Практическое использование изменчивости
Данная способность бактерий может использоваться в следующих целях:
получение аттенуированных вакцинных штаммов;
получение антибиотиков;
изучение механизмов антибиотикорезистентности;
биотехнология (получение диагностических, лечебных и профилактических препаратов с помощью генно-инженерных методов);
разработка биологического оружия (с этой целью отбираются вирулентные штаммы микроорганизмов, резистентные к антимикробным веществам);
изменчивость патогенных микроорганизмов — основная движущая сила в развитии и совершенствовании систем защиты человека от чужеродной генетической информации. Микроорганизмы — важный фактор естественного отбора в человеческой популяции.
Медицинская биотехнология и генная инженерия
Биотехнология — прикладное научное направление, занимающееся созданием биологических продуктов с использованием методов генной инженерии.
Быстрое развитие биотехнология получила во второй половине ХХ в. благодаря развитию науки и экономической выгодности: с помощью микроорганизмов многие вещества получать в тысячи раз дешевле, чем синтезировать химически.
В настоящее время с помощью генно-инженерных методов получают диагностические, лечебные и профилактические препараты, в т. ч. вакцины, антигены, диагностикумы, гормоны (инсулин), антибиотики, иммуномодуляторы, интерфероны, цитокины, моноклональные антитела.
Генная инженерия — направление биотехнологии, позволяющее целенаправленно изменять наследственный материал живых существ.
Открытие, лежащее в основе методов генной инженерии, было сделано В. Арбером в конце 50-х – начале 60-х гг. XX в. Он установил, что бактерии пытаются защитить себя от действия бактериофагов: с помощью ферментов-рестриктаз они разрезают ДНК вирусов, проникших в бактерию, на фрагменты и делают вирус неактивным. Десять лет спустя Г. Боуэр показал, что действие рестриктаз высокоспецифично: они разрезают ДНК в строго определенных местах по одним и тем же основаниям, причем место фрагментации одной цепи смещено по отношению к другой на 4 пары оснований. При этом неровном разрезе возникают два выступающих конца, которые притягиваются друг к другу благодаря наличию водородных мостиков. Поэтому их называют «липкими» концами. Другой фермент — ДНК-лигаза — может, расходуя АТФ, легко вновь соединить липкие концы.
Если с помощью рестриктаз вырезать фрагменты ДНК из разных организмов, то они будут иметь подходящие друг к другу липкие концы, которые в присутствии ДНК-лигазы можно легко соединить. В результате образуются гибридные молекулы из ДНК различных организмов. Таким образом, чужеродная наследственная информация «встраивается» в исходную ДНК.
В качестве векторов для переноса генов в генной инженерии используют плазмиды и бактериофаги.
Метод клонирования заключается в том, что выделенный ген вводится в состав вектора. Затем вектор трансфецируется в быстро размножающуюся, неприхотливую бактерию-хозяина для репликации. Поскольку бактерии делятся очень быстро, то введенная чужеродная ДНК быстро удваивается, т. е. происходит ее клонирование. Путем клонирования любой фрагмент ДНК может быть размножен в бактериях в миллиарды раз, а потом с помощью рестриктаз снова выделен. Так была найдена возможность получения как нужных фрагментов ДНК в больших количествах, так и определенных генов, которые, будучи встроенными в микроорганизмы, направляют синтез новых белков (рис. 77).
Рис. 77. Клонирование ДНК
Цели генной инженерии:
модификация естественных генов человека, животных, микроорганизмов (удаление генов вирулентности и получение аттенуированных вакцинных штаммов);
синтез новых генов (перенос генов в геном других микроорганизмов) и изучение закономерности экспрессии генов;
получение генно-инженерных продуктов и использование их в клинической практике.
Используемые технологии:
Создание трансгенных организмов с заданными свойствами. Основная проблема — неясность отдаленных последствий применения трансгенных организмов.
Гибридизация клеток и получение моноклональных антител, отличающихся высокой специфичностью действия. Сегодня моноклональные антитела широко используется в диагностических исследованиях (определение иммунофенотипа клеток), начинается их использование с лечебной целью.
Использование рекомбинантных микроорганизмов, продуцирующих гормоны (инсулин, продуцируемый E. coli), вакцины (HBs-антиген, продуцируемый дрожжами-сахаромицетами — вакцина против гепатита В), цитокины (рекомбинантный интерферон, продуцируемый E. coli).