Генная инженерия

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Генная инженерия  направление исследований в молекулярной биологии и генетике, конечной целью которых является получение с помощью лабораторных приемов организмов с новыми, в том числе и не встречающимися в природе, комбинациями наследственных свойств. В основе генной инженерии лежит обусловленная последними достижениями молекулярной биологии и генетики возможность целенаправленного манипулирования с фрагментами нуклеиновых кислот. К этим достижениям следует отнести установление универсальности генетического кода, то есть факта, что у всех живых организмов включение одних и тех же аминокислот в белковую молекулу кодируются одними и теми же последовательностями нуклеотидов в цепи ДНК; успехи генетической энзимологии, предоставившей в распоряжение исследователя набор ферментов, позволяющих получить в изолированном виде отдельные гены или фрагменты нуклеиновой кислоты, осуществлять in vitro синтез фрагментов нуклеиновых кислот, объединить в единое целое полученные фрагменты. Таким образом, изменение наследственных свойств организма с помощью генной инженерии сводится к конструированию из различных фрагментов нового генетического материала, введение этого материала в рецепиентный организм, создания условий для его функционирования и стабильного наследования.

Генная инженерия относится  к революционная технологиям, все революционные технологии, так или иначе, влияют на развитие общества. С их появлением возникают разные проблемы — экономические, социальные, этические; все они обусловливаются внедрением в практику новых подходов, вытесняющих традиционные методы.

Актуальность: изучение вопросов о перспективах развития  и угрозах генной инженерии является необходимым, так как  возникают вопросы о правомерности использования новых биотехнологических подходов.

Цель: ознакомиться с этической стороной  исследований в области генной инженерии.

В соответствие с целью, были поставлены следующие задачи:

 проанализировать научную и методическую литературу  по теме исследования;

 рассмотреть генную инженерию как один из современных методов исследования молекулярной биологии;

 рассмотреть отрицательные и положительные моменты применения генной инженерии в сельском хозяйстве, медицине, а так же перспективы клонирования;

 сделать выводы о возможных последствиях проведения исследований  в области  генной инженерии и возможных последствиях внедрения ее достижений.

Практическая и теоретическая значимость: в связи с расширением областей практического применения вопросы, касающиеся генной инженерии, представляют большой интерес, поэтому данная работа может быть использована в качестве  учебно-методического пособия студентами  биологических и экологических специальностей.

Глава 1  ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ КАК ОДИН ИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ

За последние  30 – 35 лет были созданы принципиально новые методы  манипулирования  с   нуклеиновыми  кислотами in vitro, на основе которых зародился и бурно развивается новый метод молекулярной биологии и генетики  генная инженерия [1]. Генная инженерия −   целенаправленное  изменение наследственных свойств организмов путем создания  действующих генов искусственным путем, или извлечения  генов из одних организмов и введения в клетки других организмов. При генной инженерии перенос генов осуществляется не половыми клетками, как при обычном скрещивании, и не ядром, как при соматической гибридизации клеток, а с помощью искусственно создаваемых генетических элементов – векторов (векторных молекул) (приложение А). Вектор – специально сконструированная плазмида (внехромосомные молекулы ДНК, способные к автономной репликации и передающиеся в дочерние клетки при делении бактерии) или вирус, в геном которых можно внедрить чужеродную генетическую информацию [2].

Принципиальное отличие генной инженерии от использовавшихся ранее традиционных приемов изменения  генотипа   (например,  создания  полиплоидных форм растений) состоит в том, что она дает возможность   конструировать   функционально   активные генетические структуры in vitro в форме рекомбинантных ДНК. Универсальность молекулярных носителей наследственной информации, в подавляющих случаях ДНК, послужила основой для разработки методологии генной инженерии [1]. В связи с тем, что одни и те же кодоны (триплеты нуклеотидов) программируют включение аминокислот в белковые молекулы у всех организмов — человека, животных, растений, бактерий, а также вирусов — теоретически возможно осуществлять гибридизацию на молекулярном уровне путем переноса отдельных отрезков ДНК в любые чужеродные клетки. При генной инженерии осуществляется объединение ДНК любого происхождения и может идти обмен генами между далекими родами, семействами, классами и даже царствами [3]. 

Объектами генной инженерии являются самые разнообразные биологические системы: микроорганизмы, клеточные линии насекомых, растений и млекопитающих, вирусы различных организмов, многоклеточные организмы (растения, мыши, домашние животные и т. д.) — выбор системы зависит от целей эксперимента [4]. Среди множества биологических объектов, использующихся в генной инженерии, основными являются бактерии Escherichia coli, одноклеточные дрожжи Saccharomyces cerevisiae и различные клеточные линии животного происхождения. Характер биологической системы исключительно важен для биотехнологического процесса [5].

История развития генной инженерии неразрывно связана с историей развития молекулярной биологии и генетики. Главную роль в формировании генной инженерии сыграла генетика микроорганизмов, идеи и методы, разработанные молекулярной биологией и химией нуклеиновых кислот [6].

Зарождение генной инженерии связано с третьим периодом развития генетики, который начался после 1953 года и считается эпохой молекулярной биологии [7]. Именно успехи в области молекулярной генетики позволили впоследствии зародиться и развиваться генной инженерии как одного из современных методов молекулярной биологии [8]. В 1953 году   Ф. Крик и Д.Уотсон установили, что молекула ДНК представляет собой двойную спираль [9]. Эти данные послужили толчком для дальнейших исследований, которые привели к тому, что в 1961–1962 годах М.Ниренберг, Г.Маттеи, С.Очоа и Ф.Крик расшифровали  генетический код и состав нуклеотидных триплетов для всех 20 аминокислот, входящих в состав белковых молекул [10].

Стремительный порыв в развитии молекулярной генетики в начале 70-х годов стал возможен благодаря появлению нового экспериментального инструмента – рестриктационных эндонуклеаз. Был открыт путь для широкомасштабного получения генных продуктов (физически значимых белков) и для генетического манипулирования с различными организмами [6].

Формальной датой рождения генной инженерии считают 1972 год,  когда группа П. Берга в США создала первую рекомбинантную ДНК in vitro, объединившую в своем составе генетический материал из трех источников: полный геном онкогенного вируса обезьян SV40 , часть генома умеренного бактериофага λ и гены галактозного оперона Е. coli. Сконструированная рекомбинантная молекула не была исследована на функциональную активность, поскольку у авторов этой работы возникли опасения, что методы генной инженерии могут привести к появлению микроорганизмов, опасных для здоровья человека, например бактерий Е. coli, способных перенести онкогенные вирусы животных в кишечник человека. Разработанные позднее правила работы с рекомбинантными молекулами позволили практически устранить возможность вредных последствий создания рекомбинантных ДНК, объединяющих в своем составе гены разного происхождения [1].

Функционально активные молекулы гибридной ДНК были впервые получены С. Коэном и Г. Бойером в 1973 году. С. Коэну и Г. Бойеру удалось разработать метод переноса гена из одного организма в другой [11]. Процедура клонирования заключалась в том, что ДНК из разных источников фрагментировали путем обработки эндонуклеазой рестрикции, затем эти фрагменты объединяли in vitro с векторной молекулой ДНК, способной к автономной репликации (например, плазмидой), и вводили путем трансформации в реципиентный организм, которым служила Е. coli, для накопления рекомбинантных ДНК [10]. Использование плазмиды в качестве вектора обеспечило возможность переноса и стабильного наследования клонированного фрагмента в составе гибридной молекулы в клетках–реципиентах. Таким путем были созданы первые «химерные» (то есть не способные возникнуть в природных условиях) плазмиды, включившие в свой состав ДНК из разных видов бактерий [4].

Достигнутые успехи заставили ученых задуматься об  опасности манипуляций с  рекомбинантными ДНК. В связи с этим в  1976 году были изданы первые руководства, регламентирующие работы с рекомбинантными ДНК. Хотя первые руководства были весьма строгими в расчете  на то, что по мере накопления опыта и знаний они будут пересмотрены. По сей день  не выявлено ни одного нежелательного инцидента, ни с персоналом лабораторий, ни с кем-нибудь из других людей, причиной которого были бы эксперименты, проведенные с рекомбинантными ДНК; а таких экспериментов насчитывается десятки тысяч [13]. 

В 1978 году сотрудники фирмы «Genetech»  впервые выделили последовательности ДНК, кодирующие инсулин человека и выпустили человеческий инсулин, полученный с помощью Е. coli [9].

В 1980 году  Дж. Гордон  с сотрудниками получили трансгенный организм методом микроинъекции  ДНК в пронуклеус оплодотворенного яйца. В настоящее время созданы трансгенные животные и трансгенные растения с желательными признаками [14].

В 1997 году в области генной инженерии был совершен настоящий прорыв: Уилмуту и др. удалось клонировать овцу Долли методом переноса ядра от взрослой овцы  (приложение Б). И, несмотря на то, что многие  даже среди ученых генетиков  неоднозначно относятся к клонированию, несомненно, что клонирование откроет широкие возможности в селекции сельскохозяйственных животных [12].

Так  же за последние годы  значительный прогресс достигнут в практической области создания новых продуктов для медицинской промышленности и лечения болезней человека: антикоагуляторы, факторы крови, гормон роста человека, человеческий инсулин, интерферон, моноклональные антитела, вакцины.              Искусственно полученные вакцины  по многим показателям лучше обычных вакцин [15].

Сейчас, множество ученых заняты различными работами связанные с проблемами генной инженерии – это и методы, основанные на использовании рестриктационных ферментов, анализ гена человека, методы гибридизации нуклеиновых кислот, секвенирование ДНК, сортировки хромосом при помощи цитофиурометрииии и многое другое [12].

Глава 2  ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ ОПАСЕНИЯ И НАДЕЖДЫ

2.1 Генная инженерия и растениеводство

Генетическая инженерия растений, принадлежащая к так называемым высоким технологиям, вызывает наибольшее количество споров и дискуссий среди различных кругов общественности [16].

Еще 10 лет тому назад генная инженерия растений заметно отставала в своем развитии, но за последние 3 года наблюдается быстрый рост количества трансгенных растений на рынке с новыми полезными признаками. Трансгенные растения в США в 1996 году занимали площадь 3 млн. акров, в 1997 году площадь увеличилась до 15 млн. акров, в 1998 году – до 60 млн. акров, а в прошлом году до 80 млн. акров. Поскольку основные трансгенные формы кукурузы, сои, хлопчатника с устойчивостью к гербицидам и насекомым хорошо себя зарекомендовали, есть все основания ожидать, что площадь под генноиженерные растения в будущем увеличатся в 4 − 5 раз [3].

В апреле 1998 года доля в процентах трансгенных форм растений в сельском хозяйстве составило: кукуруза – 6%,  соя – 12%, ,  хлопчатник – 15%, томаты – 1% [4].

Можно привести три основных аргумента в пользу получения трансгенных (трансгенным организмом называют организм, в геном которого с использованием методов генетической инженерии, перенесена чужеродная ДНК, трансгеноз  искусственный перенос генов (или ДНК) из бактериальных клеток в эукариотическую клетку (организм) с помощью трансдуцирующих фагов) растений. Во-первых, введение гена (генов) часто приводит к повышению сельскохозяйственной ценности и декоративных качеств культурных растений. Во-вторых, трансгенные растения могут служить живыми биореакторами при малозатратном производстве экономически важных белков или метаболитов. В-третьих, генетическая трансформация растений позволяет изучать действие генов в ходе развития растения и других биологических процессов [3].