Genetski (genski) inženiring

Genetski (genski) inženiring– oblikovanje umetno genetske strukture in dedno spremenjeni organizmi. Genetski inženiring je del (uporabna veja) molekularne genetike, ki je povezan s ciljno tvorbo novih molekul DNK, ki se lahko razmnožujejo v gostiteljski celici. V tem primeru pride do umetne, namenske spremembe genotipa organizma (mikroorganizma) in oblikovanja novih lastnosti in lastnosti. Genski inženiring se ukvarja z dešifriranjem zgradbe genov, njihovo sintezo in kloniranjem, vstavljanjem genov, izoliranih iz celic živih organizmov, v rastlinske in živalske celice z namenom specifičnega spreminjanja njihovih genetskih lastnosti.

Dobro razvite metode genskega inženiringa so transgeneza, mikrobiološka sinteza itd.

Transgeneza– prenos genov iz ene vrste organizma v drugo. Transgeneza se izvaja z rezanjem in šivanjem odsekov DNK s sodelovanjem encimov - restrikcijskih encimov in ligaz.

Faze transgeneze:

a) izolacija genov (fragmentov DNK) iz bakterijskih, rastlinskih ali živalskih celic z uporabo encima restrikcijskih encimov;

b) povezava (povezovanje) genov (fragmentov DNA) s plazmidom z uporabo encima ligaze;

c) vnos hibridne plazmidne DNA, ki vsebuje želeni gen, v gostiteljsko celico;

d) kopiranje (kloniranje) tega gena v gostiteljski celici in zagotavljanje njegovega delovanja po shemi: "koda DNK - transkripcija - prevod - protein"

Orodja za genski inženiring so encimi, odkriti leta 1974 - restrikcijski encimi (restrikcijske endonukleaze). Restrikcijski encimi prepoznajo odseke (mesta) DNK in naredijo reze v verigah DNK. Na koncih vsakega fragmenta se oblikujejo enonitni repi, imenovani " lepljivi konci" saj se zaradi komplementarnosti lahko tako rekoč držijo skupaj.

Restrikcijski encimi prepoznajo specifično zaporedje nukleotidov DNA v dvoverižni DNA. Restrikcijski encim se nato pritrdi na prepoznano mesto nukleotida in ga prereže na mestu pritrditve. Pogosteje restrikcijski encimi prepoznajo regije 4–6 nukleotidnih parov v molekuli DNA in prerežejo obe verigi DNA na sredini teh regij ali običajno z zamikom. Primeri restrikcijskih encimov: restrikcijski encim Eco RI, ki prepozna fragment DNA šestih nukleotidov GAATTC (mesto reza med nukleotidoma G in A obeh verig DNA); restrikcijski encim Hind III prepozna regijo AAGCTT (mesto reza med nukleotidoma A in A obeh verig DNA); restrikcijski encim Bam jaz prepozna regijo GGATCC (mesto reza med nukleotidoma G in G obeh verig DNK); restrikcijski encim Hae III prepozna odsek GGC (mesto reza med nukleotidoma G in C obeh verig DNK); restrikcijski encim Hpa II prepozna regijo CCGG (mesto reza med nukleotidoma C in C obeh verig DNA).

Nato je za izdelavo gensko spremenjenega organizma potrebno v celico tega organizma vnesti želeni gen. Vnos tujih genov v telo poteka z uporabo plazmidni vektor. Vektor je plazmid – majhna krožna molekula DNA ki se ekstrahira iz citoplazme bakterijske celice. Plazmidi– dejavniki dednosti, ki se nahajajo izven kromosomov, ki predstavljajo ekstrakromosomska DNA.

riž. 37.

A– Shema za vnos tuje DNA v bakterijski plazmid z uporabo encimov (restrikcijske endonukleaze in ligaze).

B– Shema prenosa človeških genov, odgovornih za sintezo hormona insulina in tvorbo vektorske DNA.

Lastnosti plazmida: 1) ima sposobnost avtonomne replikacije; 2) vsebuje gene, ki kodirajo antibiotike; 3) se lahko integrirajo v kromosom prejemne celice; 4) prepozna dele DNA, ki jih lahko režejo restrikcijski encimi; 5) restrikcijski encim lahko prereže plazmid in ga prenese v linearno stanje. Raziskovalci uporabljajo te lastnosti plazmida za pridobivanje rekombinantna (hibridna) DNA.

Zaporedje vnosa DNA v plazmid (plazmidni vektor) z uporabo restrikcijskega encima(Slika 37 A):

1) omejitev– rezanje molekule DNA z restrikcijskim encimom, tvorba fragmentov DNA in izolacijo potrebnega gena;

2) vključitev izoliranega gena v plazmid, tj. pridobivanje rekombinantne (hibridne) DNA z vnosom fragmenta tuje DNA v plazmid;

3) podvezovanje– encimsko zamreženje ligaza plazmid (vektor) in tuji fragmenti DNA; v tem primeru so konci vektorja in tuje DNK (tako imenovani »lepljivi konci«) komplementarni drug drugemu;

4) transformacija– vnos rekombinantnega plazmida v genom druge celice (celice prejemnice), zlasti bakterijske celice.

Upoštevati je treba, da plazmidi prodrejo le v del tretiranih bakterij. Transformirane bakterije skupaj s plazmidi pridobijo rezistenco na določen antibiotik, kar omogoča njihovo ločitev od netransformiranih bakterij, ki poginejo na gojišču z antibiotikom. Vsaka od transformiranih bakterij, postavljena na hranilni medij, se razmnožuje in tvori kolonijo več tisoč potomcev - klon.

5) presejanje– izbor med transformiranimi bakterijami tistih, ki vsebujejo plazmide z želenim genom.

Transgene živali in rastline

Klonirane gene z mikroinjekcijami vnesemo v jajčeca sesalcev ali rastlinske protoplaste (izolirano celico brez celične stene) in nato iz njih vzgojimo živali ali rastline, v katerih genomu delujejo tuji geni. Imenujejo se rastline in živali, katerih genomi so bili spremenjeni z genskim inženiringom transgene organizacije (transgene rastline in živali), ker vsebuje tuje gene. Pridobljene so bile transgene miši, zajci, prašiči in ovce. Njihov genom vsebuje gene bakterij, sesalcev in ljudi. Pridobljene so bile transgene rastline (koruza, paprika, paradižnik, pšenica, rž, stročnice, krompir itd.), ki vsebujejo gene nesorodnih vrst. Transgene rastline so odporne na herbicide, insekte, neugodne deževne razmere itd. Problem spreminjanja dednosti številnih kmetijskih rastlin se postopoma rešuje.

Genetska karta kromosomov. Genska terapija

Genetska karta kromosomov je diagram relativne razporeditve genov, ki se nahajajo v isti vezni skupini. Takšni zemljevidi so sestavljeni za vsak par homolognih kromosomov. Genetski zemljevid prikazuje vrstni red genov na kromosomu in razdaljo med njimi (odstotek križanja med določenimi geni). Tako ustvarjanje novih sevov mikroorganizmov, ki so sposobni sintetizirati hormone, beljakovine in zdravila, temelji na poznavanju genetskih zemljevidov mikroorganizmov. Človeški genetski zemljevidi so bistveni za medicinsko genetiko. Znanje o lokalizaciji gena na določenem kromosomu se uporablja pri diagnostiki številnih dednih bolezni, pa tudi v genski terapiji za popravljanje strukture in delovanja genov.

Genska terapija – zamenjava okvarjenih genov z nedotaknjenimi ali popravljanje njihove strukture.

Za boj proti dednim, onkološkim in starostnim boleznim se razvijajo metode genske terapije, ki so varne za človeške celice. Z metodami genske terapije je mogoče okvarjene gene v telesu, v katerih je prišlo do točkovnih mutacij, nadomestiti z nedotaknjenimi. Dandanes znanstveniki obvladujejo metode biološka varnost ljudi: vnos potrebnih genov v celice človeškega telesa. Tako se boste znebili številnih dednih bolezni.

Mikrobiološka sinteza

Metode genskega inženiringa omogočile izvajanje mikrobiološka sinteza(Slika 37 B). Mikrobiologi so z metodami genskega inženiringa uspeli pridobiti seve bakterij, zahvaljujoč katerim se mikrobiološka sinteza uspešno izvaja. Za to se izberejo potrebne bakterijske celice, ki ne vsebujejo plazmidov. Izolirajo se molekule DNA z danim zaporedjem nukleotidov, ki določajo razvoj želeni znak. V bakterijsko celico vnesemo plazmid z integriranim odsekom DNA (genom), v katerem začne delovati vgrajeni odsek DNA (potekajo procesi replikacije, transkripcije, prevajanja) in potrebne beljakovine (interferon, genferon, imunoglobulin, inzulin, somatotropin itd.) se sintetizira v bakterijski celici. V industrijskih količinah se pridobivajo hormoni (insulin, somatotropin), številne aminokisline, antibiotiki, cepiva itd.. Takšne bakterije se množijo v industrijskem obsegu in proizvajajo potrebne beljakovine.

Z uporabo genetske metode pridobljen je bil sev mikroorganizma Pseudomonas denitrificans, ki proizvede več desetkrat več vitamina C in vitaminov B kot prvotna oblika; nov sev bakterije Micrococcus glutamicus izloča stokrat več aminokisline lizin kot prvotna (divje) kultura bakterije, ki proizvaja lizin.

Celični inženiring

Celični inženiring– gojenje posameznih celic ali tkiv v posebnih umetnih gojiščih, razvoj metod za ustvarjanje novega tipa celic z njihovo hibridizacijo, nadomeščanjem kromosomov in gojenjem hibridov iz njih.

1. Metoda tkivne kulture

Metoda je sestavljena iz gojenja izoliranih celic ali koščkov tkiva na umetnem hranilnem mediju v ustreznih mikroklimatskih pogojih. Zaradi gojenja se rastlinske celice ali delčki tkiva regenerirajo v celotno rastlino. Z mikroklonskim razmnoževanjem posameznih celic ali koščkov tkiva (običajno apikalni meristem stebla ali korenine) lahko pridobimo številne koristne rastline. Mikroklimatske razmere in hranilni mediji za regeneracijo dekorativnih, kulturnih, zdravilne rastline so izbrani eksperimentalno. Tkivna kultura se uporablja tudi za proizvodnjo diploidnih rastlin po obdelavi prvotnih haploidnih oblik s kolhicinom.

2. Somatska hibridizacija

Somatska hibridizacija vključuje proizvodnjo hibridnih celic in iz njih - nove oblike; umetna oploditev jajc.

Pridobivanje novih hibridnih rastlin s fuzijo protoplastov (jedra in citoplazme) različnih celic v tkivni kulturi. Za spajanje protoplastov se s pomočjo encimov uniči rastlinska celična stena in dobi se izoliran protoplast. Ko takšne protoplaste različnih rastlinskih vrst gojimo, se združijo in tvorijo oblike z novimi uporabnimi lastnostmi. Umetna oploditev jajčec se izvaja z metodo oploditve in vitro (IVF), ki omogoča oploditev jajčec in vitro z naknadno implantacijo zarodka v zgodnji fazi razvoja ter premagovanje nekaterih oblik neplodnosti pri ljudeh.

3. Kromosomski inženiring– zamenjava posameznih kromosomov v rastlinskih celicah ali dodajanje novih. Diploidi imajo pare homolognih kromosomov in takšne organizme imenujemo disomiki. Če v katerem koli paru ostane en kromosom, nastane monosomija. Če kateremu koli paru dodate še tretji homologni kromosom, nastane trisomik itd. Možna je zamenjava posameznih kromosomov ene vrste s kromosomi druge vrste. Prejeto oblike imenujemo substituirane.

Gensko inženirstvo je področje raziskav v molekularni biologiji in genetiki, katerega končni cilj je z uporabo laboratorijskih tehnik pridobiti organizme z novimi kombinacijami dednih lastnosti, tudi tistih, ki jih v naravi ne najdemo.

Uradni datum rojstva genskega inženiringa se šteje za leto 1972. Genski inženiring temelji na pogojnem najnovejši dosežki molekularna biologija in genetika možnost ciljne manipulacije fragmentov nukleinskih kislin. Ti dosežki vključujejo ugotovitev univerzalnosti genetske kode, to je dejstva, da je v vseh živih organizmih vključitev istih aminokislin v beljakovinsko molekulo kodirana z enakimi nukleotidnimi sekvencami v verigi DNA; uspehi genetske encimologije, ki je raziskovalcu dala nabor encimov, ki omogočajo pridobivanje posameznih genov ali encimov nukleinskih kislin v izolirani obliki, izvedbo in vitro sinteze fragmentov nukleinskih kislin in združevanje nastalih fragmentov v eno celoto. . Tako se spreminjanje dednih lastnosti organizma z uporabo genskega inženiringa zmanjša na konstruiranje novega iz različnih fragmentov. genetski material, vnos tega materiala v prejemni organizem, ustvarjanje pogojev za njegovo delovanje in stabilno dedovanje.

Genetski inženiring bakterij

Leta 1972 je skupina raziskovalcev pod vodstvom ameriškega biokemika Paula Berga, ki dela na univerzi Stanford blizu San Francisca v Kaliforniji, poročala o ustvarjanju prve rekombinantne DNK zunaj telesa. Takšno molekulo pogosto imenujemo hibridna, saj je sestavljena iz fragmentov DNK različnih organizmov.

Prva rekombinantna molekula DNK je sestavljena iz fragmenta DNK iz bakteriofaga Escherichia coli (E. coli), skupine genov te bakterije, ki so odgovorni za fermentacijo sladkorne galaktoze, in celotne DNK virusa SV40, ki povzroča razvoj tumorjev pri opicah. Takšna rekombinantna struktura bi teoretično lahko imela funkcionalno aktivnost v celicah E. coli in opic, ker je vključevala del DNK faga, ki zagotavlja njegovo sposobnost podvajanja (samokopiranja) v E. coli, in vso DNK SV40. razmnoževanje v opičjih celicah.

Pravzaprav je bila to prva hibridna molekula DNK, ki se je lahko kot shuttle "sprehodila" med bakterijo in živaljo. A prav tega P. Berg in njegovi sodelavci niso preizkusili eksperimentalno.

Znanstveniki iz različnih držav, ki so razvijali ideje P. Berga, so in vitro ustvarili funkcionalno aktivno hibridno DNK. Prva sta to težavo rešila Američana Stanley Cohen z univerze Stanford in njegov kolega Herbert Boyer s kalifornijske univerze v San Franciscu. Pri njihovem delu se je pojavilo novo in zelo pomembno "orodje" v vseh kasnejših gensko inženirskih delih - vektor.

Glavne metode genskega inženiringa bakterij so bile razvite v zgodnjih 70. letih prejšnjega stoletja. Njihovo bistvo je vnos novega gena v telo. Najpogostejši med njimi je izdelava in prenos rekombinantne DNA.

Genetski inženiring rastlin

Pri vnašanju novih genov v evkariontske celice, kot so rastlinske celice, se pojavijo številne težave. Eden od njih je, da je genetska zgradba rastlin veliko bolj kompleksna in manj raziskana kot zgradba bakterij, ki je do nedavnega ostala glavni predmet genskih inženirjev. Poleg tega je nemogoče spremeniti genotip vseh celic večceličnega organizma. Prenos vektorskih sistemov močno ovira trpežna celulozna membrana, ki prekriva rastlinske celice.

Kljub navedenemu se genski inženiring rastlin uporablja v kmetijstvu, predvsem v rastlinski pridelavi. To je postalo mogoče, prvič, ker lahko rastlinske celice, izolirane iz večceličnega organizma, rastejo in se razmnožujejo na umetnih hranilnih medijih, torej in vitro ali zunaj telesa. Drugič, ugotovljeno je bilo, da jedra zrelih rastlinskih celic vsebujejo vse informacije, potrebne za kodiranje celotnega organizma. Torej, če celice rastline označimo v primerni rastlinski raztopini, jih lahko ponovno prisilimo v delitev in oblikovanje novih rastlin. Ta lastnost rastlinskih celic, povezana s sposobnostjo regeneracije, potem ko so dosegle zrelost in specializacijo, se imenuje totipotenca.

Uporaba talnih agrobakterij

Eden od učinkovitih načinov za prenos genov v rastline je uporaba talnih bakterij kot vektorja, predvsem Agrobacterium tumefaciens (»poljska bakterija, ki povzroča rastlinskega raka«). Ta bakterija je bila izolirana leta 1897. iz tumorja grozdja. Okuži številne dvodomne rastline in povzroči nastanek velikih izrastkov – kronskih žolčk.

Patogeni sevi te agrobakterije za razliko od nepatogenih vsebujejo velik plazmid, posebej zasnovan za prenos genov iz bakterijske celice v rastlinsko celico. Plazmid so poimenovali Ti, kar pomeni povzročitelj tumorja. Vanj se običajno vstavi gen, pripravljen za prenos.

Poleg A. tumefaciens se za vnašanje novih genov v rastline uporablja tudi bakterija A. Rhizogenes. Pri dvokaličnicah povzročajo zelo majhne tumorje, iz katerih poženejo številne korenine. Bolezen, ki jo povzročajo te rizogene agrobakterije, se imenuje "bradata" ali "dlakava" korenina. V njih so našli plazmide, podobne Ti. Imenujejo se Ri ali povzročajo korenine.

IN zadnja leta Ri plazmidi se v rastlinskem genskem inženirstvu uporabljajo nič manj kot Ti plazmidi. To je razloženo predvsem z dejstvom, da celice kronskih žolčk slabo rastejo na umetnih hranilnih medijih in iz njih ni mogoče gojiti celih rastlin. Nasprotno, celice bradate korenine so dobro gojene in regenerirane.

Uporaba virusov

Virusi se pogosto uporabljajo tudi za konstruiranje vektorjev, ki prenašajo nove gene v rastline. V ta namen največkrat izoliramo virus mozaika cvetače. V naravi okuži le križnice, znano pa je, da lahko v poskusnih pogojih okuži tudi druge rastlinske vrste.

Genom virusa mozaika je majhna dvoverižna krožna DNA. Nekatere njegove gene je mogoče nadomestiti z drugimi, ki so zanimivi za raziskovalca. Prodiranje v rastlinska celica, virus vanj ne vnese le lastne DNK, temveč tudi vanj vgrajen tuj gen.

Tudi virusi, katerih genetski material predstavlja RNA, so lahko vektorski sistem, ki je sposoben prenašati nove gene v rastline. Virusi te skupine so sposobni visoka frekvenca prodrejo v rastlinske celice, se v njih aktivno razmnožujejo in s tem zagotavljajo visoki ravni izražanje vnesenih genov zaradi povečanja njihovega števila.

Konstrukcija rekombinantne DNA

Tehnika vstavljanja genov v vektorje, namenjene rastlinam, je podobna tisti, ki se uporablja za bakterijske celice. Plazmidno DNA in virusno DNA režejo restrikcijski encimi, da nastanejo "lepljivi" konci. Če uporabimo encim, ki proizvaja tope konce, uporabimo kratke fragmente DNA. Z vstavitvijo novega gena v pripravljen plazmid ali virusni vektor s pomočjo DNA ligaze dobimo rekombinantno DNA.

Področja rastlinskega genskega inženiringa

Glavne smeri rastlinskega genskega inženiringa so povezane z ustvarjanjem pridelkov, ki so odporni na škodljivce žuželk, herbicide in viruse, sposobni fiksacije dušika, pa tudi z izboljšanjem kakovosti in količine proizvodov.

Rastline, odporne na škodljivce

Škodljivci lahko povzročijo znatno zmanjšanje pridelka različnih poljščin. Za boj proti njim se uporabljajo kemikalije.

imenovani insekticidi. Prvi insekticid, ki je dobil svetovno priznanje, je bila bordojska mešanica.

Poleg kemično sintetiziranih zdravil so znani insekticidi na osnovi naravnih sovražnikov žuželk - bakterij in gliv. V svetu se že vrsto let uporabljajo insekticidi bakterijskega izvora - pripravki iz trosov, ki jih proizvaja talna bakterija Bacillus thuringiensis ("Turinški bacil", krajše Bt). Insekticidno delovanje teh spor je povezano s strupenimi kristali proteina endotoksina, ki jih vsebujejo. Po zaužitju takšne spore gosenica kmalu umre zaradi črevesne paralize.

Prednost tovrstnega insekticida je, da ni strupen za ljudi in živali ter ga je enostavno oprati in inaktivirati. Pomanjkljivost takšnih insekticidov je relativno kratko obdobje delovanja v terenskih razmerah. Njihova učinkovitost pri škropljenju rastlin je različna in jo je težko napovedati. Vse to zahteva ponavljajoča se zdravljenja.

Nova smer v boju proti škodljivcem žuželk je ustvarjanje transgenih rastlin, odpornih proti njim, na podlagi tehnologije genskega inženiringa. Uspešna je bila raziskava Marka van Montaguja in njegovih kolegov z Univerze v Gentu, katere rezultate so objavili v delu “Transgene rastline zaščitene pred napadom insektov” (1987).

Gen, ki kodira sintezo proteina endotoksina, so izolirali iz DNK turingijskega bacila in ga vstavili v vektor Ti plazmid bakterije A. tumefaciens. S to agrobakterijo so okuženi diski, izrezani iz kosov tobačnih listov. Transformirano rastlinsko tkivo smo gojili na hranilnem mediju določene kemijske sestave, ki je zagotavljal rast in razvoj transgenih rastlin z listi, ki vsebujejo protein endotoksin. Ko endotoksin vstopi v črevesje nekaterih vrst žuželk, se veže na njihovo notranjo površino in poškoduje epitelij, zaradi česar se prebavljena hrana ne absorbira in žuželka pogine zaradi lakote.

V zadnjih letih so gen za bakterijski toksin vnesli v celice številnih rastlin. Zlasti strokovnjaki Monsanta so ustvarili krompir New Leaf, odporen na koloradskega hrošča, Bt koruzo in Bt bombaž, Roundup Ready sojo, itd. Vendar pa uporaba Bt pridelkov vzbuja dvome zaradi - za zdravje ljudi in varnost okolja. Zato se mnogi sprašujejo: če koloradski hrošč ne poje vrhov, ali je tak krompir zdrav? Ni gotovosti, da rastlinski proizvodi z "genskimi dodatki" ne bodo negativno vplivali na prihodnje generacije.

Hkrati bo prenos cvetnega prahu z gensko spremenjenih poljščin na rastline na sosednjih poljih povzročil njihovo gensko kontaminacijo, katere posledice je težko napovedati. Na biotsko raznovrstnost lahko vpliva smrt koristnih žuželk, za katere so se pridelki Bt izkazali za nevarne. Poleg tega je možno, da se bodo pojavili superškodljivci, saj lahko prvotne vrste žuželk hitro pridobijo odpornost na bakterijski endotoksin.

Rastline, odporne na viruse

Ustvarjanje sort, odpornih proti virusom, je drugo področje rastlinskega genskega inženiringa.

Za ustvarjanje takšnih kmetijskih rastlin se uporablja tako imenovana navzkrižna zaščita. Bistvo tega je, da rastline, okužene z enim tipom virusa, postanejo odporne na drugega, sorodnega virusa, saj pride do vrste cepljenja. V rastlino vnesemo gen oslabljenega seva virusa, ki preprečuje, da bi jo poškodoval bolj virulenten (povzročitelj bolezni) sev istega ali sorodnega virusa.

Tak zaščitni gen je lahko gen, ki kodira virus za sintezo beljakovine ovojnice, ki obdaja nukleinsko kislino. Ta gen se uporablja za ustvarjanje kopije DNK in vitro z uporabo reverzne transkriptaze. Nanj se pritrdijo potrebni regulatorni elementi in s posebej pripravljenim Ti-plazmidom se agrobakterije prenesejo v rastline. Transformirane rastlinske celice sintetizirajo beljakovino ovojnice virusa in transgene rastline, vzgojene iz njih, sploh niso okužene z bolj virulentnimi sevi ali pa dajejo šibak in zapoznel odziv na virusno okužbo.

To je eden od mehanizmov zaščitnega delovanja virusnega gena, ki še vedno ni povsem jasen in ga lahko spremljajo neželene posledice.

Genska modifikacija - nova različica kmetijstva

Genetska modifikacija kmetijstva temelji na uporabi visokoproduktivnih rastlinskih sort ali pasem živali, pridobljenih na podlagi genske selekcije. S tem plemenitim namenom se že desetletja ukvarjajo genetski rejci. Toda njihove zmožnosti so omejene z obsegom križanj - le posamezniki, ki praviloma pripadajo isti vrsti, lahko prečkajo in ustvarijo plodne potomce. Krompir in koruza nimata sposobnosti okužiti koloradskega hrošča in koruzne hrošča, človeku in živalim nenevarna bakterija Bacillus thuringinesis pa ju lahko ubije. Genetiki ne morejo križati bacila s krompirjem, genetski inženirji pa lahko. Genetska selekcija izboljša kvantitativne značilnosti sorte ali pasme (donos, odpornost proti boleznim, mlečnost itd.); genski inženiring je sposoben ustvariti novo kvaliteto - prenesti gen, ki jo kodira, iz enega biološke vrste v drugem, natančneje, insulinski gen od ljudi do kvasovk. In gensko spremenjeni kvas bo postal tovarna insulina.

Menijo, da je edina temeljna ovira, s katero se soočajo genetski inženirji, njihova omejena domišljija ali omejeno financiranje. Zdi se, da v genskem inženiringu ni nepremostljivih naravnih omejitev.

Genetski inženiring: od analize do sinteze

Kot že vemo, je bilo leta 1972. Paul Berg je prvi v epruveti združil dva gena, izolirana iz različnih organizmov, v eno celoto. In dobil je "molekularni" hibrid ali rekombinantno DNK, ki ni mogla nastati v naravnih pogojih. Nato so takšno rekombinantno DNK vnesli v bakterijske celice in tako ustvarili prve transgene organizme, ki so nosili gene iz bakterij in opic, natančneje iz onkogenega opičjega virusa.

Nato so bili konstruirani mikrobi, ki so prenašali gene iz muh Drosophila, zajcev in ljudi. To je povzročilo alarm.

Več vodilnih ameriških znanstvenikov, vključno s samim Paulom Bergom, je v reviji Science objavilo pismo, v katerem je pozvalo k prekinitvi dela na področju genskega inženiringa, dokler ne bodo izdelani varnostni predpisi za ravnanje s transgenimi organizmi. Domnevalo se je, da imajo lahko organizmi, ki nosijo tuje gene, lastnosti, ki so nevarne za ljudi in njihovo okolje. Povsem špekulativno je bilo izraženo mnenje, da se bodo transgeni organizmi, ustvarjeni brez upoštevanja njihovih verjetnih okoljskih značilnosti in niso podvrženi soevoluciji z naravnimi organizmi, "osvobodili iz epruvete", lahko nenadzorovano in neomejeno razmnoževali. To bo povzročilo izrinjanje naravnih organizmov iz njihovih naravnih habitatov; poznejša verižna reakcija ekoloških neravnovesij; zmanjšanje biotske raznovrstnosti; aktivacija mirujočih, prej neznanih patogenih mikroorganizmov; pojav epidemij prej neznanih bolezni ljudi, živali in rastlin; »pobeg« tujih genov iz transgenih organizmov; kaotičen prenos genov v biosferi; pojav pošasti, ki uničijo vse.

Dve različici prihodnosti: transgeni raj ali transgena apokalipsa

Poleg bioloških in okoljskih skrbi so se začela izražati moralna, etična, filozofska in verska vprašanja.

V letih 1973-1974. se je pridružil razpravi ameriški politiki. Posledično je bil uveden začasni moratorij na delo z genskim inženiringom - "prepoved, dokler se okoliščine ne razjasnijo." V času prepovedi bi morali na podlagi vseh razpoložljivih spoznanj oceniti vse potencialne nevarnosti genskega inženiringa in oblikovati varnostne predpise. Leta 1976 Ustvarjena so bila pravila in prepoved je bila odpravljena. Z vedno hitrejšim razvojem se je strogost varnostnih predpisov ves čas zmanjševala. Začetni strahovi so se izkazali za močno pretirane.

Kot rezultat 30-letnih svetovnih izkušenj z genskim inženiringom je postalo jasno, da v procesu »miroljubnega« genskega inženiringa ne more nastati nič mirnega. Začetni varnostni ukrepi pri delu s transgenimi organizmi so temeljili na dejstvu, da so ustvarjene himere lahko nevarne, kot so kuga, črne koze, kolera oz. antraks. Zato so s transgenimi mikrobi delali kot s patogenimi v posebnih inženirskih strukturah. Toda sčasoma je postalo vse bolj očitno: tveganje je bilo močno pretirano.

Na splošno v vseh 30 letih intenzivne in vse večje uporabe genskega inženiringa ni bil zabeležen niti en primer nevarnosti, povezane s transgenimi organizmi.

Pojavila se je nova industrija - transgena biotehnologija, ki temelji na snovanju in uporabi transgenih organizmov. Trenutno je v ZDA okoli 2500 podjetij za genski inženiring. Vsak od njih zaposluje visoko usposobljene strokovnjake, ki gradijo organizme na osnovi virusov, bakterij, gliv, živali, vključno z žuželkami.

Ko gre za nevarnost ali varnost transgenih organizmov in izdelkov, pridobljenih iz njih, najpogostejša stališča temeljijo predvsem na »splošnih preudarkih in zdravi pameti«. Takole običajno pravijo tisti, ki so proti:

narava je urejena inteligentno, vsak poseg vanjo bo vse samo poslabšal;
saj znanstveniki sami ne morejo predvideti vsega s 100% garancijo, še posebej
dolgoročnih posledic uporabe transgenih organizmov, tega sploh ni treba storiti.

Tukaj so argumenti tistih, ki so za:

v milijardah let evolucije je narava vse uspešno »poskusila«.
možne možnosti za ustvarjanje živih organizmov, zakaj je človeška dejavnost
bi moralo biti načrtovanje spremenjenih organizmov zaskrbljujoče?
V naravi nenehno poteka prenos genov med različnimi organizmi (v
značilnosti med mikrobi in virusi), torej nič bistveno novega
transgeni organizmi ne bodo dodani naravi.

Razprave o koristih in nevarnostih uporabe transgenih organizmov se običajno vrtijo okoli glavnih vprašanj, ali so izdelki, pridobljeni iz transgenih organizmov, nevarni in ali so transgeni organizmi sami nevarni okolju?

Varovanje zdravja in okolja ali nepošten boj za ekonomske interese?

Ali je potrebna mednarodna organizacija, ki bi na podlagi preliminarnega pregleda urejala uporabo transgenih organizmov? Ali naj dovoli ali prepove dajanje na trg proizvodov, pridobljenih iz takih organizmov? Navsezadnje semena, zlasti cvetni prah, ne poznajo meja.

In če mednarodna regulacija biotehnologije ni potrebna, ali bo splet nacionalnih pravil, ki urejajo ravnanje s transgenimi organizmi, povzročil beg transgenih rastlin iz držav, kjer so takšna pravila "liberalna", v države, kjer so pravila "konservativna"?

Tudi če se večina držav strinja z uskladitvijo pravil za ocenjevanje tveganja transgenih organizmov, kaj je treba storiti glede strokovnih in moralne kvalitete uradniki in strokovnjaki? Bodo tako tudi na primer v ZDA, Nemčiji, na Kitajskem, v Rusiji in na Papui Novi Gvineji?

Če države v razvoju podpišejo na primer Svetovno konvencijo o pravilih za vnos transgenih organizmov, kdo jim bo plačal ustanovitev in vzdrževanje ustreznih nacionalnih agencij, posvetovanja, ekspertize in spremljanje?

Približno polovica vseh programov, ki so jih razvili ZN, UNIDO, UNEP, je namenjena reševanju problemov, povezanih s transgenimi organizmi. Obstajata dva glavna dokumenta: »Kodeks prostovoljnih pravil, ki se jih je treba držati za vnos (izpust) organizmov v okolje«, ki ga je pripravil Sekretariat UNIDO, in »Protokol o biološki varnosti v okviru Konvencije o biološki raznovrstnosti« (UNEP).

Evropsko stališče: pomanjkanje mednarodno dogovorjenih pravil za uporabo transgenih organizmov bo vodilo do obsežnih poskusov v odprtem okolju, škodljivi učinki ki je lahko nepovratna.

Kje je torej resnica? Ali je možno narediti racionalno izbiro med določeno koristjo in negotovim tveganjem? Pravilen odgovor je: ali so transgene rastline in izdelki na njihovi osnovi nevarni ali varni, katerih nevarnost oziroma varnost še ni prepričljivo dokazana na podlagi sodoben nivo znanja, se je njihovi uporabi pametneje izogniti.

Živilski izdelki, spremenjeni z metodami genskega inženiringa

Prvo poskusno rastlino so pridobili leta 1983 na Inštitutu za rastlinstvo v Kölnu. Devet let kasneje so na Kitajskem začeli gojiti transgeni tobak, ki ga niso pokvarili škodljivci žuželk. Prvi komercialni transgeni so bili sorta paradižnika Flavr Savr, ki jo je ustvaril Calgene in leta 1994 uvedel v ameriške supermarkete. Vendar pa so nekatere težave, povezane z njihovo proizvodnjo in transportom, pripeljale do dejstva, da je bilo podjetje prisiljeno sorto umakniti iz proizvodnje že po treh letih. Kasneje so bile pridobljene številne sorte različnih poljščin z umetno spremenjeno genetsko kodo. Med njimi je najpogostejša soja (komercialna pridelava se je začela leta 1995), predstavlja več kot polovico celotnega pridelka; na drugem mestu je koruza, sledijo bombaž, oljna ogrščica, tobak in krompir.

Svetovni voditelji v gojenju transgenih rastlin so ZDA, Argentina, Kanada in Kitajska. V Rusiji je že nekaj poskusnih "zaprtih" polj z gensko spremenjenimi (GS) pridelki. Po besedah direktorja Centra za bioinženiring Ruske akademije znanosti, akademika K. Skrjabina, se nekateri od njih ukvarjajo s krompirjem, odpornim na koloradskega hrošča in pridobljenim na podlagi treh najpogostejših ruskih sort - "Lugovsky" , “Nevsky” in “Elizaveta”.

Gensko spremenjene rastline se uporabljajo za proizvodnjo hrane in prehranskih dopolnil. Iz soje se na primer proizvaja sojino mleko, ki mnogim dojenčkom nadomešča naravno mleko. GS surovine zagotavljajo večino potreb po rastlinskem olju in živilskih beljakovinah. Sojin lecitin (E322) se uporablja kot emulgator in stabilizator v slaščičarski industriji, sojine lupine pa pri proizvodnji otrobov, kosmičev in prigrizkov. Poleg tega se gensko spremenjena soja pogosto uporablja v živilska industrija in kot poceni polnilo. Najdemo ga v znatnih količinah v izdelkih, kot so kruh, klobase, čokolada itd.

Iz modificiranega krompirja in koruze izdelujejo čips, predelujejo pa ga tudi v škrob, ki se uporablja kot zgoščevalci, želirna sredstva in želirna sredstva v slaščičarski in pekarski industriji ter pri izdelavi številnih omak, kečapov in majonez. Koruza in repično olje uporabljajo se kot dodatki v margarini, pekovskih izdelkih, piškotih itd.

Kljub dejstvu, da se na svetovnem trgu pojavlja vedno več izdelkov, pridobljenih z uporabo gensko spremenjenih virov, so potrošniki do njih še vedno previdni in se jim ne mudi, da bi prešli na "Frankenstein hrano".

Vprašanje živil, spremenjenih z genskim inženiringom, je v družbi sprožilo vroče polemike. Glavni argument zagovornikov genske hrane so lastnosti samih pridelkov, ki so jim bioinženirji dodali številne za potrošnika koristne lastnosti. So manj muhasti in bolj odporni na bolezni, škodljivce in, kar je najpomembneje, na pesticide, ki se uporabljajo za obdelavo polj in katerih škoda je človeško telo dokazano že zdavnaj. Izdelki iz njih so bolj kakovostni in predstavitveni, imajo povečano hranilno vrednost in se dlje skladiščijo.

Torej, iz koruze, soje in ogrščice, ki so jih "izboljšali" genetski inženirji, pridobivajo rastlinsko olje, v katerem je zmanjšana količina nasičenih maščob. »Novi« krompir in koruza imata več škroba in manj vode. Pri cvrtju takšen krompir potrebuje malo olja, nastanejo zračni čips in pomfrit, ki je lažje prebavljiv v primerjavi z nespremenjenimi izdelki. "Zlati" riž, pridobljen leta 1999, je obogaten s karotenom za preprečevanje slepote pri otrocih. države v razvoju, Ged riž je osnovna hrana.

Do nedavnega so bile napovedi genetskih inženirjev o "užitnih cepivih" videti kot popolna fantazija. Je pa tobak že pridelan, v genetski kod, v katerega je “vgrajen” človeški gen, odgovoren za tvorbo protiteles proti virusu ošpic. V bližnji prihodnosti bodo po mnenju znanstvenikov ustvarjene druge podobne rastline z protivirusnim polnilom. V prihodnosti lahko to postane eden glavnih načinov bodoče imunoprofilakse.

Glavno vprašanje, ali so živila, pridobljena iz gensko spremenjenih virov, varna za človeka, ostaja brez jasnega odgovora, čeprav so v zadnjih letih postali znani rezultati nekaterih raziskav, ki kažejo, da gensko spremenjeni izdelki negativno vplivajo na žive organizme.

Tako britanski profesor Arpad Pusztai, ki je deloval v državni inštitut Rowett, Aberdeen, april 1998 je v televizijskem intervjuju izjavil, da so njegovi poskusi razkrili nepopravljive spremembe v telesu podgan, ki so jedle gensko spremenjen krompir. Trpeli so zaradi oslabljenega imunskega sistema in različnih disfunkcij notranji organi. Izjava znanstvenika je postala razlog za njegovo odpustitev z dela zaradi "razširjanja namerno lažnih psevdoznanstvenih informacij".

Vendar pa je februarja 1999 Neodvisna skupina 20 priznanih znanstvenikov je po natančni študiji objavila sklep o delu Arpada Pusztaija, ki je v celoti potrdil zanesljivost njegovih rezultatov. V zvezi s tem je bil britanski minister za kmetijstvo prisiljen priznati poskuse kot vredne pozornosti in razmisliti o prepovedi prodaje gensko spremenjenih izdelkov brez celovitih raziskav in predhodnega dovoljenja.

Poleg tega je bilo ugotovljeno, da je ena od sort gensko spremenjene soje nevarna za ljudi, saj je povzročila alergijo na oreščke. Ta gensko spremenjen izdelek je pridobilo eno največjih semenskih podjetij, Pioneer Hybrid International, po uvedbi gena brazilskega oreha v sojino DNK, protein za shranjevanje, ki je bogat z aminokislinami, kot sta cistein in metionin. Podjetje je bilo prisiljeno plačati odškodnino oškodovancem in preklicati projekt.

Sestavine, ki jih vsebujejo gensko spremenjeni izdelki, niso le alergeni, ampak tudi zelo strupene, torej škodljive za žive organizme. kemikalije. Tako so se po več letih uporabe pojavila poročila o resnih stranskih učinkih uporabe aditiva za živila, znanega kot aspartam (E 951).

Po kemijski strukturi je aspartam metiliran dipeptid, sestavljen iz ostankov dveh aminokislin - asparaginske kisline in fenilalanina. Dodan hrani v majhnih količinah popolnoma nadomesti sladkor (skoraj 200-krat slajši od sladkorja). V zvezi s tem spada aspartam v razred sladil, to je nizkokaloričnih snovi brez sladkorja, ki dajejo hrani in pripravljeni hrani sladek okus. Sladila pogosto zamenjujejo s sladili, ki so kemično ogljikovi hidrati in imajo visoko vsebnost kalorij.

Aspartam se proizvaja pod različnimi blagovnimi znamkami: "NutraSweet", "Sucrelle", "Equal", "Spoonful", "Canderel", "Holy Line" itd. Na ruskem trgu ga je mogoče najti tudi kot del večkomponentnih mešanic sladil. , kot so »aspasvit«, »aspartin«, »slamix«, »eurosvit«, »sladex« itd.

Aspartam, ki že vrsto let velja za popolnoma neškodljivo snov, je bil odobren za uporabo v živilski in farmacevtski proizvodnji v več kot 100 državah. Priporočali so ga bolnikom s sladkorno boleznijo, pa tudi tistim, ki so bili debeli ali so se bali kariesa. Uporablja se pri proizvodnji več kot 5 tisoč vrst izdelkov: brezalkoholnih pijač, jogurtov, mlečnih sladic, sladoleda, krem, žvečilnih gumijev in drugih.

Aspartam je še posebej primeren za sladkanje živil, ki ne zahtevajo toplotne obdelave. Poleg tega se lahko uporablja za hitro pasterizacijo in hitro hlajenje. Vendar pa njegova uporaba ni priporočljiva v izdelkih, ki so izpostavljeni toploti. To je posledica dejstva, da za vse izjemne lastnosti To sladilo ima dve slabosti: je slabo topno v vodi in ne prenese visokih temperatur. Navedeno otežuje proces priprave živil in omejuje uporabo aspartama na področjih, kot je pekarstvo in druge vrste živilske industrije, kjer so potrebna tehnološka povišanja temperature.

Pri dolgotrajni izpostavljenosti temperaturam nad 30 C se sestavine aspartama ločijo, izgubi se sladkost, poleg tega se metanol spremeni v formaldehid. Slednja snov z ostrim vonjem povzroča koagulacijo beljakovinskih snovi in je razvrščena kot strupena. Nato se iz formaldehida tvori mravljinčna kislina, ki povzroči kršitev kislinsko-baznega ravnovesja. Zastrupitev z metanolom ima podobne simptome kot multipla skleroza, zato bolnikom pogosto pomotoma diagnosticirajo to bolezen. Če pa multipla skleroza ni smrtna diagnoza, potem je toksičnost metanola usodna.

Nastali fenilalanin ima lahko izjemno toksičen učinek predvsem na živčnega sistema. Obstaja dedna bolezen, ki jo povzroča njegov presežek in je znana kot fenilketonurija. Otroci, rojeni s to dedno boleznijo, so dovzetni za napade in trpijo za duševno zaostalostjo. Vzrok te bolezni je prirojena okvara encima fenilalanin hidroksilaze.

Nedavni napredek v medicinski genetiki je pokazal, da vsi zdravi ljudje ne morejo učinkovito absorbirati fenilalanina. Zato dodatno vnašanje te aminokisline v telo ne le bistveno poveča njeno raven v krvi, ampak predstavlja resno nevarnost za delovanje možganov.

Zato je aspartam kontraindiciran pri bolnikih s homozigotno fenilketonurijo, njegova prisotnost pa mora biti navedena na etiketi živila. Običajno pa je zapis "vsebuje fenilalanin, kontraindiciran pri bolnikih s fenilketonurijo" napisan s tako majhnim tiskom, da ga redkokdo prebere. A kljub temu je aspartam doslej edina gensko ustvarjena kemikalija na ameriškem trgu, ki je jasno označena. To se je izkazalo za možno šele potem, ko se je izvedelo veliko število obstajali so jasni dokazi o nevarni toksičnosti aspartama in najbolj priljubljeni časopisi in revije v Združenih državah ga niso imenovali "sladek strup".

Odpornost na antibiotike je še en problem, o katerem se pogosto razpravlja, povezan z gensko spremenjeno hrano. V tehnologiji bioinženiringa geni za odpornost na te zdravilaže vrsto let uporabljajo kot označevalci pri pripravi vektorskih sistemov, ki transformirajo rastlinske celice. Tako je bil pri razvoju paradižnika sorte "Flavr Savr" uporabljen gen za odpornost proti kanalicinu in gensko spremenjena koruza - za ampicilin.

Na žalost način za odstranitev teh markerskih genov po transformaciji še ni bil najden. Njihova prisotnost v gensko spremenjenih izdelkih je tisto, kar skrbi zdravnike. Razlog je v tem, da se markerski geni za odpornost na antibiotike iz nekega razloga morda ne bodo prebavili z vso preostalo DNK in bodo končali v genomu bakterij, ki živijo v človeškem črevesju. Po izločitvi bakterij iz telesa z blatom se bodo takšni geni razširili v okolje in prenesli na druge patogene bakterije, ki bodo postale imune na delovanje antibiotikov te skupine. Pojav takih superbakterij lahko povzroči bolezni, ki jih z obstoječimi zdravili ni mogoče pozdraviti.

Genski inženiring je področje biotehnologije, ki vključuje dejavnosti preurejanja genotipov. Genski inženiring že danes omogoča vklapljanje in izklapljanje posameznih genov in s tem nadzorovanje delovanja organizmov ter prenašanje genetskih navodil iz enega organizma v drugega, tudi iz organizmov druge vrste. Ker se genetiki čedalje bolj učijo o delovanju genov in proteinov, zmožnosti poljubnega programiranja genotipa (predvsem človeškega) z lahkoto dosegajo vse rezultate: kot so odpornost na sevanje, sposobnost življenja pod vodo, sposobnost regeneracijo poškodovanih organov in celo nesmrtnost.

Genetske informacije . Genetska informacija (genom) je v celici shranjena v kromosomih (pri človeku jih je 46), sestavljenih iz molekule DNK in beljakovin, ki jo pakirajo, ter v mitohondrijih. DNK (deoksiribonukleinska kislina) je zaporedje nukleotidov, od katerih vsak vsebuje enega od štirih dušikovih elementov. S funkcionalnega vidika je DNK sestavljena iz številnih blokov (nukleotidnih zaporedij), ki hranijo določeno količino informacij – gene.

Gen je odsek molekule DNA, ki vsebuje informacije o primarni strukturi katerega koli proteina (en gen – en protein). Skupek vseh genov organizma sestavlja njegov genotip. Vse celice v telesu vsebujejo enak niz genov, vendar vsaka od njih izvaja drugačen del shranjenih informacij. Aktivni so samo tisti geni, ki so potrebni za delovanje določene celice, zato so npr. nevroni tako strukturno-funkcionalni kot biološke lastnosti drugačen od jetrnih celic.

Vloga beljakovin v telesu. Beljakovine so najpomembnejše molekule v vsakem živem organizmu, kemijska osnova žive snovi. Po Engelsovi definiciji je »življenje način obstoja beljakovinskih teles«. Beljakovine izvajajo metabolizem (prenos snovi v telesu) in energetske transformacije, zagotavljajo strukturno osnovo tkiv in služijo kot katalizatorji. kemične reakciješčitijo organizme pred patogeni, prenašajo sporočila, ki uravnavajo delovanje telesa. Kemično gledano so beljakovine veriga aminokislin, zvitih v prostoru na poseben način. Ena od funkcij beljakovin je aktivacija genov. Nekateri geni vsebujejo fragmente, ki privlačijo določene beljakovine. Če so takšni proteini v celici, se pritrdijo na ta del gena in lahko dovolijo ali prepovejo njegovo kopiranje v RNA. Prisotnost ali odsotnost takšnih regulatornih proteinov v celici določa, kateri geni se aktivirajo in s tem kateri novi proteini se sintetizirajo. Ta regulacijski mehanizem določa, ali naj celica deluje kot mišična celica ali kot mišična celica. živčna celica ali kateri del telesa naj bi se razvil v tem delu zarodka. Če v organizem (rastlino, mikroorganizem, žival ali celo človeka) vnesete nove gene, ga lahko obdarite z novo zaželeno lastnostjo, ki je še nikoli ni imel.

Genetski inženiring sega v leto 1973, ko sta genetika Stanley Cohen in Herbert Boyer vnesla nov gen v bakterijo Escherichia coli (E. coli). Od leta 1982 podjetja v ZDA, na Japonskem, v Veliki Britaniji in drugih državah proizvajajo gensko spremenjen insulin. . Klonirane gene humanega inzulina so vnesli v bakterijsko celico, kjer se je začela sinteza hormona, ki ga naravni mikrobni sevi niso nikoli sintetizirali. Uvedenih je že okoli 200 novih diagnostičnih zdravil zdravniška praksa , in več kot 100 gensko spremenjenih zdravilne snovi je v fazi klinične študije. Med njimi so zdravila, ki zdravijo artrozo,, nekateri tumorski procesi in morda celo AIDS. Med več sto podjetji za genski inženiring se jih 60% ukvarja s proizvodnjo zdravil in diagnostiko.

Genetski inženiring v kmetijstvu. Do konca osemdesetih let prejšnjega stoletja je bilo mogoče uspešno uvesti nove gene v desetine vrst rastlin in živali - ustvariti rastline tobaka s svetlečimi listi, paradižnik, ki zlahka prenaša zmrzal, in koruzo, ki je odporna na pesticide.

Ena od pomembnih nalog je pridobiti rastline, ki so odporne na viruse, saj trenutno ni drugih načinov za boj proti virusnim okužbam pridelkov. Vnos genov za beljakovine virusne ovojnice v rastlinske celice naredi rastline odporne na ta virus. Trenutno so pridobljene transgene rastline, ki se lahko uprejo učinkom več kot ducata različnih virusnih okužb. Druga naloga je povezana z varstvom rastlin pred škodljivci. Uporaba insekticidov ni povsem učinkovita. V laboratorijih za genski inženiring v Belgiji in ZDA so uspešno opravili vnos genov zemeljske bakterije Bacillus thuringiensis v rastlinsko celico, kar omogoča sintezo insekticidov bakterijskega izvora. Ti geni so bili vneseni v celice krompirja, paradižnika in bombaža. Transgene rastline krompirja in paradižnika so postale odporne na nepremagljivega koloradskega hrošča, rastline bombaža pa so postale odporne na različne žuželke, med drugim tudi na vatovo črvico. Uporaba genskega inženiringa je omogočila zmanjšanje uporabe insekticidov za 40 - 60 %. Genetski inženirji so razvili transgene rastline s podaljšanim obdobjem zorenja plodov. Takšne paradižnike lahko na primer poberemo rdeče z grma, ne da bi se bali, da bodo med prevozom prezreli. Seznam rastlin, pri katerih so bile uspešno uporabljene metode genskega inženiringa, obsega okoli petdeset vrst, med njimi jablane, slive, grozdje, zelje, jajčevci, kumare, pšenica, soja, riž, rž in številne druge kmetijske rastline.

Pri ljudeh je bila tehnologija genskega inženiringa prvič uporabljena za zdravljenje Ashanti De Silva, štiriletne deklice, ki je imela hudo obliko imunske pomanjkljivosti. Pri njej je bil poškodovan gen, ki vsebuje navodila za proizvodnjo proteina adenozin deaminaze (ADA). In brez proteina ADA, bele krvne celice umrejo, zaradi česar je telo brez obrambe pred virusi in bakterijami. Delovna kopija gena ADA je bila uvedena v krvne celice Ashanti z uporabo modificiranega virusa. Celice so lahko samostojno proizvajale potrebne beljakovine. Po 6 mesecih se je število belih krvnih celic v telesu deklice povečalo na normalno raven. Po tem je področje genske terapije dobilo zagon nadaljnji razvoj. Od devetdesetih let prejšnjega stoletja na stotine laboratorijev izvaja raziskave o uporabi genske terapije za zdravljenje bolezni. Danes vemo, da lahko z gensko terapijo zdravimo sladkorno bolezen, anemijo, nekatere vrste raka, Huntingtonovo bolezen in celo očistimo arterije. Trenutno poteka več kot 500 kliničnih preskušanj različnih vrst genskega zdravljenja. Neugodne okoljske razmere in vrsta drugih podobnih razlogov povzročajo, da se vedno več otrok rodi z resnimi dednimi napakami. Trenutno je znanih 4000 dednih bolezni, za večino pa ni bilo najdenega učinkovitega zdravljenja. Danes je mogoče številne genetske bolezni diagnosticirati že v fazi zarodka ali ploda. Zaenkrat je možno prekiniti nosečnost v zelo zgodnji fazi le v primeru resnih genetskih okvar, kmalu pa bo mogoče popraviti genetsko kodo, popraviti in optimizirati genotip nerojenega otroka. S tem se bomo popolnoma izognili genetskim boleznim in izboljšali telesne, psihične in duševne lastnosti otrok.

Projekt človeškega genoma. Leta 1990 so v ZDA začeli s projektom Human Genome Project, katerega cilj je bil določiti celotno genetsko leto človeka. Projekt, v katerem pomembno vlogo Svojo vlogo so imeli tudi ruski genetiki, dokončana pa je bila leta 2003.

Kot rezultat projekta je bilo določenih 99% genoma z natančnostjo 99,99% (1 napaka na 10.000 nukleotidov). Zaključek projekta je že prinesel praktične rezultate, na primer za uporabo preproste teste, ki omogočajo ugotavljanje genetske nagnjenosti k številnim dednim boleznim. Izraženo je bilo na primer upanje, da bodo zaradi razgradnje genoma do leta 2006 razviti zdravila za zdravljenje tako nevarne bolezni, kot je AIDS, do leta 2009 identificirani geni, ki so povezani z malignimi novotvorbami, in do leta 2010 -2015 bodo vzpostavljeni mehanizmi nastanka skoraj vseh vrst raka. Do leta 2020 bo morda končan razvoj zdravil, ki preprečujejo raka. Obeti za nadzor genov. Razvoj genskega inženiringa bo omogočil izboljšanje človeškega genotipa. Obsežne naloge, s katerimi se danes sooča človeštvo, zahtevajo ljudi, ki so nadarjeni na številnih področjih, predane in visoko razvite osebnosti z idealnim zdravjem ter najvišjimi telesnimi in duševnimi sposobnostmi. Takšne ljudi je mogoče ustvariti z metodami genetskega, genskega in celičnega inženiringa. Te metode bodo uporabne tako za novorojenčke kot za odrasle. Oseba bo lahko okrepila svoje lastne sposobnosti in povečajte sposobnosti svojih otrok. Z objektivnega vidika v tem ni nič napačnega ali neetičnega. Že danes številni svetovno znani znanstveniki, kot je Watson, eden od odkriteljev DNK, pravijo, da je človeška neumnost npr. genetska bolezen in bo v prihodnosti ozdravljiva. Bo popolnoma odpravljena genetski razlogi bolezni, bodo vsi ljudje popolnoma zdravi. Staranje se bo ustavilo in nikomur se ne bo treba ukvarjati z usihanjem, izgubo moči ali propadanjem. Ljudje bodo postali tako rekoč nesmrtni - smrt bo postajala vse redkejši pojav in ne bo več neizogibna. Znano je na primer, da je eden od vzrokov staranja krajšanje telomer z vsako celično delitvijo. V poznih devetdesetih letih prejšnjega stoletja je znanstvenikom uspelo v celice vnesti gen, ki so ga odkrili in je odgovoren za proizvodnjo proteina telomeraze, ki telomere obnavlja, in jih s tem narediti nesmrtne. seveda,, ki niso obremenjeni z ustreznim znanjem, temveč zasledujejo neke osebne, ideološke ali lobistične cilje, morda poskušajo tovrstne tehnologije prepovedati, a kot kaže zgodovina razvoja znanosti, jim to še dolgo ne bo uspelo.

Genetski inženiring je naredil preboj pri zdravljenju raka. Steven Rosenberg in njegovi kolegi iz ameriškega nacionalnega inštituta za raka so ga testirali na številnih bolnikih nova metoda boj proti tumorjem, ki temelji na vnosu prenovljenih imunskih celic v telo. Se spomnite, kako je pred kratkim znanstvenikom uspelo "usposobiti" imunski sistem miši za učinkovit boj proti rakavim tumorjem s preprosto presaditvijo belih krvnih celic, vzetih iz posameznikov, ki so naravno imuni na raka (navsezadnje obstajajo takšni organizmi)? Zdaj je bila podobna metoda zdravljenja raka testirana na ljudeh. Najprej so avtorji dela vzeli imunske celice - T-limfocite - od osebe, ki je zaradi svojih naravnih lastnosti uspela uspešno "pregnati" melanom. Znanstveniki so v njih prepoznali gene, ki so odgovorni za delovanje receptorja za prepoznavanje rakavih celic, in ta gen podvojili. Nato so več bolnikom z melanomom vzeli T-limfocite in jim z retrovirusom vnesli umetni, klonirani gen. Pacienti so bili nato podvrženi kemoterapiji, zaradi katere je bil njihov imunski sistem oslabljen, z zelo malo preživelimi imunskimi celicami. Takrat so tem pacientom vrnili lastne T-celice, ki so bile odvzete prej, a zdaj z vnesenim novim genom (več podrobnosti glej sporočilo za javnost inštituta mesec dni kasneje, pri 15 od 17 pacientov). te nove celice niso le preživele, ampak so sestavljale od 9 % do 56 % celotne "populacije" T-limfocitov v telesu. Toda glavno presenečenje je, da sta bila 18 mesecev po zdravljenju dva bolnika popolnoma brez raka in dokazal tudi visoko raven T-celic v krvi. En bolnik je imel rakave tvorbe, od katerih je bil eden popolnoma uničen, drugi pa zmanjšan za 89% (nakar so ga kirurško odstranili), drugi pacient. imel en tumor, ki je "razpršil". Rosenberg ugotavlja, da je "manipulacija genov prvič privedla do regresije tumorja pri ljudeh." "Pacientom lahko zdaj vzamemo normalne limfocite in jih modificiramo v limfocite, ki se odzivajo na rakave celice," je povedala znanstvenica, ki namerava raziskavo nadaljevati. Ugotoviti želi, kako bodo gensko spremenjene celice preživele v telesu dlje časa, kako bo ta terapija delovala v kombinaciji z drugimi metodami zdravljenja raka, kako lahko pomaga v boju proti drugim vrstam raka (drugim genom, ki kodirajo raka). izgradnja drugih receptorjev). Na splošno je še vedno veliko vprašanj. Če se malo umaknemo, lahko govorimo tudi o ultrazvočni ablacijski HIFU terapiji. Vodilni na tem področju so kitajski zdravniki. Njegova tehnologija je sežiganje rakavih celic z ultrazvokom, pri temperaturi 100 stopinj Celzija se tumor dobesedno stopi. Vodja v proizvodnji specializirane opreme je pekinško podjetje Haifuning HIFU Technology, ki je skupaj z ameriškim podjetjem General Electric ustvarilo popolnoma računalniško napravo z nadzorovanimi temperaturnimi pogoji - FEP BY 02.

Literatura:

Singer M., Berg P. Geni in genomi. - Moskva, 1998.
Stent G., Kalindar R. Molekularna genetika. - Moskva,
Sambrook J., Fritsch E.F., Maniatis T. Molekularno kloniranje. —
Patrushev L.I. Umetni genetski sistemi. - M.: Nauka, 2004.
Shchelkunov S. N. Genetski inženiring. - Novosibirsk: Sib. Univ. založba, 2008.
Svoboda govora (časopis, gradivo iz št. 4 (348) 2. 2. 2012)

Ko bi ga uporabili za ljudi, bi lahko genski inženiring uporabili za zdravljenje dednih bolezni. Tehnično gledano pa obstaja bistvena razlika med zdravljenjem bolnika samega in spreminjanjem genoma njegovih potomcev.

Naloga spreminjanja genoma odrasle osebe je nekoliko bolj zapletena kot vzreja novih gensko spremenjenih pasem živali, saj v tem primeru potrebno je spremeniti genom številnih celic že oblikovanega organizma in ne le enega embrionalnega jajčeca. Za to se predlaga uporaba virusnih delcev kot vektorja. Virusni delci lahko prodrejo v pomemben odstotek celic odraslega človeka in vanje vgradijo svoje dedne informacije; možna je nadzorovana reprodukcija virusnih delcev v telesu. Hkrati se znanstveniki za zmanjšanje stranskih učinkov poskušajo izogniti vnašanju gensko spremenjene DNK v celice spolnih organov, s čimer se izognejo vplivu na bolnikove bodoče potomce. Omeniti velja tudi precejšnjo kritiko te tehnologije v medijih: razvoj gensko spremenjenih virusov mnogi dojemajo kot grožnjo celotnemu človeštvu.

S pomočjo genske terapije je mogoče v prihodnosti spremeniti človeški genom. Trenutno učinkovite metode spremembe človeškega genoma se razvijajo in testirajo na primatih. Dolgo časa se je genski inženiring opic soočal z resnimi težavami, vendar so bili leta 2009 poskusi okronani z uspehom: v reviji Nature se je pojavila objava o uspešna prijava gensko spremenjeni virusni vektorji za ozdravitev barvne slepote pri odraslem opičjem samcu. Istega leta je prvi gensko spremenjeni primat (zgojen iz spremenjenega jajčeca) skotil potomce – navadno marmozetko.

Čeprav v majhnem obsegu, se genski inženiring že uporablja, da ženskam z nekaterimi vrstami neplodnosti omogoči zanositev. V ta namen se uporabljajo jajčeca zdrave ženske. Posledično otrok podeduje genotip enega očeta in dveh mater.

Vendar se možnost pomembnejših sprememb človeškega genoma sooča s številnimi resnimi etičnimi vprašanji.

_____________________________________________________________________________________________

Genetski inženiring (genski inženiring)

To je skupek tehnik, metod in tehnologij za pridobivanje rekombinantne RNK in DNK, izolacijo genov iz organizma (celice), manipulacijo genov in njihovo vnašanje v druge organizme.

Genski inženiring ni znanost v širšem smislu, vendar je orodje biotehnologija z uporabo takšnih metod biološke vede, kot so molekularna in celična biologija, citologija, genetika, mikrobiologija, virologija.

Pomemben del biotehnologije je genski inženiring. Rojena v začetku 70., danes je dosegla velik uspeh. Tehnike genskega inženiringa spreminjajo celice bakterij, kvasovk in sesalcev v »tovarne« za obsežno proizvodnjo katere koli beljakovine. To omogoča podrobno analizo strukture in delovanja beljakovin ter njihovo uporabo kot zdravila.

Trenutno je Escherichia coli (E. coli) postala dobavitelj tako pomembnih hormonov, kot sta insulin in somatotropin. Prej je bil insulin pridobljen iz živalskih celic trebušne slinavke, zato je bil njegov strošek zelo visok. Za pridobitev 100 g kristalnega insulina je potrebnih 800-1000 kg trebušne slinavke, ena žleza krave pa tehta 200-250 gramov. Zaradi tega je bil insulin drag in težko dostopen širokemu krogu diabetikov. Leta 1978 so raziskovalci iz Genentecha prvi izdelali inzulin v posebej izdelanem sevu Escherichia coli. Insulin je sestavljen iz dveh polipeptidnih verig A in B, dolgih 20 in 30 aminokislin. Ko se povežejo z disulfidnimi vezmi, nastane nativni dvoverižni insulin. Dokazano je, da ne vsebuje proteinov E. coli, endotoksinov in drugih nečistoč, ne povzroča stranskih učinkov kot živalski inzulin in se od njega ne razlikuje po biološkem delovanju. Nato je bil proinzulin sintetiziran v celicah E. coli, za katere je bila kopija DNA sintetizirana na predlogi RNA z uporabo reverzne transkriptaze. Po čiščenju nastalega proinsulina smo ga razdelili v nativni inzulin, pri čemer sta bili stopnji ekstrakcije in izolacije hormona minimizirani. Iz 1000 litrov kulturne tekočine lahko pridobimo do 200 gramov hormona, kar je enako količini inzulina, ki se izloči iz 1600 kg trebušne slinavke prašiča ali krave.

Somatotropin je človeški rastni hormon, ki ga izloča hipofiza. Pomanjkanje tega hormona vodi do hipofizne pritlikavosti. Če se somatotropin daje v odmerkih 10 mg na kg telesne teže trikrat na teden, lahko otrok, ki trpi zaradi njegovega pomanjkanja, v enem letu zraste za 6 cm mg somatotropina glede na končni farmacevtski izdelek. Tako so bile razpoložljive količine hormona omejene, poleg tega pa je bil s to metodo pridobljen hormon heterogen in je lahko vseboval počasi rastoče viruse. Leta 1980 je podjetje "Genentec" razvilo tehnologijo za proizvodnjo somatotropina z uporabo bakterij, ki je bila brez teh pomanjkljivosti. Leta 1982 so na Pasteurjevem inštitutu v Franciji pridobili človeški rastni hormon v kulturi E. coli in živalskih celic, leta 1984 pa se je v ZSSR začela industrijska proizvodnja insulina. Pri proizvodnji interferona uporabljamo E. coli, S. cerevisae (kvasovke) in kulturo fibroblastov ali transformiranih levkocitov. S podobnimi metodami se pridobivajo tudi varna in poceni cepiva.

Tehnologija rekombinantne DNK temelji na izdelavi visoko specifičnih DNK sond, s pomočjo katerih proučujejo izražanje genov v tkivih, lokalizacijo genov v kromosomih in identificirajo gene, ki imajo povezane funkcije(na primer pri ljudeh in kokoših). DNK sonde se uporabljajo tudi pri diagnostiki različnih bolezni.
Tehnologija rekombinantne DNK je omogočila nekonvencionalen pristop protein-gen, imenovan reverzna genetika. Pri tem pristopu se protein izolira iz celice, gen za ta protein se klonira in se spremeni, tako da nastane mutantni gen, ki kodira spremenjeno obliko proteina. Nastali gen se vnese v celico. Če se izrazi, bodo celica, ki jo nosi, in njeni potomci sintetizirali spremenjeni protein. Na ta način lahko popravimo okvarjene gene in zdravimo dedne bolezni.

Če hibridno DNK vnesemo v oplojeno jajčece, lahko nastanejo transgeni organizmi, ki izražajo mutantni gen in ga prenašajo na svoje potomce. Genetska transformacija živali omogoča ugotavljanje vloge posameznih genov in njihovih beljakovinskih produktov tako pri uravnavanju delovanja drugih genov kot pri različnih patoloških procesih. Z uporabo genski inženiring Ustvarjene so bile linije živali, odporne na virusne bolezni, in pasme živali z lastnostmi, koristnimi za človeka. Na primer, mikroinjekcija rekombinantne DNA, ki vsebuje gen za goveji somatotropin, v kunčjo zigoto je omogočila pridobitev transgene živali s hiperprodukcijo tega hormona. Nastale živali so imele izrazito akromegalijo.
Zdaj je celo težko napovedati vse možnosti, ki se bodo uresničile v naslednjih nekaj desetletjih.

Gensko inženirstvo je področje biotehnologije, ki vključuje dejavnosti preurejanja genotipov. Genski inženiring že danes omogoča vklapljanje in izklapljanje posameznih genov in s tem nadzorovanje delovanja organizmov ter prenašanje genetskih navodil iz enega organizma v drugega, tudi iz organizmov druge vrste. Ker se genetiki čedalje bolj učijo o delovanju genov in proteinov, zmožnosti poljubnega programiranja genotipa (predvsem človeškega) z lahkoto dosegajo vse rezultate: kot so odpornost na sevanje, sposobnost življenja pod vodo, sposobnost regeneracijo poškodovanih organov in celo nesmrtnost.

Gospodarski pomen

Genski inženiring služi pridobivanju želenih lastnosti spremenljivega ali gensko spremenjenega organizma. Za razliko od tradicionalne selekcije, pri kateri se genotip spreminja le posredno, genski inženiring omogoča neposreden poseg v genetski aparat s tehniko molekularnega kloniranja. Primeri uporabe genskega inženiringa so pridelava novih gensko spremenjenih sort žitaric, proizvodnja humanega insulina z uporabo gensko spremenjenih bakterij, proizvodnja eritropoetina v celični kulturi ali nove pasme poskusnih miši za znanstvene raziskave.

Osnova mikrobiološke, biosintetske industrije je bakterijska celica. Obvezno za industrijske proizvodnje celice selekcioniramo po določenih lastnostih, med katerimi je najpomembnejša sposobnost, da v največjih možnih količinah proizvajajo, sintetizirajo določeno spojino - aminokislino ali antibiotik, steroidni hormon oz. organska kislina. Včasih potrebujete mikroorganizem, ki je sposoben na primer uporabiti olje ali odpadno vodo kot "hrano" in jo predelati v biomaso ali celo beljakovine, ki so povsem primerne za krmne dodatke. Včasih potrebujemo organizme, ki se lahko razvijejo pri povišanih temperaturah ali ob prisotnosti snovi, ki so gotovo smrtonosne za druge vrste mikroorganizmov.

Naloga pridobivanja takšnih industrijskih sevov je zelo pomembna, za njihovo modifikacijo in selekcijo so bile razvite številne metode aktivnega vpliva na celice - od zdravljenja z močnimi strupi do izpostavljenost sevanju. Namen teh tehnik je en - doseči spremembe v dednem, genetskem aparatu celice. Njihov rezultat je proizvodnja številnih mutiranih mikrobov, izmed stotin in tisočev katerih nato znanstveniki poskušajo izbrati najprimernejšega za določen namen. Ustvarjanje metod kemične ali radiacijske mutageneze je bil izjemen dosežek biologije in se pogosto uporablja v sodobni biotehnologija.

Toda njihove zmogljivosti so omejene z naravo samih mikroorganizmov. Niso sposobni sintetizirati številnih dragocenih snovi, ki se kopičijo v rastlinah, predvsem v zdravilnih in eteričnih oljnicah. Ne morejo sintetizirati snovi, ki so zelo pomembne za življenje živali in ljudi, številnih encimov, peptidnih hormonov, imunskih proteinov, interferonov in mnogih enostavnejših spojin, ki se sintetizirajo v telesu živali in ljudi. Možnosti mikroorganizmov seveda še zdaleč niso izčrpane. Od vsega bogastva mikroorganizmov je znanost, predvsem pa industrija, uporabila le majhen delež. Za selekcijo mikroorganizmov so zelo zanimive na primer anaerobne bakterije, ki živijo brez kisika, fototrofi, ki izkoriščajo svetlobno energijo kot rastline, kemoavtotrofi, termofilne bakterije, ki živijo pri temperaturah, kot so pred kratkim ugotovili, okoli 110 °C itd.

In vendar so omejitve "naravnega materiala" očitne. Omejitve so poskušali in poskušajo zaobiti s pomočjo celičnih in tkivnih kultur rastlin in živali. To je zelo pomembna in obetavna pot, ki se udejanja tudi v biotehnologija. V zadnjih nekaj desetletjih so znanstveniki razvili metode, s katerimi lahko posamezne celice rastlinskega ali živalskega tkiva rastejo in se razmnožujejo ločeno od telesa, kot so bakterijske celice. Bilo je pomemben dosežek- nastale celične kulture se uporabljajo za poskuse in za industrijske proizvodnje nekatere snovi, ki jih ni mogoče pridobiti z uporabo bakterijskih kultur.

Zgodovina razvoja in dosežena raven tehnologije

V drugi polovici 20. stoletja je prišlo do številnih pomembnih odkritij in izumov, ki so osnova genski inženiring. Večletni poskusi »branja« bioloških informacij, ki so »zapisane« v genih, so bili uspešno zaključeni. To delo sta začela angleški znanstvenik F. Sanger in ameriški znanstvenik W. Gilbert (Nobelova nagrada za kemijo). Kot je znano, geni vsebujejo informacije-navodila za sintezo molekul RNA in beljakovin, vključno z encimi, v telesu. Da bi celico prisilili, da sintetizira nove zanjo nenavadne snovi, je potrebno, da se v njej sintetizirajo ustrezni sklopi encimov. In za to je potrebno bodisi namensko spremeniti gene, ki se nahajajo v njem, bodisi vanj vnesti nove, prej odsotne gene. Spremembe genov v živih celicah so mutacije. Pojavijo se pod vplivom, na primer, mutagenov - kemičnih strupov ali sevanja. Toda takih sprememb ni mogoče nadzorovati ali usmerjati. Zato so znanstveniki svoja prizadevanja usmerili v poskuse razvoja metod za vnos novih, zelo specifičnih genov, ki jih potrebuje človek, v celice.

Glavne faze reševanja problema genskega inženiringa so naslednje:

1. Pridobivanje izoliranega gena. 2. Vnos gena v vektor za prenos v telo. (3. Prenos vektorja z genom v spremenjeni organizem. 4. Preoblikovanje telesnih celic.

5. Genetska selekcija spremenjeni organizmi GSO

Tehnika vnosa genov v bakterije se je razvila po tem, ko je Frederick Griffith odkril pojav bakterijske transformacije. Ta pojav temelji na primitivnem spolnem procesu, ki ga pri bakterijah spremlja izmenjava majhnih fragmentov nekromosomske DNK, plazmidov. Plazmidne tehnologije so bile osnova za vnos umetnih genov v bakterijske celice.

Znatne težave so bile povezane z vnosom že pripravljenega gena v dedni aparat rastlinskih in živalskih celic. Vendar pa v naravi obstajajo primeri, ko se tuja DNK (virusa ali bakteriofaga) vključi v genetski aparat celice in s pomočjo svojih presnovnih mehanizmov začne sintetizirati "svoj" protein. Znanstveniki so preučevali značilnosti vnosa tuje DNK in jo uporabili kot princip za vnos genskega materiala v celico. Ta proces se imenuje transfekcija.

Če so enocelični organizmi ali večcelične celične kulture predmet modifikacije, se na tej stopnji začne kloniranje, to je selekcija tistih organizmov in njihovih potomcev (klonov), ki so bili spremenjeni. Kdaj je naloga zastavljena za pridobitev večcelični organizmi, nato celice s spremenjenim genotipom uporabimo za vegetativno razmnoževanje rastlin ali vnesemo v blastociste nadomestne matere, ko gre za živali. Posledično se skotijo mladiči s spremenjenim ali nespremenjenim genotipom, med katerimi so izbrani in medsebojno križani le tisti, ki izkazujejo pričakovane spremembe.