Биотехнологии будущего. Генетическая и клеточная инженерия

Дата публикации: 04 февраля 2016
Автор: А. БАЕВ →
Публикатор: А. Комиссаров
Рубрика: ВОПРОСЫ НАУКИ →
Номер публикации: №1454587835 / Жалобы? Ошибка? Выделите проблемный текст и нажмите CTRL+ENTER!

В последнее десятилетие биотехнология обогатилась новыми направлениями - генетической и клеточной инженерией.

Генетическую инженерию можно определить, как систему экспериментальных приемов, позволяющих лабораторным путем создавать искусственные генетические структуры в виде так называемых рекомбинантных (гибридных) молекул ДНК.

В сущности живая клетка - это маленькая химическая фабрика, где производство подчиняется наследственной программе, заложенной в одной из ее нуклеиновых кислот, а именно в ДНК - дезоксирибонуклеиновой кислоте. Эта программа состоит из блоков-генов. Каждый из них управляет выработкой определенного белка и той функцией клетки, которая зависит от него. Поэтому, вводя в клетку новую генетическую информацию в виде гибридных молекул ДНК, экспериментатор получает организм, измененный соответственно поставленной цели.

Сама идея воспроизвести в лабораторных условиях генетические процессы появилась давно. Но вначале никто не представлял, как выделить нужные гены из огромных (даже у самых простых существ) молекул ДНК и как затем собрать эти гены в единую работающую структуру.

Развитие наших знаний о работе живой клетки в конце концов дало ученым инструменты, пригодные для таких операций. Это созданные самой природой Ферменты, которые содержатся в живых клетках. Одни из них рассекают молекулы ДНК в строго определенных участках, другие, наоборот, сшивают их в единое целое. После того, как ферменты были выделены из клеток и очищены, создание искусственных генетических структур стало технически выполнимой задачей.

Так началась эпоха генетической инженерии, которая оказывает теперь влияние на фундаментальные исследования и дает начало многим практическим применениям. Благодаря этому микробиологическое производство приобрело исключительно мощный способ создания высокопродуктивных штаммов микроорганизмов, позволяющих резко повысить выход готового продукта. Такой путь уже используется в промышленности. ВНИИ генетики Главмикробиопрома получил штамм кишечной палочки, синтезирующий аминокислоту треонин, необходимую для балансирования кормов сельскохозяйственных животных. Ученые Института биохимии и физиологии микроорганизмов АН СССР получили штаммы бактерии кишечной палочки, вырабатывающие в огромных количествах один из ферментов, необходимых для операций генетической инженерии.

Область, в которой промышленное применение генетической инженерии уже имеет бесспорно прочный фундамент, - получение физиологически активных веществ белковой природы для медицинских и сельскохозяйственных нужд. Лабораторные исследования в этой области были начаты ведущими институтами страны некоторое время тому назад и приобрели форму законченных программ, объединивших усилия академических и отраслевых институтов.

Среди исследований такого плана - работа по получению замечательного медицинского препарата - интерферона, одного из многочисленных белков человеческого организма. Здесь объединили свои усилия несколько научных институтов под руководством Института биоорганической химии АН СССР. Созданы штаммы бактерии кишечной палочки, содержащие гены, которые управляют синтезом этого белка. Они отличаются высоким выходом продукта, обладающего мощным противовирусным действием. Возможно, что он также наделен и противоопухолевой активностью. Поиск не ограничился этим. Были получены гибриды природных интерферонов. Удалось синтезировать ген, управляющий выработкой интерферона.

Ученые Института биоорганической химии синтезировали ген инсулина, который, будучи введен в бактерию, заставляет ее синтезировать это ценное лекарство.

В Институте молекулярной биологии АН получен ген ростового гормона человека. Исходным материалом здесь был гипофиз - железа внутренней секреции, анатомически и физиологически связанная с мозгом. Ген был получен из этой железы, затем встроен в более сложную структуру и введен в бактерию. В результате на установке Института биохимии и физиологии микроорганизмов АН получен опытный препарат ростового гормона, обладающий ожидаемой физиологической активностью.

Клеточная инженерия

Успехи генетической инженерии связаны пока главным образом с бактериями - одноклеточными организмами. Коль скоро удается изменить наследственные свойства даже единственной бактериальной клетки, далее эти изменения в большинстве случаев воспроизводятся в ее потомках.

Все высшие растения и животные - многоклеточные организмы, и это существенно меняет дело. Никакими доступными способами нельзя разом изменить генотип всех клеток сформировавшегося организма, животного или растительного. Генетическая инженерия позволяет это сделать на уровне одной исходной клетки и получить генетически измененный организм при условии, если эта клетка способна проделать весь путь развития до состояния зрелого организма. Такого ограничения нет для одноклеточных организмов, но оно действует на высших ступенях эволюции жизни.

Оценивая с этой точки зрения фактические возможности генетической инженерии высших животных и растений, следует признать, что они реальны прежде всего в области растениеводства в связи с техникой культивирования растительных тканей и клеток вне организма.

В России признанным центром исследований по культуре клеток и тканей растений стал Институт физиологии растений АН, вместе с которым работают Институт ботаники АН, ВНИИбиотехники, институты Министерства сельского хозяйства.

От манипуляций на клетке во многих случаях можно перейти к целому растению. Дело в том, что клетки растений обладают чудесным и спасительным для экспериментатора свойством при определенных условиях превращаться в целое растение, способное давать потомство. Правда, обеспечить такой цикл удается пока далеко не у всех растений, но, по-видимому, это вопрос лишь техники и времени.

Очевидны преимущества размножения растений таким методом - оно не зависит от сезона и погоды, требует небольшой площади и отличается огромной производительностью. Например, из одного растения герберы традиционным способом можно получить в год 50 - 100 растений, а методом клеточной технологии - миллион. Это позволяет существенно ускорять селекционный процесс. Неудивительно, что здесь ведется интенсивная и успешная работа.

Эти методы и исследования прямым образом адресованы селекционерам, в перспективе они способны не только ускорить селекционный процесс, но сообщить ему новые возможности. Лабораторные опыты убедительно показали, что, пользуясь методами этой науки, можно создавать генетически измененные растения.

Клеточная инженерия животных клеток развивается не столь успешно, как растительных, хотя принципиальные и непреодолимые препятствия здесь отсутствуют.

Впрочем, в одном отношении можно отметить заметный и несомненный сдвиг, а именно работы по гибридомам. Гибридома представляет собою клетку, образованную слиянием лимфоцита (он вырабатывает защитные тела против возбудителей инфекций) и опухолевой клетки (она способна к неограниченному размножению). В результате получается клетка, являющаяся высоковоспроизводительной фабрикой защитных тел-антител.

Еще два года назад такой техникой у нас владели единичные ученые, теперь в программе по гибридомам участвуют около 20 научных учреждений. Учеными успешно решаются и проблемы этики в биотехнологиях.

В области животноводства генетическая инженерия будет использована для получения полноценного белка, аминокислот, витаминов и прочих кормовых добавок, антибиотиков и гормонов и, наконец, вакцин, столь необходимых для борьбы с заболеваниями животных.

Уже сейчас видно, что экспериментальная биология располагает поистине фантастическими возможностями, что у диетической инженерии огромное будущее. Уже сегодня между исследовательскими центрами идет гонка за эффективное применение биотехнологий в замедлении старения. При определении стратегии ее развития нужно иметь в виду, что оно будет неэффективным без гармоничного прогресса наук, составляющих фундамент биологии - биохимии, микробиологии и в особенности генетики, классической и молекулярной. Эти дисциплины образуют основу, питающую все новые направления биологии, в том числе и генетическую инженерию, составляя своего рода научный тыл, отставание которого в науке столь же опасно, как и в военном искусстве.

Как бы ни дробились науки, живое существо останется тем, что оно есть, - совокупностью множества процессов и материальных структур, составляющих физическое, химическое и биологическое единство. Сама природа жизни предопределяет необходимость комплексной организации исследования живых существ.

Опубликовано 04 февраля 2016 года