3.7.10. Генная инженерия

Генная инженерия объединяет совокупность экспериментальных методов, позволяющих искусственно создавать функционально активные генетические структуры и соответственно организмы с новыми наследуемыми признаками, то есть целенаправленно изменять наследственность.

После расшифровки генома стало возможным вводить новые гены в природный набор генов и удалять ненужные гены, что позволяет конструировать в лабораторных условиях молекулы ДНК с нужным составом генов и организмы со свойствами, которых не существует в природе.

Напомним, как осуществляется в естественных условиях механизм матричного синтеза ДНК и РНК. Двойная спираль при репликации разделяется на две одинарных цепи. Каждая одинарная цепь служит матрицей для синтеза дочерней цепи, комплементарной родительской. В результате образуется две одинаковые двухспиральные молекулы ДНК, передающие генетическую программу в дочерние клетки. Синтез РНК (транскрипция) происходит аналогично, с той лишь разницей, что РНК синтезируется в виде односпиральной цепи, комплементарной ДНК-матрице. Синтез белка (трансляция) происходит на мРНК в рибосомах с участием транспортных тРНК, доставляющих в рибосому аминокислоты.

Таким образом синтез ДНК обеспечивает передачу наследственной информации от родительской клетки в дочерние. При синтезе РНК осуществляется передача генетического кода от ДНК на мРНК. мРНК переносит информацию на рибосому, где она обеспечивает синтез конкретной структуры белка. В рассмотренной цепочке генетическая программа не изменяется. Постоянство генетического кода организм надежно охраняет.

Обмен участками хромосом (рекомбинация) и соответственно, генами, может происходить только между парами гомологичных хромосом, то есть принадлежащих одному виду и состоящих из одинаковой последовательности нуклеотидов. Комплементарные по своей структуре хромосомы притягиваются друг к другу и обмениваются генами или структурными группами, что приводит к образованию дочерней хромосомы, содержащей гены двух родительских хромосом.

Аналогичный обмен генами между двумя негомологичными ДНК в естественных условиях произойти не может. Поэтому в генной инженерии для скрещивания гетерологичных хромосом, принадлежащих совершенно разным видам, находящихся на разных ступенях эволюции, используются специальные методики.

Кардинальным решением в генной инженерии является перенесение процесса рекомбинации из организма (in vivo) в пробирку (in vitro) и использование следующих основных достижений молекулярной генетики.

1. Выделение в чистом виде фермента обратной транскриптазы обеспечивающего процесс построения молекулы ДНК по матрице мРНК, что позволяет достаточно просто получать копии отдельных генов. Таким способом были синтезированы гены, контролирующие синтез молекул глобина (белка, входящего в гемоглобин), интерферона – защитного белка, вырабатываемого организмом в ответ на заражение вирусами, и других белков.

2. Выделение ферментов рестриктазы (от позднелат. restrictio – ограничение), вызывающих гидролиз ДНК в строго определенных местах, то есть разрезающих молекулу ДНК на два фрагмента. При этом на разрезанных концах образуются небольшие одинаковые комплементарные односпиральные участки, содержащие более четырех нуклеотидов. Разрезание происходит на участках ДНК, несущих определенным образом повторяющиеся последовательности нуклеотидов. Рестриктазы узнают эти последовательности и разрезают ДНК в точках повтора, что обеспечивает комплементарность односпиральных участков у разных молекул. Односпиральные участки получили название «липких» концов. Соединяясь «липкими» концами самые разнородные фрагменты соединяются в единую структуру. Таким способом была, например, синтезирована молекула ДНК, включающая весь набор генов онкогенного вируса SV-40, гены бактериофага и ген кишечной палочки, то есть создана конструкция, не существующая в природе.