Генная инженерия — основы и применение¶

Генная инженерия — это совокупность биотехнологических методов, направленных на изменение генетического материала живых организмов с целью получить у них новые свойства или модифицировать существующие. В отличие от传统的 селекции, которая опирается на отбор естественных вариантов, генная инженерия позволяет вносить целенаправленные, точечные изменения в ДНК — гены переносят между видами, выключают, заменяют или дополняют.

¶Основные понятия

Ген — это участок ДНК, который содержит инструкцию для синтеза определённого белка или рибонуклеиновой кислоты. Все гены организма составляют его геном. Генная инженерия работает именно с генами: выделяет нужный участок, встраивает его в клетку-хозяина или редактирует существующий.

Ключевые понятия:

• Клонирование генов — получение множества копий одного гена.
• Рекомбинантные ДНК — молекулы, созданные соединением фрагментов ДНК из разных источников.
• Вектор — «носитель» (чаще всего плазмида — кольцевая молекула ДНК бактерии), с помощью которого нужный ген переносят в клетку.
• Геномное редактирование — точечное изменение последовательности ДНК в хромосоме.

¶Краткая история

Зарождение генной инженерии связано с работами начала 1970-х годов. В 1972 году американский биохимик Пол Берг впервые соединил ДНК двух разных организмов — обезьяны и бактериофага — получив первую рекомбинантную молекулу. В 1973 году Стэнли Коэн и Герберт Бойер разработали метод встраивания чужеродной ДНК в плазмиду бактерии, что позволило размножать нужный ген в бактериальных клетках. Эти работы заложили основу современной генной инженерии.

В 1977 году Фредерик Сэнгер и Уолтер Гилберт независимо друг от друга разработали методы определения последовательности ДНК. В 1980-х годах появились первые генно-инженерные лекарства — инсулин, вырабатываемый генно-модифицированными бактериями (в 1982 году он был одобрен к применению). В 1996 году в Великобритании родилась первая клонированная овца Долли. В 2012 году были опубликованы работы по технологии CRISPR-Cas9, резко упростившей редактирование генома.

¶Основные методы

¶Клонирование генов

Классический метод: нужный ген вырезают из ДНК донора с помощью ферментов-рестриктаз, встраивают в вектор и переносят в клетку-хозяина (обычно бактерию). Клетка начинает продуцировать белок, кодируемый этим геном.

¶Генетический конструирование

Позволяет создавать гибридные гены — например, объединять последовательности, отвечающие за выработку белка-препарата, с последовательностями, обеспечивающими его секрецию из клетки.

¶Геномное редактирование

Современные технологии позволяют вносить точечные изменения в геном:

CRISPR-Cas9 (система CRISPR — англ. Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) основана на механизме иммунитета бактерий против вирусов. Система состоит из фермента Cas9, который разрезает ДНК, и короткой направляющей РНК, которая «находит» нужный участок генома. Технология получила широкое распространение и была удостоена Нобелевской премии по химии 2020 года (Эмманюэль Шарпантье и Дженнифер Дудна).

¶Применение

¶Медицина

• Производство лекарственных белков: инсулин, гормон роста, интерфероны, эритропоэтин.
• Генная терапия — введение пациенту рабочей копии гена для лечения наследственных заболеваний (например, гемофилии, некоторых форм слепоты).
• Разработка вакцин (в том числе мРНК-вакцин).
• Диагностика: тесты на генетическую предрасположенность, ПЦР-анализы.

¶Сельское хозяйство

Генно-модифицированные (ГМ) растения создают с устойчивостью к гербицидам, вредителям, засухе, а также с улучшенными потребительскими свойствами. В коммерческое производство введены ГМ-сорта сои, кукурузы, хлопка, рапса. В России с 2021 года действует запет на выращивание ГМ-культур на территории страны (кроме научных исследований и производства ГМ-продуктов), однако импорт ГМ-продуктов разрешён при наличии сертификата.

¶Промышленность

Генно-модифицированные микроорганизмы используют для производства биотоплива, ферментов, биопластика, антибиотиков.

¶Научные исследования

Генная инженерия — основной инструмент молекулярной биологии: позволяет изучать функции генов, создавать модели заболеваний, исследовать эволюционные связи.

¶Этические и правовые вопросы

Генная инженерия сопровождается дискуссиями. Основные темы:

• ГМ-продукты: споры о их безопасности для здоровья и окружающей среды.
• Генное редактирование человека: в 2018 году китайский учёный Хэ Цзянькуй заявил о рождении детей с отредактированным геномом (ген CCR5, устойчивость к ВИЧ). Эксперимент был осуждён научным сообществом; учёный был осуждён в Китае. Большинство стран запрещает редактирование зародышевого генома человека.
• Патентирование генов: вопрос о том, можно ли патентовать природные генные последовательности.
• Биобезопасность: лабораторные работы с генно-модифицированными организмами регулируются нормами (в России — приказы Минздрава и Роспотребнадзора, правила работы с генно-модифицированными микроорганизмами).

В России деятельность в области генной инженерии регулируется Федеральным законом «О генетической безопасности РФ» (1996, с изменениями), а также рядом подзаконных актов, определяющих порядок работы с генно-модифицированными организмами и их оборота.

Источники:

• Берг П., Сингер М. «Рекомбинантная ДНК: гены и геномы»
• Каменский А. А. «Общая биология»
• Alberts B. et al. «Molecular Biology of the Cell»
• Нобелевский комитет по химии, пресс-релиз 2020 года
• Федеральный закон РФ «О генетической безопасности»