Petrovskoe-omr.ru

Петровское ОМР
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Тема 8. Генная инженерия: ее развитие и методы

Как известно, наследственные признаки любого живого существа записаны в каждой клетке организма в виде совокупности генов – элементов сложных белковых молекул РНК и ДНК. Вводя в геном живого существа чужеродный ген, можно изменить свойства получаемого организма, причём в нужную сторону: сделать сельскохозяйственную культуру более устойчивой к морозу и болезням, придать растению новые свойства и т.д.

Организмы, полученные в результате такой переделки, называются генно-модифицированными, или трансгенными, а научная дисциплина, занимающаяся исследованием модификаций генома и разработкой трансгенных технологий – генетической или генной инженерией.

Генная инженерия – что это такое

Все живые организмы на Земле – это сложные биологические системы, развитие которых происходит по запрограммированному алгоритму. Данный алгоритм записан в молекулах ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). В этой макромолекуле зашифрованы сведения о наследственной генетической информации.

ДНК состоит из генов. Каждый из них отвечает за какой-либо наследственный признак или участвует в формировании ряда признаков.

Внешняя среда может лишь в незначительной степени влиять на изменение запрограммированного природой алгоритма.

Развитие науки во второй половине 20 века сделало возможным изучить строение ДНК и научиться корректировать гены. Так возникло новое направление в науке, получившее название генной (генетической) инженерии.

Примечание: правильно ставить ударение на третий слог (инженЕрии). Слово «инженерия» произошло от латинского «ingenium», что значит «изобретательность». Подразумевается изобретение и применение определенных способов воздействия на какие-либо материальные объекты.

Следовательно, генетическая инженерия – это комплекс методов, приемов и технологий, применяемых для проведения манипуляций с генами.

Генная инженерия (ГИ) относится к технологиям высокого уровня, в ней используются новейшие достижения микробиологии, вирусологии, биологии.

Методы генной инженерии (т.е. способы, с помощью которых ученые добиваются поставленных целей):

  1. полиплоидия – количественное увеличение хромосомных наборов;
  2. слияние протопластов – объединение клеток или их частей;
  3. трансгенез – добавление генов от других видов (например, введение в ДНК папайи вируса пятнистости для придания фрукту устойчивости к поражению этим заболеванием);
  4. корректирование генома в зависимости от желаемых характеристик.

ГИ дает возможность «конструировать» новые клетки ДНК и РНК (рибонуклеиновой кислоты), используя ДНК и РНК других биологических объектов.

Для справки: ДНК хранит наследственную информацию, а РНК – переносит ее. Процессы манипуляции с генами осуществляются вне живого организма, а затем вводятся в него уже измененными.

Этапы манипуляций с генами:

  1. выделение из цепочки ДНК того или иного гена;
  2. введение инородного гена в модифицируемую молекулу ДНК;
  3. внедрение модифицированного ДНК в живой организм;
  4. отбор удачных генно-модифицированных организмов (ГМО) и утилизация неудачных.

Наиболее наглядный пример результатов генной инженерии – это клонирование (получение генетической копии) в 1996 году овечки, названной Долли (умерла в 2003 году).

Другие примеры менее наглядны, но более практичны: это генно-модифицированная (ГМ) кукуруза, соя и другие сельскохозяйственные культуры. Так, в США на долю ГМ сои приходится до 85 % от всего объема выращенной культуры. ГМ растения начали использовать в сельском хозяйстве начиная с 1996 года.

Научились модифицировать на генном уровне и рыб. В ДНК генно-модифицированного лосося ввели дополнительный гормон роста. Благодаря этому рыба растет в 2 раза быстрее своих собратьев.

История развития и достигнутый уровень технологии

Во второй половине XX века было сделано несколько важных открытий и изобретений, лежащих в основе генной инженерии. Успешно завершились многолетние попытки «прочитать» ту биологическую информацию, которая «записана» в генах. Эта работа была начата английским учёным Ф. Сенгером и американским учёным У. Гилбертом (Нобелевская премия по химии 1980 г.). Как известно, в генах содержится информация-инструкция для синтеза в организме молекул РНК и белков, в том числе ферментов. Чтобы заставить клетку синтезировать новые, необычные для неё вещества, надо чтобы в ней синтезировались соответствующие наборы ферментов. А для этого необходимо или целенаправленно изменить находящиеся в ней гены, или ввести в неё новые, ранее отсутствовавшие гены. Изменения генов в живых клетках — это мутации. Они происходят под действием, например, мутагенов — химических ядов или излучений. Но такие изменения нельзя контролировать или направлять. Поэтому учёные сосредоточили усилия на попытках разработать методы введения в клетку новых, совершенно определённых генов, нужных человеку.

Основные этапы решения генноинженерной задачи следующие:

1. Получение изолированного гена. 2. Введение гена в вектор для переноса в организм. 3. Перенос вектора с геном в модифицируемый организм. 4. Преобразование клеток организма. 5. Отбор генетически модифицированных организмов (ГМО) и устранение тех, которые не были успешно модифицированы.

Процесс синтеза генов в настоящее время разработан очень хорошо и даже в значительной степени автоматизирован. Существуют специальные аппараты, снабжённые ЭВМ, в памяти которых закладывают программы синтеза различных нуклеотидных последовательностей. Такой аппарат синтезирует отрезки ДНК длиной до 100—120 азотистых оснований (олигонуклеотиды). Получила распространение техника, позволяющая использовать для синтеза ДНК, в том числе мутантной, полимеразную цепную реакцию. Термостабильный фермент, ДНК-полимераза, используется в ней для матричного синтеза ДНК, в качестве затравки которого применяют искусственно синтезированные кусочки нуклеиновой кислоты — олигонуклеотиды. Фермент обратная транскриптаза позволяет с использованием таких затравок (праймеров) синтезировать ДНК на матрице выделенной из клеток РНК. Синтезированная таким способом ДНК называется комплементарной (РНК) или кДНК. Изолированный, «химически чистый» ген может быть также получен из фаговой библиотеки. Так называется препарат бактериофага, в геном которого встроены случайные фрагменты из генома или кДНК, воспроизводимые фагом вместе со всей своей ДНК.

Чтобы встроить ген в вектор, используют ферменты — рестриктазы и лигазы, также являющиеся полезным инструментом генной инженерии. С помощью рестриктаз ген и вектор можно разрезать на кусочки. С помощью лигаз такие кусочки можно «склеивать», соединять в иной комбинации, конструируя новый ген или заключая его в вектор. За открытие рестриктаз Вернер Арбер, Даниел Натанс и Хамилтон Смит также были удостоены Нобелевской премии (1978 г.).

Читать еще:  Социальный педагог валеолог.

Техника введения генов в бактерии была разработана после того, как Фредерик Гриффит открыл явление бактериальной трансформации. В основе этого явления лежит примитивный половой процесс, который у бактерий сопровождается обменом небольшими фрагментами нехромосомной ДНК, плазмидами. Плазмидные технологии легли в основу введения искусственных генов в бактериальные клетки.

Значительные трудности были связаны с введением готового гена в наследственный аппарат клеток растений и животных. Однако в природе наблюдаются случаи, когда чужеродная ДНК (вируса или бактериофага) включается в генетический аппарат клетки и с помощью её обменных механизмов начинает синтезировать «свой» белок. Учёные исследовали особенности внедрения чужеродной ДНК и использовали как принцип введения генетического материала в клетку. Такой процесс получил название трансфекция.

Если модификации подвергаются одноклеточные организмы или культуры клеток многоклеточных, то на этом этапе начинается клонирование, то есть отбор тех организмов и их потомков (клонов), которые подверглись модификации. Когда же поставлена задача получить многоклеточные организмы, то клетки с изменённым генотипом используют для вегетативного размножения растений или вводят в бластоцисты суррогатной матери, когда речь идёт о животных. В результате рождаются детеныши с изменённым или неизменным генотипом, среди которых отбирают и скрещивают между собой только те, которые проявляют ожидаемые изменения.

Игра в бессмертие: как революция в генетике изменит человечество

Родить ребенка, который практически не будет болеть и стареть, вырастет идеально худым, сильным, быстрым и получит заданный цвет глаз и волос — неужели это не дикие выдумки фантастов, а надвигающаяся реальность? Подвох в грядущей генетической революции искал колумнист «360».

25 апреля — Международный день ДНК. В этот день 66 лет назад опубликовали первые материалы о молекулярной структуре главного кирпичика любого живого организма.

В апреле 2003 года была достигнута новая веха — закончен крупнейший в истории биологии международный проект «Человеческий геном». Его итоги сравнимы с выходом в открытый космос, только в этом случае космос скрыт внутри человеческих клеток.

Ученые создали геном живого организма при помощи компьютера

Наконец, уже в этом апреле швейцарские ученые впервые смогли полностью сгенерировать геном живого существа. Созданный при помощи новейших цифровых и биотехнологий, он открывает новую эру генетики — в будущем эти наработки позволят выращивать полностью синтетические формы жизни.

Невидимое глазу устройство человека на клеточном уровне практически так же безгранично, как и наша галактика — интенсивные исследования ДНК продолжают открывать все новые секреты.

Нередко именно с генетикой связывают будущее нашей цивилизации, ведь эта наука претендует не только на пугающее знание того, что делает человека человеком, но и на то, как это знание использовать: вылечить болезни вроде рака и СПИДа или менее известной, но столь же смертельной лейкодистрофии, распознать менее серьезные проблемы со здоровьем и заранее задать ключевые параметры человеческого зародыша.

Кадр из фильма «Не отпускай меня» — экранизации книги Кадзуо Исигуро о клонах, которых выращивают ради органов

Возможно ли собрать с нуля нового человека и загрузить его параметры, словно приложение на смартфон? Или превратить свое тело в идеальный мультитул, в котором не будет ничего лишнего? А как насчет главной мечты людей — бессмертия?

Сейчас, когда генетика стоит на пороге революции, способной изменить всю жизнь на планете, самое время задуматься о том, насколько страшная сила зреет в лабораторных пробирках и не будет ли «мирный ген» по аналогии с атомной энергией сочетать невероятные возможности с не менее губительной опасностью. Попробуем заглянуть в будущее.

Мир из пробирки

Этот престижный район выглядит как типичное поселение конца XXI века: под защитным куполом всегда стоит идеальная погода, белые дома утопают в зелени, небо заполнено беспилотными машинами и дронами. А что же люди?

Вроде ничего необычного, но все они словно вылупились из одного яйца. Обитатели мегаполиса отлично сложены, у них развитая мускулатура, приятная внешность и примерно одинаковый возраст — отличаются только прически и цвет глаз.

Еще до их появления на свет родители посетили специалистов в генетической клинике. После ряда ДНК-тестов перед ними, словно пасьянс, разложили медицинскую карту, список физических и ментальных характеристик и 3D-модель внешности ребенка.

Сначала самое важное: ярко-красным на упрощенной карте генома выделены гены, ответственные за предрасположенность к наследственным болезням от рака до психических заболеваний. А вот совсем яркая точка — рецептор, который является одним из основных путей попадания ВИЧ-инфекции в иммунные клетки.

Эти участки ДНК будут подвергнуты «исцелению» в первую очередь. Ведь благодаря набору биотехнологических приемов генной инженерии человеку можно, грубо говоря, привить любую из ранее обнаруженных мутаций, хранящихся в памяти огромных генетических базах данных.

После излечения смертельных болезней настанет черед ДНК-кода, мутация которого поможет замедлить старение, повысить иммунитет, укрепить сердце и другие внутренние органы. Дальше, как в компьютерной RPG, можно повлиять на интеллект и телосложение отпрыска и даже подобрать необходимый цвет волос или глаз.

К примеру, за избыточный вес отвечает несколько сотен генов, один из которых добавляет носителям в среднем до трех лишних килограммов. Конечно, убрать все риски нельзя, но манипуляции с генами могут понизить склонность к ожирению, привить неприятие к алкоголю, резко увеличить выносливость человека и добавить ему множество других «скиллов».

Читать еще:  Зачем и как стать инженером-робототехником

На темной стороне ДНК

Впрочем, любой конвейерный процесс ведет к унификации — отсюда замеченное нами сходство между никак не связанными между собой людьми. Выделяются только странные безволосые существа в специальных робах. Они выполняют всю грязную работу: убирают мусор, работают в клубах и ресторанах, ухаживают за садами, помогают дронам в строительстве.

Вот один из них сорвался и упал с высоты пятиэтажного дома, а сейчас молча лежит в ожидании медицинского робота. Это последняя модификация синтетического андроида — ему привита мутация, понижающая чувствительность. Он не только почти не чувствует боли, но и практически не паникует в стрессовых ситуациях. Генетическая операция привела к ухудшению памяти, зато у синтетика всегда повышенный уровень гормонов счастья и заживления ран.

Вполне вероятно, что синтетики больше похожи на обезьян и других приматов, чем на людей. На сегодня главный способ создания искусственных организмов — радикальное изменение ДНК организма путем очистки и других воздействий. Пока он применялся только на бактериях, но в будущем вполне может быть перенесен на более развитие виды живых существ.

Статус синтетиков в нашем городе будущего так и не определен, ведь их единственная задача — служить своим хозяевам. Однако отдельные активисты утверждают, что подобное отношение к рожденным в пробирках существам равносильно рабовладению и синтетические формы жизни надо уравнять в правах.

В игре Detrоit: Become Human андроиды были внутри железными, но их тоже использовали для неквалифицированного труда

Ладно синтетики, но что делать c обычными, генетически неулучшенными людьми? С одной стороны, биомедицина может предсказывать болезни безо всякого вмешательства в генный код, с другой, они все равно будут чувствовать себя менее привилегированными, чем поколение, которое относится к своему телу как к смартфону со множеством приложений.

Важен и неизбежный в нашем обществе экономический аспект. Генетические операции по «апгрейду» своих детей будут доступны только богатым родителям, что приведет к еще большему социальному неравенству — богатство будет определяться не по одежде и аксессуарам, а буквально по лицу.

Эксперты уже сейчас предсказывают, что в будущем могут быть реализованы сценарии самых мрачных антиутопий, где людей с обычными и отредактированными генами сначала разделит законодательство, а потом необратимые изменения во внешности и организме. Рано или поздно генетическая дискриминация может перерасти в настоящую войну между супермутантами и людьми. Пришла пора повернуть вспять нашу машину времени и задуматься, как избежать подобной катастрофы.

В одной из серий «Доктора Кто» одноразовых людей создавали из субстанции под емким названием «Плоть». Появился из чана — и сразу на тяжелые работы

Этика против генетики

Пока главный барьер на пути этих необратимых изменений человечества — моральные и политические причины, уже приведшие к ряду ограничений на исследование ДНК и создание генно-модифицированной продукции в России, США и многих других развитых и развивающихся странах.

Впрочем, большинство запретов распространяется на методы, связанные с внесением в ДНК чужеродного генетического материала — то самое ГМО. Открытый в 2012 году метод редактирования CRISPR, наоборот, считается вполне респектабельным научным инструментом. Он позволяет точечно вставлять, удалять и исправлять участки ДНК, фактически обрабатывая их, словно программный код в редакторе. В перспективе именно с его помощью могут быть произведены все ранее описанные манипуляции с человеческими генами.

Более того, первые отредактированные люди уже появились на свет — в лучших традициях комиксов их создал «безумный ученый». Вопреки всем запретам и научной этике, китайский генетик Хэ Цзянькуй использовал метод CRISPR для внесения правок в человеческие эмбрионы, став крестным отцом первых в своем роде девочек-близнецов.

Их родители были носителями ВИЧ, но сами дети, как уверяет ученый, родились абсолютно здоровыми и, по идее, никогда не смогут заразиться СПИДом.

Хэ Цзянькуй. Источник фото: «Викимедиа»

С одной стороны, это звучит как гигантский прорыв в медицине и первый шаг на пути к бессмертию, с другой — последствия «редактирования» человека практически не изучены.

В природе есть неизменный принцип сохранения энергии, и неспособность заболеть смертельными болезнями вполне может иметь побочные эффекты, как и «обезболивающая» мутация, ослабляющая память человека. Даже в RPG количество очков у персонажа ограничено и, если повышать интеллект, то придется понизить показатели силы или ловкости.

За эксперименты над детьми научное сообщество предало Хэ Цзянькуя анафеме, а китайские власти начали проверку его действий на законность. Однако ящик Пандоры уже открыт и соблазн применить недорогую и эффективную технологию для «исправления» человека будет только расти.

Гитлер и ДНК

Биотехнологии должны восприниматься как атомная энергия — при бесконтрольном использовании генной инженерии нам уже сейчас под силу устроить аналог Чернобыля в собственной ДНК. Создание синтетиков и совершенных людей, безусловно, дело опасное и вместе с разработкой искусственного интеллект, должно находиться под жестким контролем.

Если все страны согласятся не проводить подобных экспериментов, это не помешает позитивному развитию генной инженерии, которая позволит читать нашу ДНК как открытую книгу. Вскоре возникнут новые передовые виды медицины, дающие шанс выявить болезнь еще до ее появления, а портативные «ридеры» генов позволят за пару минут нарисовать полное генеалогическое древо любого человека.

Что до вторжения в генный код, то даже автор CRISPR-технологии профессор Дженнифер Дудна признавалась — ее открытие может вызвать к жизни самые мрачные страницы в истории человечества.

Читать еще:  Работа режиссера в современном театре

В свое время ученого мучил кошмар, в котором она заходит в комнату без света и видит спину неизвестного человека. «Когда он повернулся ко мне лицом, я с ужасом поняла, что это Гитлер и что он вызвал меня, чтобы обсудить новую технологию, в использовании которой он очень заинтересован», — рассказывала «Би-би-си» Дудна.

Откуда такие ассоциации? Слишком уж хорошо на Западе помнят популярное около 100 лет назад учение евгеники, имевшее поклонников в высших слоях британского и американского общества. Именно эта теория о селекции человека органично перетекла в нацистское учение о расе сверхлюдей.

Научиться лечить рак, СПИД и другие страшные болезни — великое достижение. Но как остановиться и не пойти дальше: начать «исправлять» аутизм и другие схожие расстройства, а затем замахнуться на создание человеческого существа, которое будет заведомо умнее, сильнее и быстрее, чем гомо сапиенс?

Имеет ли право человек считать себя не просто гостем, но хозяином этого мира и вмешиваться в его самые сокровенные процессы? На этот вопрос нам всем придется дать ответ — и как можно скорее, пока отредактированные близнецы и создавшая их технология еще находятся в младенчестве.

Мнение автора может не совпадать с позицией редакции.

Перенос генов животных

Из генов животных первыми были введены в бактерию гены шпорцевой лягушки Xenopus laevis. Эти гены хорошо изучены и легко поддаются идентификации. Их ввели в клетки штамма E. coli, устойчивого к тетрациклину, и они здесь реплицировались. У полученных клонов состав ДНК соединял в себе характеристики X. laevis и E. coli.

В настоящее время научились уже переносить гены от одного животного к другому и от животного к растениям. Получены «трансгенные» мыши, свиньи, овцы, коровы и рыбы. ДНК можно прямо инъецировать в оплодотворенное яйцо вида-реципиента, или можно использовать в качестве переносчика вирус, который, проникнув в клетку, внесет с собой и нужный ген. Третий метод связан с использованием неспециализированных стволовых (т.е. родоначальных) клеток эмбриона. Гены вводят в стволовые клетки путем инъекции или с помощью вируса, и полученные в результате трансгенные клетки инъецируют другому зародышу, который включает эти чужие клетки в свои ткани. Гены человека вводили и в растения, например в табак, в надежде получить таким способом большие количества нужных белков, в частности антител и ферментов. В этих экспериментах перенос генов оказался довольно простым делом. Была придумана специальная «генная пушка», выстреливающая ДНК прямо в листья растений.

Генетическая инженерия

Генетическая инженерия относится к разделу молекулярной биологии, которая предполагает внедрение «скальпеля» в геном клетки и его перестройку, создание организмов с новой генетической программой по заранее продуманному плану. Основные направления деятельности генной инженерии – это перестройка генотипов и пересадка генов.

Научные работы проводятся с молекулами ДНК, которые внедряют в новую клетку. ДНК начинает размножаться и «отслеживать» синтез нужных человеку соединений по заданной программе.

Генная инженерия, соединив достижения химии и генетики, помогает:

  • расшифровывать структуру гена;
  • синтезировать новые гены;
  • вставлять в живые клетки синтезированные гены, с заранее продуманной программой, для изменения их наследственных свойств.

Внедрение гена из одного организма в другой требует выполнение цепочки последовательных действий:

Выращены трансгенные животные, содержащие геном с не родными генами. Уже получены трансгенные мыши, кролики, свиньи, овцы. Они содержат ДНК, в которой работают чужеродные гены разного происхождения. Животные и растения в качестве наследственного материала получают гены бактерий, дрожжей, млекопитающих, человека.

Важно! Трансгенные организмы устойчивы к факторам внешней среды, вредителям и болезням, наделены теми чертами, которые запрограммировал в них человек.

Стоит ли запретить генетические исследования

Конечно, сейчас нельзя говорить о том, что уже завтра мы рискуем получить нежелательные последствия редактирования генома. Во-первых, исследования еще только ведутся и чего-то действительно серьезного не сделали. Во-вторых, даже когда начнется массовое применение технологий на людях, понять истинные последствия можно будет только через несколько поколений. К сожалению, такое положение дел может расслабить некоторых ученых, ведь по сути у них не будет никакой ответственности. Впрочем, это вряд ли, но вероятность этого все равно есть.

Главное не вестись на кажущуюся легкость редактирования генов. Неизвестно, во что потом это выльется.

Пока ученые с осторожность прогнозируют вероятность внесения таких изменений в геном человека, которые сделают из него кого-то другого, но в перспективе это все равно возможно. Если даже в этом не поможет CRISPR, найдется другой способ, но он будет.

Тут уже можно поднимать вопросы этичности того, что одни люди изначально будут от рождения лучше других. Кроме этого, возникают вопросы, насколько это корректно — вмешиваться в геном человека без его ведома. Может быть, когда из модифицированного появится человек, который отличается от остальных, он сам будет не рад этому. Одно дело, когда у него от природы определенный цвет волос, разрез глаз и форма ушей, а другое — когда за него кто-то решил, каким он должен быть. Вот еще одна дилемма будущего. А решать, стоит ли запрещать редактирование генома, вам. Каждый имеет свое мнение, которым можно и нужно поделиться в нашем Telegram-чате.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector