§ 6. "Генная инженерия"

Практическое применение молекулярной биологии сулит широкие перспективы переделки наследственной природы организмов, благодаря чему могут быть введены (или удалены) те или иные гены. Это направление генетики получило название "генной" или "генетической инженерии".

Такое направление позволяет оптимистически смотреть на извечные мечты человечества - лечение многочисленных недугов (в том числе онкологических и наследственных заболеваний) человека методом "починки" или полной замены аномальных генов, создания новых сортов культурных растений и пород животных.

Термин "генная инженерия" появился в 1969 г., когда американские ученые впервые выделили ген, ответственный за усвоение лактозы (уже знакомый нам по предыдущему параграфу lac-оперон из генофора кишечной палочки). Для этого был использован фаг к (лямбда), способный захватывать именно этот ген, встраивая его в ДНК кишечной палочки.

В 1970 г. был искусственно синтезирован ген аланиновой тРНК клеток пекарских дрожжей, состоящий из 77 пар дезоксинуклеотидов.

В том же 1970 г. наметилась еще одна возможность выделения отдельного гена: в некоторых вызывающих злокачественные новообразования вирусах был обнаружен особый фермент (обратная транскриптаза). Этот фермент способен осуществлять обратную транскрипцию РНК→ДНК ("прямая" транскрипция ДНК→РНК).

При помощи обратной транскрипции можно синтезировать ген мРНК, которую удалось изолировать из клеток.

Эксперименты такого рода проводились в 1972 г. на мРНК глобина различных животных (кролики, мыши, голуби, утки) и человека.

Были проделаны эксперименты по трансгенозу (введение полученного тем или иным способом гена в клетку реципиента: например, введение гена амфибии - шерцевой лягушки (Xenopus laevis) в бактерию кишечную палочку (Е. coli).

Трансгеноз возможно осуществлять несколькими путями: трансформацией - перенос гена при помощи очищенной и выделенной из клеток донора ДНК; трансдукцией - перенос гена вирусом; конъюгацией прокариот или гибридизацией эукариот.

Наиболее обещающим методом переноса генетического материала является трансдукция. Процесс переноса генов бактериям при помощи фагов широко встречается в естественных условиях. Вирус SV40, вызывающий у одних видов млекопитающих появление злокачественных новообразований и безвредный для других, способен проникать в клетки хозяина и встраиваться в ее хромосомы.

Следующая проблема - включение генов в вирусные частицы, и закрепление их при помощи химической "сшивки" этих генов с вирусной ДНК.

В бактериальных клетках независимо от генофора встречаются свободные кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами.

Наиболее хорошо изучены плазмиды, обусловливающие так называемый R-фактор, определяющий устойчивость микроорганизмов к антибиотикам.

В лабораторных условиях (in vitro) в пробирке были получены гибридные плазмиды, сообщающие резистентность к двум различным видам антибиотиков - стрептомицину и тетрациклину. Для этого использовались разные плазмиды: одни, обусловливающие устойчивость к стрептомицину, другие - к тетрациклину. Такие плазмиды обрабатывались особым ферментом (рестриктазой), которая вызывает разрыв, молекул ДНК плазмид в определенных местах, образуя так называемые липкие концы. После обработки плазмиды выпрямлялись и из кольцевых становились линейными. Затем эти плазмиды смешивались и, слипаясь своими концами, образовывали новую кольцевую гибридную плазмиду (разрыв в полинуклеотидной цепи сшивали другим ферментом - ДНК-лигазой).

"Генная инженерия", по-видимому, будет иметь большое медицинское значение (генотерапия). Первые шаги уже сделаны.

В культуру, где находились соединительнотканные клетки кожи человека, больного наследственной болезнью - галактоземией (нарушение углеводного обмена, при котором отсутствует ген, а следовательно, и фермент, способствующий усвоению сахара - галактозы; см. главу VII, § 5), была произведена удачная попытка включения недостающего гена из генома кишечной палочки при помощи фага λ. В культуре в течение двух месяцев размножались клетки, содержащие включенный ген.

Вероятно, при помощи "генной инженерии" можно будет создать такие микроорганизмы, которые, потеряв свою болезнетворность, помогут выработать иммунитет против многих болезней.

В промышленности благодаря "генной инженерии" появятся высокопродуктивные продуценты антибиотиков, белков, ферментов, витаминов.

"Генная инженерия" может понадобиться для создания растений, способных фиксировать азот из атмосферного воздуха. Такие растения, видимо, можно было бы получить после введения в их геном генов от бактерий, фиксирующих азот воздуха, например азотобактеров (обитающих в клубеньках бобовых).

Появятся растения и животные, устойчивые к заболеваниям и наделенные особенно выгодными для человека свойствами.

Однако достижения "генной инженерии" могут быть использованы как на благо, так и во вред человечеству.

Некоторые из рекомбинантов штаммов кишечной палочки могут оказаться опасными для человека и вызвать последствия, оценить которые не представляется возможным. Чрезвычайно широко распространенная кишечная палочка, наделенная новыми плазмидами, и часто встречающиеся случаи обмена генетической информацией между разными видами бактерий могут привести к появлению форм, устойчивых к лекарственным препаратам (например, к антибиотикам), увеличению числа онкологических и других тяжелых заболеваний.

Таковы представления о гене и синтезе белка, о программе, закодированной в нем и определяющей структуру всех белков (в том числе ферментов), об изменении гена с позиций молекулярной биологии.