Термины и понятия: биотехнология; генная инженерия; генетически модифицированный организм; трансгенный организм; трансгены; генная терапия; клеточная инженерия; химерные организмы.
Биотехнология и человек. По определению многих авторитетных учёных XXI ст. будет веком биотехнологии и генетики. Однако не следует думать, что биотехнология — детище только современной науки.
История взаимоотношений человека и природы — это извечная история попыток человека изменить геном растений и животных в нужную ему сторону. Даже тогда, когда человек не имел ни малейшего понятия о существовании наследственных факторов, интуитивно путём гибридизации и селекции организмов с нужными свойствами он изменял наследственность домашних животных и культурных растений.
Рис. 78. В лаборатории проводятся опыты по генной инженерии.
Все сорта фруктовых деревьев и ягодных культур, овощей, злаков имеют изменённый геном, то есть у них уже не тот генотип, который имели их дикие предки. Практически все растения, которые люди используют в пищу — полиплоиды. Уже несколько столетий люди используют в хозяйстве межвидовые гибриды, например мулов.
До начала XX ст. селекционерам просто приходилось ждать момента, когда случайная комбинация генов даст организмы с полезными свойствами, отбирать такие организмы и закреплять эти комбинации генов в потомстве. В середине XX ст. появились методы, благодаря которым стало возможно искусственно получать большое количество случайных мутаций, например с помощью радиоактивного облучения или действия химических мутагенов, чтобы затем отбирать среди них организмы с ценными свойствами. Современные генетические технологии пошли ещё дальше. Они позволяют добиться желаемого результата гораздо быстрее и при этом избежать получения множества промежуточных и побочных лишних форм, так как современная наука и биотехнология способны менять геном целенаправленно. Это удаётся благодаря генноинженерным методам (рис. 78), с помощью которых можно взять определённые структурные гены из генома одного вида и ввести их в генетический аппарат другого вида, вызвав таким образом в новом организме синтез нужного белка.
Биотехнология — дисциплина, которая изучает возможности использования живых организмов для решения технологических задач. Она использует методы и знания генетики, молекулярной биологии, биохимии, эмбриологии и клеточной биологии, а также прикладных дисциплин — химической, физической и информационной технологий, робототехники.
Термин биотехнология в 1917 г. предложил венгерский инженер К. Ереки, когда описал процесс производства свинины, используя в качестве корма для свиней сахарную свёклу.
Генная инженерия и генетически модифицированные организмы. Одним из наиболее перспективных направлений биотехнологии считают генную инженерию — манипуляции с генетическим аппаратом и определёнными генами (рис. 79), которые позволяют с помощью молекулярно-биологических методов искусственно конструировать новые комбинации генотипа или даже образовывать новые геномы.
Самое новое направление современной биотехнологии — получение трансгенных организмов, т. е. организмов, содержащих трансгены (от лат. транс — через и греч. генос) — гены бактерий, грибов, растений или животных, которые являются чужеродными для данного вида организмов. Живые организмы, изменённые генно-инженернымы манипуляциями, получили название генетически модифицированных организмов (ГМО). Ценность генной инженерии в том, что её методы позволяют осуществить давнюю мечту селекционеров: придать организму такие признаки, какие нельзя перенести путём скрещивания с близкородственными видами.
Рис. 79. Растение в чашке Петри во время лабораторных манипуляций.
Генная инженерия родилась в 1972 году в Стенфордском университете в США, когда Поль Берг впервые объединил в пробирке фрагменты ДНК фага лямбда, кишечной палочки и обезьяньего вируса. Полученная рекомбинантная ДНК была введена в бактерию, которая стала первым трансгенным организмом.
С помощью методов генной инженерии стало возможно создавать организмы с новыми, ранее не присущими им свойствами. Например, известно, что миллионы людей, больных сахарным диабетом, нуждаются в ежедневных инъекциях инсулина (как вы помните, инсулин — гормон белковой природы, ответствененный за обмен сахара в организме, который продуцирует поджелудочная железа). До того как в процесс производства инсулина вмешалась генная инженерия, гормон получали из поджелудочных желез свиней, крупного рогатого скота и китов. Инсулин свиней отличается от человеческого одной аминокислотой, крупного рогатого скота — тремя, а китов ещё большим количеством аминокислотных замещений.
Очевидно, что лучший для человека инсулин — человеческий. Но как же его получить? Благодаря генно-инженерным технологиям человеческий инсулин стали продуцирувать ... бактериии группы кишечной палочки! Для этого создали трансгенный организм, встроив в геном бактерии ген человеческого инсулина. В результате непритязательные и дешёвые в содержании бактерии, которые к тому же чрезвычайно быстро размножаются, оказались способны синтезировать инсулин такого же химического состава, как и естественный человеческий. Для человека такой инсулин не является инородным веществом.
Не следует думать, что получение генетически модифицированных организмов — прерогатива нашего времени. Первые препараты человеческого инсулина, полученные от генетически модифицированных бактерий, попали в продажу в 70-е годы прошлого столетия и с тех пор (уже около 40 лет) активно используются во всём мире.
От трансгенных бактерий дёшево, быстро и в большом количестве получают интерферон, иммуноглобулины, разные гормоны, незаменимые аминокислоты.
Генетически модифицированные растения тоже могут вырабатывать лекарственные вещества. Но такое направление генной инженерии не является таким уж перспективным. Большинство генных модификаций растений направлено на развитие их устойчивости к сельскохозяйственным вредителям или вирусам, выживание при обработке полей гербицидами, повышение вкусовых и технических качеств (рис. 80).
Впервые трансгенные растения вырастили в 1982 году учёные из Института растениеводства в Кёльне и американской компании «Монсанто». С тех пор только в этой компании получено более 45 тыс. линий трансгенных растений, в том числе яблони, сливы, винограда, томатов, капусты, баклажана, огурцов, кукурузы, пшеницы, сои, риса, ржи, табака и других.
Рис. 80. Трансгенный картофель (а) и сою (б) внешне не отличить от обычных сортов.
Конечно, улучшения качества пищевой продукции добиваются не только с помощью генетических модификаций, но и другими, ставшими уже традиционными, способами. Например, выращивают растения, применяя большое количество химических удобрений, растительных гормонов, обрабатывают плоды специальными веществами, которые позволяют их дольше сохранять. В продукты добавляют химические вещества — консерванты, ароматизаторы, усилители вкуса. Генетический состав исходных организмом при этом не изменяется, и к генной инженерии подобные методы усовершенствования качества продукции не имеют никакого отношения.
Далёкие от биологии люди часто воспринимают слово «модифицированный» как непременный указатель на то, что продукт получен методом генной инженерии. Например, так трактуют термин «модифицированный крахмал». Напомним: крахмал -это химическое вещество, углевод. Модификация крахмала - это химический процесс деления длинной молекулы крахмала на более короткие отрезки. Вследствие этого полученная смесь полисахаридов обладает высокой способностью удерживать влагу и применяется как сгуститель. Модифицированный крахмал не имеет никакого отношения к генно- модифицированным организмам, поскольку не является организмом и не имеет генов.
Как получают генетически модифицированные организмы. Выглядит эта процедура таким образом (рис. 81). Чаще всего при создании генетически модифицированного организма и конструкции рекомбинантной ДНК используют особые ферменты — рестриктазы (об этом упоминалось в §6), которые способны распознавать проникающую в организм инородную ДНК и расщеплять её на соответствующих участках. Известно более 500 видов рестриктаз. Каждая специфично расщепляет ДНК — разрезает её, как ножницы, в конкретном месте, а потом вырезает необходимые фрагменты. Части и разрывы нитей ДНК склеивают с помощью другого фермента — лигазы (от лат. лигазе — соединить, склеить).
Таким образом, используя «ножницы»-рестриктазы и «клей»-лигазы, из одной ДНК вырезают, а в другую ДНК вклеивают необходимые гены.
Как правило, для переноса генов используют вирусы, фаги или плазмиды, потому что они изначально имеют свойство атаковать клетки, внедряться внутрь и встраивать свою генетическую информацию в клеточную ДНК. Вирусы, фаги и плазмиды, используемые для переноса генов, называют векторами переноса генетической информации.
Рис. 81. Так выглядит последовательность операций при получении генетически модифицированного организма.
Что такое трансгенный картофель.
Примером трансгенного растения может служить сорт картофеля, в геном которого вмонтирован ген хитиназы — фермента, растворяющего хитин. Этот ген был взят от почвенной бактерии. Трансгенный картофель начинает синтезировать несвойственный ему фермент хитиназу и накапливать его в листьях и стеблях. Грибы-паразиты и насекомые-вредители не могут питаться зелёной массой такого картофеля, поскольку хитиназа повреждает их покровы. Таким образом, трансгенный картофель не нуждается в опрыскивании ядохимикатами, поскольку сам себя защищает от вредителей. Для человеческого организма хитиназа не представляет никакой опасности, так как в клетках человека совсем нет хитина.
Почему использование трансгенных организмов вызывает определённые опасения. Безусловно, генетические модификации бактерий, растений и животных имеют огромное значение для всех областей человеческой жизни — от сельского хозяйства до производства биотоплива и здравоохранения. Однако существуют проблемы безопасности, которые не следует упускать из вида, внедряя новые сорта генно-модифицированных организмов. Например, «пересаживание» растению гена устойчивости к гербицидам может спровоцировать то, что поле, засаженное сортовым генно-модицированным растением, станут опрыскивать гораздо большими дозами ядохимикат, чем разрешено технологиями. Вследствие этого некоторая часть яда обязательно попадёт в воду, на соседние поля и даже в пищу. Не допустимы генные модификации, приводящие к появлению сортов растений, в клетках которых будут синтезироваться опасные для человека токсины.
Кроме того, в результате генетических модификаций в растениях начинают синтезироваться несвойственные им белки, которые могут вызвать у человека аллергию. Именно с такой опасностью связана необходимость маркирования на содержание в пище ГМО.
Однако нужно помнить, что вред, который могут причинить новые генно-модифицированные сорта — это, чаще всего, вред косвенный, а страхи обывателей, касающиеся того, что трансгены могут мигрировать из генетически модифицированных организмов и встраиваться в геном человека совершенно безосновательные.
Следует отметить, что все трансгенные сорта растений перед их широким использованием проходят тщательную проверку на безопасность для человека и окружающей среды. В результате стоимость разработки и вывода на рынок нового трансгенного растения чрезвычайно высока (от 50 до 200 млн долларов). Как ни парадоксально, но трансгенные растения генетически намного более изучены, чем сорта,- получаемые методами обычной селекции.
Генная терапия. До недавнего времени диагноз «наследственное заболевание» был приговором для больного: генетические болезни не лечили, облегчая только симптомы заболевания. Примером может служить терапия фенилкетонурии — не вылечивая причины болезни, то есть дефекта генов, больным корректируют состояние с помощью диеты. Однако сама причина заболевания остаётся непреодолимой.
Одним из новейших направлений современной медицинской генетики является генная терапия (генотерапия) — совокупность методов генной инженерии и медицины, направленная на лечение патологий генетического аппарата.
Можно сказать, что генная терапия — это хирургия генов.
Суть её такова. В некоторые клетки больного вводят те гены, которые у него поражены. Для того чтобы гены внедрялись в клетку и встраивались в её ДНК, используют специальные вирусы-носители. Сама идея генной терапии возникла после того, как были открыты вирусы, вызывающие опухоли у человека: эти вирусы имеют способность встраиваться в генетический аппарат человека и оставаться там на протяжении жизни клетки. Для генотерапии используют вирусы, которые в результате генно-инженерных операций потеряли способность вызывать опухоли, но зато несут в себе встроенные гены — те самые, которые поражены мутациями у больного.
Одним из примеров лечения наследственных болезней методом генной терапии служит лечение тягчайшей наследственной патологии, которая называется тяжелым комбинированным иммунодефицитом (не путать с ВИЧ!). Это врождённое заболевание вызывается мутациями генов, в результате чего у больного практически полностью отсутствует иммунитет.
Первые попытки применения генной терапии при лечении этого заболевание относятся к 1990 г. В 1993 г. впервые успешно проведена генная терапия пациента, страдавшего тяжёлым комбинированным иммунодефицитом. После проведения терапии белые кровяные клетки выполняли свои функции на протяжении четырёх лет, то есть все эти годы работал иммунитет. Потом понадобилось повторное лечение. В наши дни каждый третий ребёнок, страдающий тяжёлым комбинированным иммунодефицитом, лечится с помощью генной терапии.
В настоящее время апробировано и утверждено уже около 200 геннотерапевтических способов лечения.
Что собой представляют химерные организмы. Ещё одна область современной биотехнологии — клеточная инженерия. В отличие от генной инженерии, которая конструирует новые рекомбинантные ДНК, клеточная инженерия создаёт рекомбинантные клетки и их культуры.
Рис. 82. Такие химерные животные — лишь фантазия художника
Рис. 83. Пёстрые комнатные фиалки — настоящие химерные организмы, поскольку состоят из генетически разнородных клеток.
В древнегреческом мифе Химера — существо с львиной головой, козьим туловищем и хвостом дракона. Конечно, такого монстра породила фантазия автора мифа, однако с его лёгкой руки в биологии прижился термин химерный организм, применяемый к организмам, состоящим из генетически разнородных клеток (рис. 82, 83). Несмотря на «ужасное» название, чаще всего химеры — невинные, хорошо известные всем организмы: дикая яблоня, на которую привита ветвь определённого сорта, прекрасная роза, цветущая на корне шиповника (именно так выращивают почти все сорта роз), и уж совсем химера — яблоня, в кроне которой привита ветвь груши.
Кроме «садовых» химер, современная наука создаёт химеры на клеточном уровне. Изолированную тканевую клетку какого-нибудь организма можно заставить жить в искусственной среде. Множество потомков этой клетки называют клеточной культурой. Для получения химер культуральные клетки двух разных видов животных обрабатывают специальными вирусными препаратами, добиваясь слияния их ядер.
Ещё в конце 70-х годов прошлого столетия венгерские исследователи сообщили о полученных клетках-гибридах хомяка и курицы. Группа советских учёных получила тканевые гибриды хомяка и лисицы. Несколько американских сообщений были посвящены гибридным клеткам человека и мыши.
Химеры нужны, например, для картирования генов. Их используют для изучения многих клеточных процессов, особенно для изучения генетического аппарата клеток. Именно химерные организмы позволяют изучать генетические закономерности совместимости тканей при трансплантации органов. Клеточная инженерия важна для генетиков- онкологов, которые изучают причины возникновения и механизм развития раковых опухолей.
Биотехнология — это методология использования биологических объектов для решения технологических задач. Современная биотехнология позволяет вмешиваться в генетический аппарат и конструировать новые комбинации генов. Так получают генно-модифицированные и трансгенные организмы. Генетические модификации создают для того, чтобы прибавить организмам полезных свойств. Трансгенные организмы используют в фармакологии, сельском хозяйстве, промышленности. Одним из методов генной инженерии является генная терапия, которая позволяет лечить патологии генетического аппарата путём подсадки более здоровых генов. Клеточная инженерия в отличие от генной инженерии не предполагает вмешательства в генетический аппарат и создаёт рекомбинантные клетки, а не рекомбинантные ДНК. Химерный организм — это организм, который составляется из генетически разнородных клеток.
Проверьте себя
1. Чем занимается биотехнология? 2. Что такое генетически модифицированные организмы? Приведите примеры таких организмов. 3. Как осуществляется перенос генов при создании трансгенных организмов? 4 Что такое генная терапия? В чем её отличие от медикаментозной терапии? 5. Что современная биологическая наука называет химерами? Чем отличаются химерные организмы от трансгенных?
Как вы считаете?
Подумайте, какие страхи, связанные с внедрением генетически модифицированных организмов, безосновательны, а какие - реальны? 2. Предложите свои варианты генетических модификаций и трансгенных организмов.