Что такое генная инженерия и что она изучает?
Для чего нужна
К середине ХХ века традиционные методы селекции перестали устраивать учёных, так как это направление обладает рядом серьёзных ограничений:
- невозможно скрещивать неродственные виды живых существ;
- процесс рекомбинации генетических признаков остаётся неуправляемым, и необходимые качества у потомства появляются в результате случайных комбинаций, при этом очень большой процент потомства признаётся неудачным и отбрасывается в ходе селекции;
- точно задать нужные качества при скрещивании невозможно;
- селекционный процесс занимает годы и даже десятилетия.
Естественный механизм сохранения наследственных признаков является чрезвычайно стойким, и даже появление потомства с нужными качествами не даёт гарантии сохранения этих признаков в последующих поколениях.
Генная инженерия позволяет преодолеть все вышеперечисленные затруднения. С помощью трансгенных технологий можно создавать организмы с заданными свойствами, заменяя отдельные участки генома другими, взятыми у живых существ, принадлежащих к другим видам. При этом сроки создания новых организмов существенно сокращаются. Необязательно закреплять нужные признаки, делая их наследуемыми, так как всегда есть возможность генетически модифицировать следующие партии, поставив процесс буквально на поток.
Экономическое значение
Генная инженерия служит для получения желаемых качеств изменяемого или генетически модифицированного организма. В отличие от традиционной селекции, в ходе которой генотип подвергается изменениям лишь косвенно, генная инженерия позволяет непосредственно вмешиваться в генетический аппарат, применяя технику молекулярного клонирования. Примерами применения генной инженерии являются получение новых генетически модифицированных сортов зерновых культур, производство человеческого инсулина путём использования генномодифицированных бактерий, производство эритропоэтина в культуре клеток или новых пород экспериментальных мышей для научных исследований.
Основой микробиологической, биосинтетической промышленности является бактериальная клетка. Необходимые для промышленного производства клетки подбираются по определённым признакам, самый главный из которых — способность производить, синтезировать, при этом в максимально возможных количествах, определённое соединение — аминокислоту или антибиотик, стероидный гормон или органическую кислоту. Иногда надо иметь микроорганизм, способный, например, использовать в качестве «пищи» нефть или сточные воды и перерабатывать их в биомассу или даже вполне пригодный для кормовых добавок белок. Иногда нужны организмы, способные развиваться при повышенных температурах или в присутствии веществ, безусловно смертельных для других видов микроорганизмов.
Задача получения таких промышленных штаммов очень важна, для их видоизменения и отбора разработаны многочисленные приёмы активного воздействия на клетку — от обработки сильнодействующими ядами, до радиоактивного облучения. Цель этих приёмов одна — добиться изменения наследственного, генетического аппарата клетки. Их результат — получение многочисленных микробов-мутантов, из сотен и тысяч которых учёные потом стараются отобрать наиболее подходящие для той или иной цели. Создание приёмов химического или радиационного мутагенеза было выдающимся достижением биологии и широко применяется в современной биотехнологии .
Но их возможности ограничиваются природой самих микроорганизмов. Они не способны синтезировать ряд ценных веществ, которые накапливаются в растениях, прежде всего в лекарственных и эфирномасличных. Не могут синтезировать вещества, очень важные для жизнедеятельности животных и человека, ряд ферментов, пептидные гормоны, иммунные белки, интерфероны да и многие более просто устроенные соединения, которые синтезируются в организмах животных и человека. Разумеется, возможности микроорганизмов далеко не исчерпаны. Из всего изобилия микроорганизмов использована наукой, и особенно промышленностью, лишь ничтожная доля. Для целей селекции микроорганизмов большой интерес представляют, например, бактерии анаэробы, способные жить в отсутствие кислорода, фототрофы, использующие энергию света подобно растениям, хемоавтотрофы, термофильные бактерии, способные жить при температуре, как обнаружилось недавно, около 110 °C, и др.
И всё же ограниченность «природного материала» очевидна. Обойти ограничения пытались и пытаются с помощью культур клеток и тканей растений и животных. Это очень важный и перспективный путь, который также реализуется в биотехнологии . За последние несколько десятилетий учёные создали методы, благодаря которым отдельные клетки тканей растения или животного можно заставить расти и размножаться отдельно от организма, как клетки бактерий. Это было важное достижение — полученные культуры клеток используют для экспериментов и для промышленного получения некоторых веществ, которые с помощью бактериальных культур получить невозможно.
Когда необходима генная терапия
В ситуации, когда ген видоизменяется таким образом, что вызывает определенное заболевание, генная инженерия и является тем решением, способным помочь. Что же конкретно она из себя представляет?
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.).
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.
Об изучении генетики в России
В России генетика существует давно. Медико-генетическая служба хорошо развита по всей стране. Почти во всех крупных городах есть медико-генетические консультации.
Согласно действующему законодательству в качестве медицинских услуг, могут быть использованы только материалы, которые имеют регистрационное удостоверение, прошли клинические испытания на территории России. Это тормозит развитие лабораторной генетики. Многие современные генетические исследования, которые активно используются во всем мире, в России недоступны широко, находятся в зоне научной деятельности.
Об изучении генетики в Колумбии
Генетика — область биологии, которая изучает гены, наследственность и генетические различия.
В Колумбии изучение генетики постоянно прогрессирует. В последние годы знания населения в области генетики увеличились. Большинство диагностических тестов на наследственные заболевания, рак и идентификацию человека проводятся в нашей стране.
Изучать генетику нелегко, так как она развивается, и многие учебники быстро устаревают
Мне нравятся исследования, возможность совершения генетических прорывов каждую неделю или месяц. После окончания университета я продолжила обучение в аспирантуре, моя основная область исследований — эпигенетическая. Это новая и неизученная ветвь генетики. Она важна для понимания того, как клетки дифференцируются в эмбрионе человека или как раковые клетки образуются в организме. В будущем это станет мощным инструментом в медицине и фармации.
Изучать генетику нелегко, так как она развивается, и многие учебники быстро устаревают.
Применение в научных исследованиях
Нокаут гена . Для изучения функции того или иного гена может быть применен нокаут гена (англ. gene knockout). Так называется техника удаления одного или большего количества генов, что позволяет исследовать последствия подобной мутации. Для нокаута синтезируют такой же ген или его фрагмент, изменённый так, чтобы продукт гена потерял свою функцию. Основные методы реализации: цинковый палец, морфолино и TALEN. Для получения нокаутных мышей полученную генно-инженерную конструкцию вводят в эмбриональные стволовые клетки, где конструкция подвергается соматической рекомбинации и замещает нормальный ген, а измененные клетки имплантируют в бластоцисту суррогатной матери. У плодовой мушки дрозофилы мутации инициируют в большой популяции, в которой затем ищут потомство с нужной мутацией. Сходным способом получают нокаут у растений и микроорганизмов.
Искусственная экспрессия. Логичным дополнением нокаута является искусственная экспрессия, то есть добавление в организм гена, которого у него ранее не было. Этот способ генной инженерии также можно использовать для исследования функции генов. В сущности процесс введения дополнительных генов таков же, как и при нокауте, но существующие гены не замещаются и не повреждаются.
Визуализация продуктов генов. Используется, когда задачей является изучение локализации продукта гена. Одним из способов мечения является замещение нормального гена на слитый с репортёрным элементом, например, с геном зелёного флуоресцентного белка (GFP). Этот белок, флуоресцирующий в голубом свете, используется для визуализации продукта генной модификации. Хотя такая техника удобна и полезна, ее побочными следствиями может быть частичная или полная потеря функции исследуемого белка. Более изощрённым, хотя и не столь удобным методом является добавление к изучаемому белку не столь больших олигопептидов, которые могут быть обнаружены с помощью специфических антител.
Исследование механизма экспрессии. В таких экспериментах задачей является изучение условий экспрессии гена. Особенности экспрессии зависят прежде всего от небольшого участка ДНК, расположенного перед кодирующей областью, который называется промотор и служит для связывания факторов транскрипции. Этот участок вводят в организм, поставив после него вместо собственного гена репортерный, например, GFP или фермента, катализирующего легко обнаруживаемую реакцию. Кроме того, что функционирование промотора в тех или иных тканях в тот или иной момент становится хорошо заметным, такие эксперименты позволяют исследовать структуру промотора, убирая или добавляя к нему фрагменты ДНК, а также искусственно усиливать его функции.
Безопасна ли
Вопрос, насколько безопасны трансгенные технологии, периодически поднимается как в научной среде, так и в СМИ, далёких от науки. Однозначного ответа на него нет до сих пор.
Во-первых, генная инженерия остаётся ещё достаточно новым направлением биотехнологий, и статистика, позволяющая делать объективные выводы об этой проблеме, пока что не успела накопиться.
Во-вторых, огромные вложения в генную инженерию со стороны транснациональных корпораций, занимающихся производством продуктов питания, могут служить дополнительной причиной отсутствия серьёзных исследований.
Впрочем, в законодательствах многих стран появились нормы, обязывающие производителей указывать наличие продуктов из ГМО на упаковке товаров пищевой группы. В любом случае, генная инженерия уже продемонстрировала высокую результативность своих технологий, а её дальнейшее развитие обещает людям ещё больше успехов и достижений.
Объекты генной инженерии
Наиболее часто объектами для исследования генной инженерии становятся микроорганизмы, клетки растений и низших животных, однако ведутся исследования и на клетках млекопитающих, и даже на клетках человеческого организма. Как правило, непосредственным объектом исследования является молекула ДНК, очищенная от прочих клеточных веществ. При помощи энзимов ДНК расщепляется на отдельные отрезки, причём важно уметь распознавать и выделять нужный отрезок, переносить его при помощи энзимов и встраивать в структуру другой ДНК.
Современные методики уже позволяют достаточно свободно манипулировать отрезками генома, размножать нужный участок наследственной цепи и вставлять его на место другого нуклеотида в ДНК реципиента. Накоплен достаточно большой опыт и собрана немалая информация по закономерностям строения наследственных механизмов. Как правило, преобразованиям подвергаются сельскохозяйственные растения, что уже позволило существенно повысить результативность основных продовольственных культур.
Генная инженерия человека
В применении к человеку генная инженерия могла бы применяться для лечения наследственных болезней. Однако, технически, есть существенная разница между лечением самого пациента и изменением генома его потомков.
Задача изменения генома взрослого человека несколько сложнее, чем выведение новых генноинженерных пород животных, поскольку в данном случае требуется изменить геном многочисленных клеток уже сформировавшегося организма, а не одной лишь яйцеклетки-зародыша. Для этого предлагается использовать вирусные частицы в качестве вектора. Вирусные частицы способны проникать в значительный процент клеток взрослого человека, встраивая в них свою наследственную информацию; возможно контролируемое размножение вирусных частиц в организме. При этом для уменьшения побочных эффектов учёные стараются избегать внедрения генноинженерных ДНК в клетки половых органов, тем самым избегая воздействия на будущих потомков пациента. Также стоит отметить значительную критику этой технологии в СМИ: разработка генноинженерных вирусов воспринимается многими как угроза для всего человечества.
С помощью генотерапии в будущем возможно изменение генома человека. В настоящее время эффективные методы изменения генома человека находятся на стадии разработки и испытаний на приматах. Долгое время генетическая инженерия обезьян сталкивалась с серьёзными трудностями, однако в 2009 году эксперименты увенчались успехом: в журнале Nature появилась публикация об успешном применении генноинженерных вирусных векторов для исцеления взрослого самца обезьяны от дальтонизма. В этом же году дал потомство первый генетически модифицированный примат (выращенный из модифицированной яйцеклетки) — игрунка обыкновенная.
Хотя и в небольшом масштабе, генная инженерия уже используется для того, чтобы дать шанс забеременеть женщинам с некоторыми разновидностями бесплодия. Для этого используют яйцеклетки здоровой женщины. Ребёнок в результате наследует генотип от одного отца и двух матерей.
Генная инженерия бактерий
В 1972 году группа исследователей во главе с американским биохимиком Полом Бергом, работавшим в Стэнфордском университете, что неподалёку от Сан-Франциско в Калифорнии, сообщила о создании вне организма первой рекомбинантной ДНК. Такую молекулу часто называют гибридной, так как она состоит из ДНК-фрагментов различных организмов.
Первая рекомбинантная молекула ДНК состоит из фрагмента ДНК бактериофага кишечной палочки (E. coli), группы генов самой этой бактерии, ответственные за сбраживание сахара галактозы, и полной ДНК вируса SV40, вызывающего развитие опухолей у обезьян. Такая рекомбинантная структура теоретически могла обладать функциональной активностью в клетках, как кишечной палочки, так и обезьяны, ведь в неё входила часть ДНК фага, обеспечивающая её способность реплицироваться (самокопироваться) в E. coli, и вся ДНК SV40, реплицирующаяся в клетках обезьяны.
Фактически это была первая гибридная молекула ДНК, которая могла бы, как челнок, «ходить» между бактерией и животным. Но именно это экспериментально не проверил П.Берг и его коллеги.
Учёные разных стран, развивая идеи П.Берга, создали in vitro функционально активные гибридные ДНК. Первыми эту задачу решили американцы Стэнли Коен из Стэнфордского университета и его коллега Герберт Бойер из Калифорнийского университета в Сан-Франциско. В их работах появился новый и очень важный «инструмент» всех последующих генно-инженерных работ – вектор.
Основные методы генной инженерии бактерий были разработаны в начале 70-х годов прошлого века. Их суть заключается во введении в организм нового гена. Наиболее распространённый из них – конструирование и перенос рекомбинантных ДНК.
Генная инженерия растений
При введении новых генов в эукариотические клетки, например, растительные, возникает немало трудностей. Одна из них заключается в том, что генетическое строение растений намного сложнее и менее изучено, чем строение бактерий, остававшихся до недавнего времени основным объектом генных инженеров. К тому же изменить генотип всех клеток многоклеточного организма невозможно. Значительно затрудняется перенос векторных систем прочная целлюлозная оболочка, которая покрывает клетки растений.
Несмотря на сказанное генная инженерия растений применяется в сельском хозяйстве, особенно в растениеводстве. Это стало возможным, во-первых, потому, что изолированные от многоклеточного организма клетки растений могут расти и размножаться на искусственных питательных средах, то есть in vitro или вне организма. Во-вторых, установлено, что ядра зрелых растительных клеток содержат всю информацию, необходимую для кодирования целого организма. Так, если клетки какого-либо растения пометить в подходящий растительный раствор, то их можно вновь заставить делиться и образовывать новые растения. Это свойство растительных клеток, связанное со способностью к регенерации уже после достижения ими зрелости и специализации, названо тотипотентностью.
Использование почвенных агробактерий
Один их эффективных способов переноса генов в растения – использование в качестве вектора почвенных бактерий, прежде всего, Agro bacterium tumefaciens («полевая бактерия, вызывающая рак растений»). Эта бактерия была выделена в 1897г. из опухоли винограда. Она заражает многие двудольные растения и вызывает у них образование больших наростов – корончатых галлов.
Патогенные штаммы этой агробактерии в отличие от непатогенных содержат крупную плазмиду, специально предназначенную для переноса генов из бактериальной клетки в растительную. Плазмида получила название Ti, то есть вызывающая опухоль. Именно в неё обычно встраивается подготовленный для переноса ген.
Кроме A. tumefaciens для введения новых генов в растения используют также бактерию вида A. Rhizogenes. Они вызывают у двудольных растений очень мелкие опухоли, из которых вырастает множество корней. Болезнь, которую вызывают эти ризогенные агробактерии, называют «бородатый» или «волосатый» корень. В них обнаружены плазмиды, похожие на Ti. Они названы Ri или корнеиндуцирующими.
В последние годы Ri-плазмиды применяются в генной инженерии растений не менее широко, чем Ti-плазмиды. Это объясняется, прежде всего, тем, что клетки корончатых галлов плохо растут на искусственно питательных средах и из них не удаётся вырастить целые растения. Напротив, клетки «бородатого» корня хорошо культивируются и регенерируются.
Использование вирусов
Вирусы также достаточно часто используются для конструирования векторов, обеспечивающих перенос новых генов в растения. Чаще других для этой цели выделяют вирус мозаики цветной капусты. В природе он заражает только крестоцветные, однако известно, что в экспериментальных условиях способен поражать и другие виды растений.
Геном вируса мозаики представляет собой небольшую двунитевую кольцевую ДНК. Некоторые из его генов могут быть заменены на другие, интересующие исследователя. Проникая в растительную клетку, вирус вносит в неё не только свою собственную ДНК, но и встроенный в неё чужеродный ген.
Векторной системой, способной переносить новые гены в растения, могут быть и вирусы, у которых генетический материал представлен РНК. Вирусы этой группы способны с высокой частотой проникать в растительные клетки, активно в них размножаться и тем самым обеспечивать высокий уровень экспрессии введённых генов вследствие увеличения их количества.
Конструирование рекомбинантной ДНК
Техника встраивания генов в векторы предназначенных для растений аналогична той, что используется для бактериальных клеток. Плазмидная ДНК и ДНК вирусов разрезается рестриктазами с образованием «липких» концов. Если применяется фермент, образующий тупые концы, пользуются короткими фрагментами ДНК. Встраивая новый ген в подготовленный плазмидный или вирусный вектор с помощью ДНК-лигазы, получают рекомбинантную ДНК.
Направления генной инженерии растений
Основные направления генной инженерии растений связаны с созданием культур, устойчивых к насекомым-вредителям, гербицидам и вирусам, способных к азотфиксации, а также с повышением качества и количества продуктов.
Растения устойчивые к насекомым-вредителям
Насекомые-вредители могут приводить к значительному снижению урожая различных сельскохозяйственных культур. Для борьбы с ними используются химические вещества,
называемые инсектицидами. Первым инсектицидом, завоевавшим всемирное признание, оказалась бордосская жидкость.
Помимо препаратов, синтезированных химически, известны инсектициды, полученные на основе естественных врагов насекомых – бактерий и грибов. Многие годы в мире применяют инсектициды бактериального происхождения – препараты спор, которые образует почвенная бактерия Bacillus thuringiensis («тюрингская бацилла», или сокращённо Bt). Инсектицидная активность этих спор связана с находящимися в них ядовитыми кристаллами белка эндотоксина. Проглотив такую спору, гусеница вскоре погибает от паралича кишечника.
Преимущество инсектицидов этого типа в том, что они не токсичны для человека и животного, их легко отмыть и инактивировать. Недостаток таких инсектицидов – сравнительно короткий период активности в полевых условиях. Эффективность их действия при распылении на растения колеблется, и её трудно прогнозировать. Всё это обуславливает необходимость повторных обработок.
Новое направление в борьбе с насекомыми-вредителями – создание на основе генно-инженерной технологии устойчивых к ним трансгенных растений. Успешными оказались исследования Марка ван Монтегю и его коллег из Гентского университета, результаты которых они опубликовали в работе «Трансгенные растения, защищённые от нападения насекомых» (1987).
Они выделили ген, кодирующий синтез белка эндотоксина, из ДНК тюрингской бациллы и вставили его в векторную Ti-плазмиду бактерии A. tumefaciens. Этой агробактерией заражали диски, вырезанные из кусочков листьев табака. Трансформированную растительную ткань выращивали на питательной среде определённого химического состава, которая обеспечивала рост и развитие трасгенных растений с листьями, содержащими белок эндотоксин. При попадании в кишечник некоторых видов насекомых эндотоксин связывается с их внутренней поверхностью и повреждает эпителий, в результате переваренная пища не всасывается и насекомое погибает от голода.
В последние годы ген бактериального токсина удалось ввести в клетки многих растений. В частности, специалисты компании «Monsanto» создали картофель «New Leaf» («Новый лист»), устойчивый к колорадскому жуку, Bt-кукурузу и Bt-хлопок, сою «Roundup Ready» и др. Однако использование Bt-культур вызывает сомнения из-за здоровья человека и безопасность окружающей среды. Так, многие задаются вопросом: если колорадский жук не ест ботву, полезен ли такой картофель? Нет уверенности в том, что растительная продукция с «генными добавками» не повлияет отрицательно на будущее поколение.
При этом перенос пыльцы генетически модифицированных культур на растения соседних полей приведёт к их генетическому загрязнению, последствия которого трудно предсказуемы. На биологическое разнообразие может повлиять гибель полезных насекомых, для которых Bt-культуры оказались опасными. Кроме того, возможно, появятся супервредители, так как исходные виды насекомых достаточно быстро могут приобрести устойчивость к бактериальному эндотоксину.
Растения, устойчивые к вирусам
Создание вирусоустойчивых сортов – ещё одно направление генной инженерии растений.
Для создания таких сельскохозяйственных растений используется так называемая перекрёстная защита. Сущность этого является в том, что растения, инфицированные одним видом вируса, становятся устойчивыми к другому, родственному вирусу, так как происходит своего вида вакцинация. В растения вводят ген ослабленного штамма вируса, что предотвращает его поражение более вирулентным (вызывающим заболевание) штаммом того же или близкородственного вируса.
Таким геном-защитником может служить ген, кодирующий у вируса синтез белка оболочки, окружающий нуклеиновую кислоту. Этот ген используется для создания in vitro с помощью обратной транскриптазы к ДНК - ДНК-копии. К ней присоединяют необходимые регуляторные элементы и с помощью специальным образом подготовленной Ti-плазмидой агробактерии переносят в растения. Трансформированные растительные клетки синтезируют белок оболочки вируса, а выращенные из них трансгенные растения либо совсем не заражаются его более вирулентными штаммами, либо дают слабую и запоздалую реакцию на вирусную инфекцию.
Это один из механизмов защитного действия вирусного гена, который до сих пор не вполне ясен и может сопровождаться нежелательными последствиями.
Генетическое модифицирование – новая версия сельского хозяйства
Генетическое модифицирование сельского хозяйства основано на использовании высокопродуктивных сортов растений или пород животных, полученных на основе генной селекции. Именно этим благородным делом занимаются десятилетиями генетики-селекционеры. Но их возможности ограничены рамками скрещиваний – скрещиваться и давать плодовитое потомство могут только особи, принадлежащие как правило, к одному и тому же виду. Картофель и кукуруза не обладают способностью поражать колорадского жука и кукурузного стеблевого мотылька, а безвредная для человека и животных бактерия Bacillus thuringinesis может их убивать. Генетики скрестить бациллу с картофелем не могут, а генные инженеры - могут. Генетическая селекция улучшает количественные характеристики сорта или породы (урожайность, устойчивость к заболеваниям, надои и др.); генная инженерия способна создать новое качество – перенести ген, его кодирующий, из одного биологического вида в другой, в частности, ген инсулина от человека в дрожжи. И генетически модифицированные дрожжи станут фабрикой инсулина.
Считается, что единственное принципиальное препятствие, стоящее перед генными инженерами,- это или их ограниченная фантазия, или ограниченное финансирование. Непреодолимых природных ограничений в генной инженерии, похоже, нет.
Генная инженерия: от анализа к синтезу
Как мы уже знаем именно в 1972г. Пол Берг впервые объединил в пробирке в единое целое два гена, выделенных из разных организмов. И получил «молекулярный» гибрид, или рекомбинантную ДНК, которая в природных условиях никак образоваться не могла. Затем такую рекомбинантную ДНК внесли в бактериальные клетки, создав, таким образом, первые трансгенные организмы, несущие гены бактерии и обезьяны, точнее онкогенного вируса обезьяны.
Затем были сконструированы микробы, несущие гены мушки дрозофилы, кролика, человека. Это вызвало тревогу.
Несколько ведущих американских учёных, в том числе сам Пол Берг, опубликовали в журнале «Сайенс» письмо, в котором призывали приостановить работы по генной инженерии до тех пор, пока не будут выработаны правила техники безопасности по обращению с трансгенными организмами. Предполагалось, что организмы, которые несут чужеродные гены, могут иметь свойства, опасные для человека и среды его обитания. Чисто умозрительно высказывалось мнение, что трансгенные организмы, созданные без учёта их вероятных экологических характеристик и не прошедшие совместной эволюции с природными организмами, «вырвавшись из пробирки на свободу», смогут бесконтрольно и неограниченно размножиться. Это приведёт к вытеснению природных организмов из мест их естественного обитания; последующей цепной реакции нарушений экологического равновесия; сокращению биоразнообразия; активации дремлющих, ранее не известных патогенных микроорганизмов; возникновению эпидемий ранее не известных болезней человека, животных и растений; «побегу» чужеродных генов из трансгенных организмов; хаотическому переносу генов в биосфере; появлению монстров, всё уничтожающих.
Две версии будущего: трансгенный рай или трансгенный апокалипсис
Кроме опасений биологического и экологического характера стали высказываться опасения нравственные, этические, философские, религиозные.
В 1973-1974гг. в дискуссию включились американские политики. В итоге на генно-инженерные работы был наложен временный мораторий – «запрет до выяснения обстоятельств». В течение запрета на основании всех имеющихся знаний следовало оценить все потенциальные опасности генной инженерии и сформулировать правила техники безопасности. В 1976г. Правила были созданы, запрет снят. По мере всё ускоряющегося развития строгость правил безопасности всё время снижалась. Первоначальные страхи оказались сильно преувеличенными.
В итоге 30-летнего мирового опыта генной инженерии стало ясно, что в процессе «мирной» генной инженерии что-либо мирного возникнуть не может. Первоначальная техника безопасности работ с трансгенными организмами исходила из того, что созданные химеры могут быть опасны, как чума, чёрная оспа, холера или сибирская язва. Поэтому с трансгенными микробами работали, словно они патогенны, в специальных инженерных сооружениях. Но постепенно становилось всё более очевидным: риск сильно преувеличен.
В общем, за все 30 лет интенсивного и всё расширяющегося применения генной инженерии ни одного случая возникновения опасности, связанной с трансгенными организмами, зарегистрировано не было.
Возникла новая отрасль промышленности – трансгенная биотехнология, основанная на конструировании и применении трансгенных организмов. Сейчас в США около 2500 генно-инженерных фирм. В каждой из них работают высококвалифицированные специалисты, которые конструируют организмы на основе вирусов, бактерий, грибов, животных, в том числе насекомых.
Когда речь идёт об опасности или безопасности трансгенных организмов и продуктов из них полученных, то самые распространённые точки зрения основываются преимущественно на «общих соображениях и здравом смысле». Вот, что обычно говорят те, кто против:
- природа устроена разумно, любое вмешательство в неё всё только ухудшит;
- поскольку сами учёные не могут со 100%-ной гарантией предсказать всё, особенно
- отдалённые последствия применения трансгенных организмов, не надо этого делать вообще.
А вот аргументы тех, кто выступает за:
- в течение миллиардов лет эволюции природа успешно «перепробовала» все
- возможные варианты создания живых организмов, почему же деятельность человека по
- конструированию изменённых организмов должна вызывать опасения?
- в природе постоянно происходит перенос генов между разными организмами (в
- особенности между микробами и вирусами), так что ничего принципиально нового
- трансгенные организмы в природу не добавят.
Дискуссия о выгодах и опасностях применения трансгенных организмов обычно концентрируется вокруг главных вопросов о том, опасны ли продукты, полученные из трансгенных организмов и опасны ли сами трансгенные организмы для окружающей среды?
Защита здоровья и окружающей среды, или бесчестная борьба за экономические интересы?
Нужна ли международная организация, которая на основе предварительной экспертизы регулировала бы применение трансгенных организмов? Чтобы она разрешала или запрещала выпуск на рынок продуктов, полученных из таких организмов? Ведь семена, тем более пыльца границ не признают.
А если международное регулирование биотехнологии не нужно, не приведёт ли чересполосица национальных правил, регулирующих обращение с трансгенными организмами, к тому, что из стран, где такие правила «либеральны», трансгенные растения «убегут» в страны, где правила «консервативны»?
Даже если большинство стран и договорятся о согласовании правил оценки риска трансгенных организмов, как быть относительно профессиональных и моральных качеств чиновников и экспертов? Будут ли они одинаковыми, например, в США, Германии, Китае, России и в Папуа Новой Гвинее?
Если развивающиеся страны и подпишут, например Всемирную конвенцию о правилах интродукции трансгенных организмов, кто им заплатит за создание и поддержание соответствующих национальных ведомств, за консультации, экспертизу, мониторинг?
Примерно половина всех программ, разработанных ООН, UNIDO, UNEP, направлены на решение проблем, связанных с трансгенными организмами. Есть два главных документа: «Кодекс добровольно принимаемых правил, которые надлежит придерживаться при интродукции (выпуске) организмов в окружающую среду», подготовленный Секретариатом UNIDO и «Протокол по биобезопасности в рамках Конвенции по биологическому разнообразию» (UNEP).
Европейская точка зрения: отсутствие международно-согласованных правил применения трансгенных организмов приведёт к широкомасштабным экспериментам в открытой среде, вредные последствия которых могут быть необратимыми.
Итак, где же истина? Можно ли сделать рациональный выбор между определённой пользой и неопределённым риском? Правильный ответ таков: опасны или безопасны трансгенные растения и продукты на их основе, опасность или безопасность которых пока убедительно не показаны исходя из современного уровня знаний, разумнее избегать их употребления.
Продукты питания, модифицированные методами генной инженерии
Первое опытное растение было получено в 1983 году в институте растениеводства в Кёльне. Через 9 лет в Китае начали выращивать трансгенный табак, который не портили насекомые-вредители. Первыми коммерческими трансгенами были помидоры сорта «Flavr Savr», созданные компанией «Calgene» и появившиеся в супермаркетах США в 1994г. Однако некоторые проблемы, связанные с их производством и транспортировкой, привели к тому, что компания была вынуждена уже через три года снять сорт с производства. В дальнейшем были получены многие сорта различных сельскохозяйственных культур с искусственно изменённым генетическим кодом. Среди них наиболее распространена соя (коммерческое выращивание начато с 1995г.), она составляет свыше половины от общего урожая; на втором месте – кукуруза, а за ними – хлопок, масленичный рапс, табак и картофель.
Мировые лидеры в выращивании трансгенных растений – США, Аргентина, Канада и Китай. В России уже существует несколько экспериментальных «закрытых» полей с генетически модифированными (ГМ) культурами. По сообщению директора Центра «Биоинженерии» РАН академика К.Скрябина, некоторые из них заняты картофелем, устойчивым к колорадскому жуку и полученным на основе трёх наиболее распространенных российских сортов – «Луговского», «Невского» и «Елизаветы».
Генетически модифицированные растения используются для производства, как продуктов питания, так и пищевых добавок. Например, из сои получается соевое молоко, которое заменяет натуральное для многих грудных детей. ГМ сырьё обеспечивает большую часть потребности в растительном масле и пищевом белке. Соевый лецитин (Е322) используется как эмульгатор и стабилизатор в кондитерской промышленности, а шкурки соевых бобов – при производстве отрубей, хлопьев и закусок. Помимо этого, ГМ-соя широко применяется в пищевой промышленности и в качестве дешёвого наполнителя. Она в значительном количестве входит в состав таких продуктов, как хлеб, колбаса, шоколад и др.
Модифицированные картофель и кукурузу используют для приготовления чипсов, а также перерабатывают на крахмал, который применяют в качестве загустителей, студнеобразователей и желирующих веществ в кондитерской и хлебопекарной промышленности, а также при производстве многих соусов, кетчупов, майонезов. Кукурузное и рапсовое масло используют в виде добавок в маргарин, выпечку, бисквиты и т.д.
Несмотря на то, что на мировом рынке всё больше появляется продуктов, полученных с использованием генетически модифицированных источников, потребители всё-таки настороженно относятся к ним, и не торопятся переходить на «пищу Франкенштейна».
Проблема продуктов питания, модифицированных на основе генной инженерии, вызвала бурную полемику в обществе. Главный аргумент сторонников генетической пищи – характеристики самих сельскохозяйственных культур, которым биоинженеры прибавили немало полезных для потребителя свойств. Они менее прихотливы и более устойчивы к болезням, насекомым-вредителям, а главное – к пестицидам, которыми обрабатываются поля и чей вред на человеческий организм давно доказан. Продукты из них лучшего качества и товарного вида, обладают повышенной пищевой ценностью и дольше хранятся.
Так, из «улучшенных» генными инженерами кукурузы, соевых бобов и рапса получается растительное масло, в котором снижено количество насыщенных жиров. В «новых» картофеле и кукурузе больше крахмала и меньше воды. Такой картофель при жарке требует немного масла, из него получаются воздушные чипсы и картофель фри, который сравнительно с немодифицированными продуктами легче усваивается. «Золотой» рис, полученный в 1999г., обогащён каротином для профилактики слепоты у детей развивающихся стран, Гед рис – основной продукт питания.
Ещё недавно прогнозы генных инженеров о «съедобных вакцинах» выглядели как полная фантастика. Однако уже выращен табак, в генетический код, которого «вмонтирован» человеческий ген, отвечающий за выработку антител к вирусу кори. В ближайшем будущем, по утверждению учёных, будут созданы другие подобные растения с противовирусной начинкой. В перспективе это может стать одним из главных путей будущей иммунопрофилактики.
Основной вопрос: безопасны ли для человека продукты питания, полученные на основе генетически модифицированных источников, пока остается без однозначного ответа, хотя в последние годы стали известны результаты некоторых исследований, которые свидетельствуют о том, что генетически модифицированные продукты отрицательно влияют на живые организмы.
Так, британский профессор Арпад Пуштай (Arpad Pusztai), работавший в Государственном Институте Роветт (Rowett) города Абердин, в апреле 1998г. заявил в телевизионном интервью, что проведённые им эксперименты выявили необратимые изменения в организме крыс, питавшихся генетически модифицированным картофелем. Они страдали угнетением иммунной системы и различными нарушениями деятельности внутренних органов. Заявление учёного стало поводом для его увольнения с работы за «распространение заведомо ложной псевдонаучной информации».
Однако в феврале 1999г. независимая группа из 20 известных учёных после тщательного изучения опубликовала заключение о работе Арпада Пуштая, в котором полностью подтверждалась достоверность полученных им результатов. В связи с этим министр сельского хозяйства Великобритании был вынужден признать эксперименты заслуживающими внимания и рассмотреть вопрос о запрещении продаж генетически модифицированных продуктов без всестороннего исследования и предварительного лицензирования.
Помимо этого, выявлено, что один из сортов генетически модифицированной сои опасен для людей, он давал аллергию на орехи. Этот генно-модифицированный продукт получен одной из крупнейших компаний по производству семян «Pioneer Hybrid International» после введения в соевую ДНК гена бразильского ореха, запасной белок, которого богат такими аминокислотами, как цистеин и метионин. Компания была вынуждена выплатить компенсацию пострадавшим, а проект свернуть.
Компоненты, содержащиеся в генетически модифицированных продуктах, могут быть не только аллергенами, но и высокотоксичными, то есть наносящими вред живому организму химическими веществами. Так, через несколько лет применения появились сообщения о серьёзных побочных эффектах от использования пищевой добавки, известной как аспартам (Е 951).
По химическому строению аспартам – метилированный дипептид, состоящий из остатков двух аминокислот – аспарагиновой кислоты и фенилаланина. Добавленный в пищу в ничтожных количествах, он полностью заменяет сахар (слаще сахара почти в 200 раз). В связи с этим аспартам относят к классу подсластителей, то есть низкокалорийных веществ несахарной природы, придающих пищевым продуктам и готовой пищи сладкий вкус. Часто подсластители путают с сахарозаменителями, которые по химической природе представляют собой углеводы и обладают повышенной калорийностью.
Аспартам выпускается под различными торговыми марками: «NutraSweet», «Sucrelle», «Equal», «Spoonful», «Canderel», «Holy Line» и др. На российском рынке его можно встретить также в составе многокомпонентных смесей подсластителей, таких, как «аспасвит», «аспартин», «сламикс», «евросвит», «сладекс» и др.
Долгие годы, считаясь совершенно безвредным веществом, аспартам был допущен к применению в пищевом и фармацевтическом производстве более чем в 100 странах мира. Его рекомендовали больным сахарным диабетом, а также тем, кто страдал ожирением или опасался кариеса. Он применяется при производстве более 5 тыс. наименований продуктов: безалкогольных напитков, йогуртов, молочных десертов, мороженого, кремов, жевательной резинки и других.
Особенно удобен аспартам для подслащивания пищевых продуктов, которые не требуют тепловой обработки. Кроме того, его можно использовать при моментальной пастеризации и быстром охлаждении. Однако в продуктах, которые подвергаются нагреванию, его применение нецелесообразно. Это связано с тем, что при всех замечательных свойствах у данного подсластителя есть два недостатка: он плохо растворяется в воде и не выдерживает высокой температуры. Сказанное усложняет процесс приготовления пищевых продуктов и ограничивает использование аспартама в таких областях, как хлебопекарная и другие виды пищевой промышленности, где технологически требуется повышение температуры.
При продолжительном воздействии температуры выше 30 С компоненты аспартама разделяются, причём сладость теряется, кроме того, метанол превращается в формальдегид. Последнее вещество с резким запахом вызывает свёртываемость белковых веществ и относится к категории ядовитых. В дальнейшем из формальдегида образуется муравьиная кислота, вызывающая нарушение кислотно-щелочного равновесия. Метаноловая токсичность по симптомам похожа на рассеянный склероз, поэтому больным нередко ошибочно ставили этот диагноз. Однако если рассеянный склероз не является смертельным диагнозом, то метаноловая токсичность смертельна.
Образовавшийся фенилаланин способен оказать чрезвычайно токсичное действие, особенно на нервную систему. Существует наследственное заболевание, обусловленное его избыточностью и известно как фенилкетонурия. Дети, родившиеся с названным наследственным недугом, подвержены судорогам и страдают умственной отсталостью. Причина этой болезни во врождённом дефекте фермента фенилаланингидроксилазы.
Последние достижения медицинской генетики установили, что эффективно усваивать фенилаланин могут даже не все здоровые люди. Поэтому дополнительное введение в организм данной аминокислоты не просто значительно повышает её уровень в крови, а представляет серьёзную опасность для работы мозга.
В связи со сказанным, аспартам противопоказан больным гомозиготной фенилкетонурией, и о его присутствии должно быть указано на этикетке пищевого продукта. Однако обычно запись «содержит фенилаланин, противопоказан для больных фенилкетонурией» делается таким мелким шрифтом, что её редко кто читает. Но, тем не менее, аспартам – пока единственный генетически созданный химический препарат на американском рынке, имеющий чёткую маркировку. Это оказалось возможным только после того, как стало известно относительно большое число явных подтверждений опасной токсичности аспартама, а наиболее популярные газеты и журналы США не назвали его «сладкой отравой».
Устойчивость к антибиотикам – ещё одна широко обсуждаемая проблема, связанная с генетически модифицированной пищей. В биоинженерной технологии гены устойчивости к этим лекарственным препаратам много лет используются в качестве маркеров при подготовке векторных систем, трансформирующих растительную клетку. Так, при выведении томатов сорта «Flavr Savr» использовался ген устойчивости к каналицину, а генетически модифицированной кукурузы – к ампициллину.
К сожалению, до сих пор не найден способ удаления этих маркерных генов после трансформации. Их наличие в генетически модифицированных продуктах и вызывает беспокойство медиков. Причина в том, что маркерные гены устойчивости к антибиотикам по каким-либо причинам могут быть не переварены со всей оставшейся ДНК и попадут в геном бактерий, обитающих в кишечнике человека. После выведения бактерий из организма с фекалиями, такие гены распространятся в окружающей среде и передадутся другим болезнетворным бактериям, которые станут невосприимчивыми к действию антибиотиков этой группы. Появление подобных супермикробов может привести к возникновению болезней, которые невозможно будет вылечить имеющимися лекарственными средствами.
Этапы создания трансгенного организма
- Выделение изолированного гена с нужными свойствами. Сегодня для этого существуют достаточно надёжные технологии, есть даже специально подготовленные библиотеки генов.
- Ввод гена в вектор для переноса. Для этого создаётся специальная конструкция – трансген, с одним или несколькими отрезками ДНК и регуляторными элементами, который встраивается в геном вектора и подвергается клонированию при помощи лигаз и рестриктаз. В качестве вектора обычно используются кольцеобразные бактериальные ДНК – плазмиды.
- Встраивание вектора в организм реципиента. Этот процесс скопирован с аналогичного природного процесса встраивания ДНК вируса или бактерии в клетки носителя и действует таким же образом.
- Молекулярное клонирование. При этом клетка, подвергшаяся модификации, успешно делится, производя множество новых дочерних клеток, которые содержат изменённый геном и синтезируют белковые молекулы с заданными свойствами.
- Отбор ГМО. Последний этап ничем не отличается от обычной селекционной работы.
Проект «Геном человека»
В 1990 году в США был начат проект "Геном человека", целью которого было определить весь генетический год человека. Проект, в котором важную роль сыграли и российские генетики, был завершён в 2003 году. В результате проекта 99% генома было определено с точностью 99,99%.
Невероятные примеры генной инженерии
Эко-свинья, или как критики ее еще называют Франкенсвин - это свинья, которая была генетически изменена для лучшего переваривания и переработки фосфора.
В 2007 году южнокорейский ученый изменил ДНК кота, чтобы заставить его светиться в темноте, а затем взял эту ДНК и клонировал из нее других котов, создав целую группу пушистых флуоресцирующих кошачьих
Ученые недавно выделили ген, отвечающий за яд в хвосте скорпиона, и начали искать способы введения его в капусту.
Ученые Вашингтонского университета работают над созданием тополей, которые могут очищать загрязненные места при помощи впитывания через корневую систему загрязняющих веществ, содержащихся в подземных водах.
Генетически модифицированный лосось компании «AquaBounty» растет в два раза быстрее, чем обычная рыба этого вида.
Так же есть и опасности в генной инженерии
Опасности генной инженерии:
В результате искусственного добавления чужеродного гена непредвиденно могут образоваться опасные вещества.
Могут возникнуть новые и опасные вирусы.
Знания о действии на окружающую среду модифицированных с помощью генной инженерии организмов, привнесённых туда, совершенно недостаточны.
Не существует совершенно надёжных методов проверки на безвредность.
В настоящее время генная инженерия технически несовершенна, так как она не в состоянии управлять процессом встраивания нового гена, поэтому невозможно предсказать результаты.
Спасибо за внимание! надеемся вам понравилось данная статья.
CRISPR CAS9 или революция в генной инженерии
В 2014 году MIT Technology Review назвал эту технологию редактирования генов как «самое большое биотехнологическое открытие века».
«Не будет преувеличением сказать, что CRISPR был революционным открытием», — говорит Марк Меркола, доктор философии, профессор сердечно-сосудистой медицины и член Стэнфордского института сердечно-сосудистых заболеваний.
«С CRISPR мы можем проводить генетические эксперименты, которые были бы невообразимыми всего несколько лет назад, не только в отношении наследственных заболеваний, но и генов, которые способствуют приобретенным заболеваниям, включая СПИД, рак и болезни сердца».
На фото пионеры технологии CRISPR (cлева направо): Джордж Чёрч, Дженнифер Дудна, Чжан Фэн и Эммануэль Шарпантье
Еще давным давно многие ученые отмечали, что система CRISPR является естественной защитной системой организма от бактерий. В 1993 году Франциско Мохика был первым исследователем, который охарактеризовал то, что сейчас называется CRISPR.
Однако профессору Дудне и ее коллегам приписывают прорывное открытие того, как CRISPR может использоваться для того, чтобы можно было самостоятельно направить изменения генома в бактериях. Ученые на фото изменили систему, чтобы сделать ее более удобной для других ученых.
В 2012 году лаборатории Дудны и Шарпантье упростили компонент направляющей РНК (объединяя 2 элемента РНК в один). Затем они подтвердили, что CRISPR можно использовать для прямого разрезания двухцепочечной ДНК в любом желаемом месте.
В 2013 году д-р Фенг Чжан (Широкий институт Массачусетского технологического института и Гарварда) открыл ключевое новшество в настройке CRISPR, оптимизировав систему для клеток млекопитающих (то есть людей).
Что же представляет из себя это технология, в чем ее основное отличие от предыдущих способов модификации генов и в чем заключается ее революционность? Давайте разбираться.
CRISPR/Cas9 — это метод, который позволяет осуществлять высокоточную и быструю модификацию ДНК в геноме, с его помощью может быть задан любой набор генетических инструкций в организме.
Какие болезни могут быть излечены с помощью CRISPR CAS9
Теоретически технология CRISPR может позволить нам редактировать любую генетическую мутацию по желанию, излечивая заболевание, которое она вызывает. Однако на практике мы только начинаем разработку CRISPR в качестве терапии, и много чего по прежнему остается непонятным.
Но если бы у вас была хоть какая-то возможность вылечить какое-нибудь генетическое заболевание, с чего бы вы начали? Ниже представлены семь болезней, с которыми ученые уже борются с помощью CRISPR-Cas9, и которые в конечном итоге могут стать первыми состояниями, которые будут использоваться для применения этой революционной технологии:
1. Рак
Первые применения CRISPR могли бы быть при раке. Действительно, одно из первых и самых передовых клинических испытаний CRISPR, которое в настоящее время проводится в Китае, заключается в тестировании потенциала инструмента редактирования генов для лечения пациентов с запущенным раком пищевода.
Лечение тестируется в онкологической больнице Ханчжоу, начинается с извлечения у пациента иммунных Т-клеток. Используя CRISPR, клетки модифицируются для удаления гена, который кодирует белок PD-1 — некоторые опухоли способны связываться с этим белком на поверхности иммунных клеток и инструктировать их не атаковать.
Затем модифицированные клетки помещают в пациента с более высокой способностью атаковать раковые клетки.
До настоящего времени, по крайней мере, 86 человек с различными формами рака прошли курс лечения CRISPR в Китае. В США другое исследование CRISPR, в котором первые пациенты прошли лечение в апреле 2019 года, также нацелено на рак.
Ученые из Университета Пенсильвании используют CRISPR для удаления PD-1, а также для изменения молекулы на поверхности иммунных клеток, чтобы они могли находить и атаковать опухоли.
2. Заболевания крови
Первое исследование CRISPR в Европе и США, в котором был зарегистрирован первый пациент в феврале этого года, направлено на лечение бета-талассемии и серповидноклеточной анемии, двух заболеваний крови, которые влияют на транспорт кислорода в крови.
Терапия, разработанная CRISPR Therapeutics и Vertex Pharmaceuticals, заключается в сборе стволовых клеток костного мозга у пациента и использовании технологии CRISPR, чтобы заставить их вырабатывать фетальный гемоглобин, естественную форму несущего кислород белка, который связывает кислород гораздо лучше, чем взрослая форма.
Перед началом испытания FDA отложило его в США, чтобы прояснить некоторые вопросы безопасности. Несколько месяцев спустя трюм был снят, и лечение было назначено для ускоренного определения обоих состояний.
Гемофилия — еще одно заболевание крови, с которым может справиться технология CRISPR. CRISPR Therapeutics работает с Casebia над терапией CRISPR в естественных условиях, где инструмент для редактирования генов доставляется непосредственно в печень.
3. Слепота
CRISPR — отличный кандидат для лечения генетической слепоты. Многие наследственные формы слепоты вызваны специфической мутацией, что позволяет легко поручить CRISPR-Cas9 нацеливаться и модифицировать один ген.
Кроме того, глаз является частью тела, лишенной иммунитета, то есть активность иммунной системы там ограничена. Это становится преимуществом ввиду опасений относительно возможности того, что CRISPR может вызвать против него иммунные реакции, которые блокируют его активность и приводят к побочным эффектам.
Editas Medicine работает над терапией CRISPR для лечения врожденного амавроза Лебера, наиболее частой причины наследственной слепоты у детей, для которой нет лечения.
Компания ставит своей целью выявить наиболее частые мутации, вызывающие заболевание, используя CRISPR для восстановления функции светочувствительных клеток до того, как дети полностью потеряют зрение.
4. СПИД
Существует несколько способов, с помощью которых технология CRISPR может помочь нам в борьбе со СПИДом. Один из них использует CRISPR, чтобы вырезать ДНК вируса ВИЧ из его укрытия в ДНК иммунных клеток. Этот подход может быть использован для атаки на вирус в его скрытой, неактивной форме, что делает возможным полное избавление от вируса.
Другой подход может сделать нас устойчивыми к ВИЧ-инфекции. Некоторые люди рождаются с естественной устойчивостью к ВИЧ благодаря мутации в гене, известном как CCR5, который кодирует белок на поверхности иммунных клеток, который ВИЧ использует в качестве точки входа для заражения клеток. Мутация изменяет структуру белка, так что вирус больше не может связываться с ним.
Этот подход был использован в очень спорном случае в Китае в прошлом году. CRISPR-Cas9 использовался для редактирования человеческих эмбрионов, чтобы сделать их устойчивыми к ВИЧ-инфекциям.
Эксперимент вызвал возмущение среди научного сообщества, причем некоторые исследования указывают на то, что «дети CRISPR» могут подвергаться большему риску умереть моложе. Общее мнение, по-видимому, заключается в том, что необходимы дополнительные исследования, прежде чем этот подход можно будет использовать у людей.
5. Муковисцидоз
Муковисцидоз является генетическим заболеванием, которое вызывает серьезные проблемы с дыханием. Хотя существуют способы лечения симптомов, продолжительность жизни человека с этим заболеванием составляет всего около 40 лет.
Технология CRISPR может помочь нам найти причину проблемы, отредактировав мутации, вызывающие муковисцидоз, которые находятся в гене CFTR.
Исследователи доказали, что можно использовать CRISPR в клетках легких человека, полученных от пациентов с муковисцидозом, и зафиксировать наиболее распространенную мутацию, лежащую в основе заболевания. Следующим шагом будет его тестирование на людях, что планируют сделать и Editas Medicine, и CRISPR Therapeutics.
Однако муковисцидоз может быть вызван множеством различных мутаций в гене CFTR, а это означает, что для различных генетических дефектов необходимо будет разработать различные методы лечения CRISPR. Editas заявил, что он будет смотреть на наиболее распространенные мутации, а также некоторые из редких, для которых нет лечения.
6. Мышечная дистрофия
Мышечная дистрофия Дюшенна вызвана мутациями в гене DMD, который кодирует белок, необходимый для сокращения мышц. Дети, рожденные с этим заболеванием, страдают от прогрессирующей мышечной дегенерации, и в настоящее время нет никакого лечения, кроме паллиативной помощи.
Исследования на мышах показали, что технология CRISPR может использоваться для устранения множественных генетических мутаций, лежащих в основе заболевания.
В прошлом году группа исследователей в США раскрыла инновационный метод, который вместо того чтобы фиксировать каждую мутацию в отдельности, использовал CRISPR, чтобы сократить 12 стратегических «горячих точек мутации», охватывающих большинство из примерно 3000 различных мутаций, вызывающих это мышечное заболевание.
Компания под названием Exonics Therapeutics была выделена для дальнейшего развития этого подхода.
Editas Medicine также работает над терапией CRISPR при мышечной дистрофии Дюшенна. Он также следует более широкому подходу, где вместо фиксации мутаций CRISPR удаляет целые участки мутированного белка, что делает белок более коротким, но все же функционирующим.
7. Болезнь Хантингтона
Болезнь Хантингтона — это нейродегенеративное состояние с сильным генетическим компонентом. Заболевание вызвано аномальным повторением определенной последовательности ДНК в гене Хантингтина. Чем больше количество копий, тем раньше болезнь проявится.
Лечение Хантингтона может быть сложным, так как любое нецелевое воздействие CRISPR на мозг может иметь очень опасные последствия. Чтобы уменьшить риск, ученые ищут способы настроить инструмент редактирования генов, чтобы сделать его более безопасным.
Американские исследователи разработали KamiCas9, версию CRISPR-Cas9, которая включает «кнопку самоуничтожения». Группа польских исследователей выбрала сочетание CRISPR-Cas9 с ферментом под названием nickase, чтобы сделать редактирование генов более точным.
Биохакинг в генной инженерии
Университеты и фармацевтические компании уже не единственные платформы, доступные ученым. Многие независимые ученые проводят эксперименты в небольших частных лабораториях.
Некоторые биологи работают из временных лабораторий в своем собственном подвале, другие присоединяются к общественным лабораторным пространствам, которые открыты для публики.
Эти небольшие независимые лаборатории являются частью более широкого движения, называемого «Самодельная биология» («Сделай сам») (англ. Do-it-yourself biology (DIY biology). Фраза «биохакерство» часто используется для описания этого процесса подпольной или неинституциональной биотехнологии.
Джошуа Зайнер
Джошуа Зайнер — бывший сотрудник синтетической биологии НАСА и один из первых биохакеров, который применил CRISPR CAS9 для редактирования собственного генома.
В 2017 году он сделал инъекцию CRISPR с ретровирусом, несущим новую версию гена, кодирующего мышечный белок миостатин, на биотехнологической конференции, транслируя трюк в прямом эфире, чем вызвал огромный резонанс обсуждений в обществе.
Сделал он это, разумеется, не ради хлеба и зрелищ, а пытаясь донести до людей несколько очень интересных и важных идей, касаемо применения технологии.
По словам ученого, основной целью эксперимента было не сделать себе больше мышц или изменить свою ДНК.
Цель эксперимента была изложена в видео, которое я разместил. Я не ожидал, что эксперимент будет работать, и моя цель не состояла в том, чтобы нарастить мускулы.
Целью было показать, что есть больницы или компании, занимающиеся генной терапией, которая может стоить вам $2,1 млн, тогда как я могу очень легко заказать оборудование онлайн и сделать себе инъекцию. Это буквально просто инъекция людям ДНК или вируса с ДНК. Вот и все. Это так просто.
Доктор Зайнер считает, что CRISPR настолько прорывная технология, что она должна быть доступна всем людям, и если CRISPR станет ключевым научным инструментом будущего, то ученые-любители уже сейчас должны учиться экспериментировать с ним у себя дома.
В настоящее время Джошуа Зайнер является генеральным директором и основателем компании ODIN, которая занимается продажей наборов для редактирования генов своими руками у себя дома.
Наборы содержат все необходимое начинающему ученому для проведения экспериментов CRISPR на дрожжах или бактериях.
За $130 вы можете попробовать переработать бактерии, чтобы они могли выжить на еде, с которой обычно бы не справились. Или за $160 можете включить эукариот и отредактировать ген дрожжей ADE2, чтобы дать ему красный пигмент.
Вот основные идеи, которые продвигает Зайнер:
- Децентрализация.
У вас есть два подхода к этому. Есть подход, при котором вы можете сделать технологию с большими инвестициями в систему, а затем попытаться сделать ее доступной для людей с помощью субсидий и других вещей.
Или вы могли бы начать с самого низа, научите всех, как использовать технологию, и затем технология становится доступной с самого начала. Никогда не возникает вопрос: «Ну, у всех будет доступ к ней?» Да, у всех будет доступ к ней, потому что все знают, как сделать это самим с нуля.
- Доступность.
Мы просто делаем эту технологию доступной на самом базовом уровне. Мы постоянно отправляем комплекты в такие места, как Непал, и в африканские страны, такие как Сенегал и Нигерия, и мы отправляем комплекты в США в районы с низким уровнем дохода. Мы думаем, что каждый должен иметь доступ к этой технологии. Я думаю, именно это отличает ее от всего остального.
Люди должны иметь возможность использовать технологии которые развивает наука. Они не должны быть патентованы и отданы компаниям, или только каким-то исключительным людям.
- Вовлечение людей в науку.
Самое невероятное в системе CRISPR это то, что теперь всем вдруг стала интересна генная инженерия.
Итак, Зайнер стремится сделать технологию редактирования генов доступной для всех, независимо от социально-экономического положения или предыдущего научного опыта, через ODIN.
- https://www.vseznaika.org/biology/chto-takoe-gennaya-inzheneriya-i-chto-ona-izuchaet/
- https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/629047
- https://vc.ru/future/109057-gennaya-inzheneriya-sostoyanie-na-2020
- https://weproject.media/articles/detail/kak-rabotayut-genetiki-v-raznykh-stranakh-i-zarabatyvayut-do-50-000-v-god/
- http://www.microarticles.ru/article/gennaja-inzhenerija.html
- https://zen.yandex.ru/media/id/5d03731f3ad2340d4ce5185b/gennaia-injeneriia-chto-eto-takoe-5d05956454904b0d65095358
