків генів — колекцій генів різноманітних організмів — об'єктів генетичних досліджень, які вбудовані в плазміди та інші переносники і зберігаються при низьких температурах.

Унаслідок накопичення величезної маси даних у різних галузях біології, зокрема розшифрування нуклеотидних послідовностей у ДНК окремих хромосом і геномів різних видів, виникла окрема галузь знань – біоінформатика. Одним з її напрямів є застосування математичних методів і комп’ютерної техніки для збереження та аналізу цієї інформації.

Методами генної інженерії в геном рослин вводять певні гени, які забезпечують стійкість до дії пестицидів, шкідників, збудників захворювань, інших несприятливих факторів довкілля. Зокрема, до геному багатьох сортів картоплі вбудовано гени бактерій, що роблять цю рослину неїстівною для колорадського жука. Генетично модифіковані організми часто мають підвищені показники продуктивності та плодючості, що важливо для розв’язання проблеми забезпечення людства продуктами харчування.

З 1996р. у США, Канаді, Аргентині та інших країнах розпочали масово вирощувати генетично змінені рослини. Але до таких організмів, доки вони не пройдуть належної всебічної перевірки, слід ставитися обережно. Є дані, що споживання генетично змінених рослин в їжу може спричинити у людини харчові отруєння та алергії, погіршення стану здоров’я. Невідомо також, впливатиме чи ні їхнє споживання на генотип людини та як генетично змінені організми впливатимуть на природні екосистеми, їхнє біологічне різноманіття. в Україні прийнято закон «Про державну систему біобезпеки під час здійснення генетично-інженерної діяльності». Він передбачає обов’язкову наукову оцінку ризику застосування генетично змінених організмів.

Процес створення транс генних тварин складніший, ніж рослин. Після народження нащадків сурогатною матір’ю, їх перевіряють на наявність введених генів. Для цього ймовірних транс генних істот схрещують зі звичайними. У разі підтвердження наявності введених генів у нащадків їх схрещують між собою для отримання чистих транс генних ліній.

Робота з геномами вищих організмів, крім технічних труднощів, пов'язана також із проблемами етичного плану. Втручання в генотип хребетних тварин, особливо людини, навіть з кращими намірами, може призвести до непередбачених наслідків.

Клітинна (тканинна) інженерія - галузь біотехнології, у який застосовують методи виділення клітин з організму і перенесення їх на штучні поживні середовища, де ці клітини продовжують жити та розмножуватись. Такі культури дають змогу отримувати важливі сполуки: вітаміни, гормони, фітогормони, цілющі препарати в потрібних кількостях, що значно знижує їх собівартість. Вони слугують для різноманітних експериментів, наприклад, вивчення дії лікарських препаратів та інших речовин. Культури клітин застосовують і для культивування вірусів, які згодом можуть бути використані як переносники у генній інженерії, для діагностики вірусних захворювань чи отримання вакцин.

Методами клітинної інженерії здійснюють віддалену гібридизацію соматичних клітин різних видів, родів, родин і порядків (рядів) організмів, завдяки чому вдається схрещувати організми, гібридизація яких статевим шляхом неможлива (людини і миші, людини і моркви, курки і дріжджів). Це дає змогу створювати препарати, які підвищують стійкість проти різних захворювань. Так, культури гібридів нормальних клітин з раковими на штучних поживних середовищах виробляють антитіла, що знищують клітини злоякісних пухлин, не діючи на здорові.

Одним з напрямів клітинної інженерії є використання стовбурових клітин для відновлення ушкоджених тканин чи органів. У лабораторних умовах можливі розмноження та подальша спеціалізація стовбурових клітин. Це відкриває перспективи штучного вирощування тканин та деяких органів людини і тварин з метою їхнього подальшого введення в організми.

Перспективним напрямом клітинної інженерії є клонування організмів. Клоном (від грец. клон - гілка, нащадок) називають сукупність клітин або особин, які виникли від спільного предка нестатевим шляхом. Клон складається з генетично однорідного матеріалу. Методика клонування тварин: з незаплідненої яйцеклітини видаляють ядро і пересаджують у неї ядро соматичної клітини іншої особини. Таку штучну зиготу пересаджують у матку самки, де розвивається ембріон. Ця методика дає можливість одержувати від цінних за своїми якостями плідників необмежену кількість потомків, які є їхньою точною генетичною копією. Методом клонування з окремих гібридних соматичних клітин вирощують і організми рослин.

Ще одним напрямом клітинної інженерії є створення химерних організмів. Химерні організми – штучно створені істоти, які мають клітини, що належать різним біологічним видам. Учені, які створюють химерні організми, стверджують, що це допоможе розробляти нові способи лікування раку або цукрового діабету. Але такі досліди небезпідставно викликають негативне ставлення не тільки з боку простих людей, а й з боку вчених.