Генная и клеточная инженерия

Получение трансгенных животных. Если вводить ДНК в клетки многоклеточного организма, то результатом трансформации будет изменение свойств лишь небольшого числа клеток, которые приобрели новый ген или гены. Следовательно, для изменения свойств всего организма следует изменять геном половых клеток, которые перенесут новые свойства потомкам. У растений и животных целесообразно изменять такие свойства, как скорость роста, устойчивость к заболеваниям, способность адаптироваться к новым внешним условиям. В качестве маркеров в этом случае можно использовать полиморфизм длины рестрикционных фрагментов (AFLP), анализ мини-сателлитов, анализ микросателлитной ДНК (SSR), гибридизацию и т.д.

Разработаны способы введения генов в эмбриональные клетки млекопитающих, мух и некоторых растений. От работы с довольно крупными яйцами амфибий перешли к изучению яйцеклеток и эмбрионов мыши, которая представляет наиболее изученное в генетическом отношении млекопитающее.

Микроинъекцию клонированных генов производят в один или оба пронуклеуса только что оплодотворенной яйцеклетки мыши. Чаще выбирают мужской пронуклеус, привнесенный сперматозоидом, так как его размеры больше. После инъекции яйцеклетку немедленно имплантируют в яйцевод приемной матери, или дают возможность развиваться в культуре до стадии бластоцисты, после чего имплантируют в матку.

Можно вводить ген в сперматозоиды и затем проводить ими оплодотворение. Таким образом были инъецированы гены интерферона и инсулина человека, ген в-глобина кролика, ген тимидинкиназы вируса простого герпеса и кДНК вируса лейкемии мышей. Число молекул, вводимое за одну инъекцию, колеблется от 100 до 300 000, а их размер - от 5 до 50 кб.

Выживает обычно 10 - 30% яйцеклеток, а доля мышей, родившихся из трансформированных яйцеклеток варьирует от нескольких до 40%. Таким образом, реальная эффективность составляет около 10%.

В 1981 году Константини и Лэси (Оксфорд) провели инъекцию в яйцеклетки мыши фрагменты хромосомной ДНК кролика длиной 19 килобаз. Эти фрагменты содержали ген в-глобина кролика. Яйцеклетки культивировали до стадии бластоцисты и имплантировали в матку. У 24 мышей, родившихся в результате развития имплантированных яйцеклеток, проведены частичная гепатоэктомия. Анализ ДНК из клеток печени показал, что у 9 мышей встречается от 1 до 20 копий на клетку гена в-глобина. После спаривания 4 трансформированных самцов с нормальными самками получили потомство из 18 животных. 6 из них также имели ген в-глобина. Установлено, что интеграция гена в клетки млекопитающих происходит случайным образом и не связана с конкретными областями хромосомы. Ген нестабилен, может быть утрачен или стать неактивным. Вместе с геном необходимо вводить регуляторные последовательности.

Метод введения генов в эмбриональные клетки имеет ограничения. Не всегда удается встроить чужеродную ДНК в заданный участок хромосомы. Разработанные методические примы пока не позволяют заменить имеющийся в геноме ген, вытесняя его, не всегда удается подчинить новый ген системе регуляции организма.

При трансгенозе могут возникать неожиданные проблемы. Например, одни из первых работ по генетической транформации животных проводились путем встраивания генов гормона роста. Перенос гена гормона роста крысы мышам увеличивал рост мышей в 2 раза. Эксперименты по трансгенозу генов гормона роста быка кроликам также увенчались успехом. А вот аналогичные эксперименты по модификации крупного рогатого скота привели к увеличению прироста всего на 10-20%. Очевидно, это связанно с тем, что у мышей сохраняется широкая норма реакции, и встраивание генов, увеличивающих количество гормона, заставляет генотип реализоваться максимально полно. У домашнего скота в результате направленной селекции организмы работают на верхнем пределе нормы реакции, отсюда ожидаемый эффект не проявился.

В нашей стране получены свиньи, несущие ген соматотропина. Они не отличались по темпам роста от нормальных животных, но изменение обмена веществ сказалось на содержании жира. Такие трансгенные свиньи были созданы для изучения цепочки биохимических превращений гормона, а побочным эффектом явилось укрепление иммунной системы.

В Англии созданы трансгенные овцы, молоко которых содержит фактор свертывания крови.

Также в нашей стране были попытки создать овец, продуцирующих химозин (фермент для сыроварения). Было получено 2 овцы, у одной - ген не экспрессировался, у второй содержание химозина достигало 300 мг/л. Однако потомство этой овцы давало низкие удои - порядка 50 кг за период лактации. Причина заключалась в том, что химозин вырабатывается в виде предшественника - прохимозина, который превращается в активный фермент при рН=5. Было запланировано получать именно прохимозин, но в каких-то участках вымени происходило снижение рН, что приводило к активации химозина непосредственно в организме. Активный химозин свертывал молоко, а оно закупоривало протоки вымени. Сейчас пытаются решить эту проблему.

В Подмосковье получены кролики, выделяющие г-интерферон, эритропоэтин, но кролики не являются традиционными продуцентами молока. Эксперименты же по трансформации сельскохозяйственных животных очень дорогостоящи - одно трансгенное животное стоит десятки и сотни тысяч долларов.

Трансгенных животных получают и для целей ксенотрансплантации. Одним из излюбленных доноров органов являются свиньи, так как имеется анатомическое сходство органов и сходство иммунологических свойств. Реакции отторжения при трансплантации имеют сложный механизм. Одним из сигналов для атаки организма на чужой орган являются белки, локализованные на внешней поверхности мембраны. У трансгенных свиней эти белки заменены на человеческие.

Еще одно направление трансгеноза - получение устойчивых к болезням животных. Животноводство держится на вакцинах, так как селекция ведется преимущественно на хозяйственно ценные признаки - шерстистость, молочность и т. д. Повышение устойчивости - дело генных инженеров. К защитным белкам относятся интерфероны, поэтому ген интерферона встраивали различным животным. Трансгенные мыши получили устойчивость, они не болели или болели мало, а вот у свиней такого эффекта не обнаружено.

Трансгенных животных можно использовать для изучения наследственных заболеваний мозга и нервной системы. Гены болезни Альцгеймера (отложение белка в-амилоида приводит к образованию характерных бляшек) и гены, отвечающие за развитие эпилепсии, болезней мозга вводятся в геном нормальных животных; при этом получают трансгенных животных-моделей, на которых можно испытывать различные терапевтические приемы.

Трансгенных животных стали использовать для исследования воспалительных и иммунологических заболеваний человека, например, ревматоидного артрита. Моделируются болезни, связанные с липидным обменом.

2. Генетическое загрязнение планеты

генный инженерия наука

Первые ГМ-сельскохозяйственные культуры были высажены на открытых полях в США в 1995 г. Это стало началом "генетического загрязнения" природы, которое сейчас приняло глобальные масштабы. Более того, ГМ пыльца этих культур, распространяемая ветром, насекомыми и человеком, стала "загрязнять" все вокруг на большие расстояния, оставляя лишь нетронутыми ничтожно малые территории тепличного сельского хозяйства. И все это, несмотря на все заявления сторонников ГМ технологий, что этого не случиться.

Иногда разделяют сельскохозяйственную отрасль экономики на два новых вида: промышленное сельское хозяйство, к которому относят ГМ сельское хозяйство и устойчивое - органическое - сельское хозяйство. Остается также традиционное сельскохозяйственное производство с использованием химических средств защиты растений и удобрений.

В качестве противодействия ГМ культурам 2 винодельческих графства в штате Калифорния запретили выращивание ГМ культур. Пивной американский гигант Anheuser- Busch Co. потребовал, чтобы ГМ-рисовые поля находились на расстоянии 120 миль от тех полей, которых являются источником риса для пивоварения. Европейский союз пытается установить буферные зоны, чтобы предотвратить распространение ГМ продуктов. Однако, такими мерами не удается сдержать распространение ГМ культур. Об этом свидетельствуют, например, заявления официальных лиц Австралии. В этом нет ничего удивительного для тех, кто занимается распространением загрязнителей воздуха на большие расстояния. В 1979 г. была подписана специальная международная конвенция по этому вопросу. В то же время в Европе после запрета на испытания ГМ растений, принятого в 1998 г., страны начинают разрешать некоторые формы ГМ культур.

Следует отметить, что в выигрыше в этой ситуации оказываются компании, которые производят ГМ семена урожайных культур, такие как "Монсанто", "Доу кемикалс" и "Новартис". Фермеры заплатили за ГМ культуры 2,2 млрд. долл. США в 2004 г., на 1 млрд. долл. больше, чем в 2001 г. Наиболее широко распространены ГМ культуры соевых бобов, а также хлопка и кукурузы. Засеянные ГМ культурами площади возросли в 2004 г. на 20% и занимают 200 млн. акров в 17 странах мира. Когда такие, генетически загрязненные, культуры получат широкое распространение, компании, которые запатентовали ГМ семена, смогут потребовать выплат за их "незаконное" использование как попрание своих прав на интеллектуальную собственность. В 2004 г. фирма "Монсанто" выиграла в США длившийся семь лет судебный иск 73-летнему фермеру, который незаконно выращивал на своем поле культуры, запатентованные этой фирмой. В то же время раздаются обвинения в адрес фермеров, выращивающих ГМ сельскохозяйственные культуры, которые должны быть ответственны за распространение генетического загрязнения. Всемирная торговая организация, которая активно занимается вопросами защиты интеллектуальных прав собственности, находится на стороне таких крупных рыночных гигантов и аналогичные разбирательства происходят, как правило, секретно. В 2005 году стало ясно, что ГМ культуры не принесли обещанных компаниями гигантских прибылей ни фермерам, ни потребителям. Министерство сельского хозяйства США не применило установленных им же жестких ограничений в отношении предотвращения случайного распространения (загрязнения) пыльцы ГМ растений на соседние поля. Обещания больших выгод ГМ культур для здоровья населения также оказались преувеличенными. Предполагалось, что ГМ культуры приведут к отказу от использования опасных пестицидов.

Первые ГМ растения вырабатывали собственные пестициды и были устойчивы против гербицидов, что создавало возможность фермерам распылять гербициды и не вредить своим культурам. Ученые сейчас разрабатывают сельскохозяйственные растения, требующие меньше воды и удобрений, т.е. менее зависимые от состояния окружающей среды. Получилось все наоборот. Первые ГМ сорта растений компании «Монсанто» были созданы таким образом, чтобы они не впитывали в себя ее самое прибыльное и запатентованное средство против сорняков -«Раунд-ап». Поэтому фермеры стали покупать еще больше этого химиката. Таким образом, наибольшие прибыли получили компании, производящие семена, которые затем загрязняют планету «патентованной» пыльцой. Существует опасение, что человечество, будущие его поколения, станут заложниками нескольких корпораций, которые будут иметь юридические права на снабжение продовольствием и на стороне которых будут выступать суды. Европейским и американским фермерам, занимающимся органическим земледелием приходится закупать семена в далеких от них странах, например, в Китае с тем, чтобы обеспечить их "генетическую чистоту".

Датское правительство приняло закон, цель которого замедлить распространение генетического загрязнения. Фермеры, чьи поля оказались генетически загрязненными, получат компенсацию от тех фермеров, которые используют ГМ семена. Естественно, что такой закон не решает полностью возникшую проблему.

В этой ситуации особое внимание обращается на сельскохозяйственные биотехнологии для ГМ урожайных культур для производства лекарств и промышленных химикатов.

Литература

1. Биологическое загрязнение / Экология, 1992, № 2.- С. 12-15.

2. Боровский Ю.В., Галиев Р.Ф. Бактериологическое оружие вероятного противника и защита от него. М. 1990

3. Знание-сила (научно-популярный журнал) Статьи о клонированни:1998, № 4; 2000, № 4, 5, 7.- С.72-75.

4. Конов А.Л. Биотехнология и ГПГ / Экология и жизнь. 2002, № 2. - С.65-68.

5. Копия для президента или чего нам ждать от генной инженерии /Медицинская газета. 2001, №7.- С.6.

6. Первый случай биотерроризма в России/ Экология и жизнь. 2002, № 2. - С.7.

7. Поиск (газета РФФИ РФ), (о евгенике)1999, N? 21.- С. 12.

8. Риммингтон А. Применение биотехнологии вызвало загрязнение окружающей среды в СССР (о БВК). Биотехнология и общество. Реферативный сборник АН СССР. М., 1991. - С.60-63.

9. Скрябин К.Г. Золотой миллиард или золотой рис. Экология и жизнь. 2002, № 2. - С.32-39. Сообщения в журнале за 2001, № 2, - С.70; № 3.- С.21-22 и 52-54.

10. Сэссон А. Биотехнология: свершения и надежды. М.: Мир, 1987.- С.26-131.

Размещено на Allbest.ru